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Nano in Vivo: Langzeitforschung mit Vorbildwirkung

Unter der Schirmherrschaft des Bundesumweltministeriums untersuchten BASF und BAuA im Rahmen von Nano in Vivo gemeinsam, welche Effekte das Einatmen von Nanopartikeln in niedrigen Dosen langfristig auf die Lunge hat. Nach Abschluss der bislang einzigen Langzeitstudie zu dieser Frage liegen nun belastbare, international anerkannte Ergebnisse vor. Wir sprachen mit Dr. Robert Landsiedel von der BASF, der den experimentellen Teil der Studie leitete, über die Versuche, die Bedeutung der Ergebnisse und die Freude am Irrtum.
 

Herr Dr. Landsiedel, in Nano in Vivo wurden die möglichen Langzeiteffekte von Nanopartikeln in der Lunge anhand von Nano-Ceroxid und Nano-Bariumsulfat untersucht. Warum fiel die Wahl auf diese beiden Stoffe?

Dr. Robert Landsiedel: Zunächst einmal, weil sie auf der Nanomaterialien-Liste der OECD stehen. Auf dieser Liste schlägt die OECD Materialien für Forschungsprojekte vor, damit die Ergebnisse anschließend vergleichbar sind. Wir wollten kein so großes Forschungsprojekt machen mit Substanzen, die nicht auf dieser Liste stehen.

Für die Auswahl gab es mehrere Kriterien: Zum einen sollten die Materialien unlöslich und akut ungiftig sein und zum anderen eine industrielle Relevanz haben.

Ceroxid wird bei der Herstellung von Wafern in der Mikroelektronik eingesetzt. Dabei ist die Mikroelektronik eigentlich eine Nano-Elektronik, denn die Schaltkreise sind nur sieben bis zwölf Nanometer breit. Wenn so kleine Strukturen auf Siliziumwafern aufgebracht werden, dürfen keine größeren Hügel oder Kratzer auf der Oberfläche sein. Ein Schleifmittel, das dafür verwendet wird, ist Ceroxid.
Barium-Sulfat wird als Füllstoff für Lacke eingesetzt. Jeder, der schon mal was lackiert hat, hat dabei auch Barium-Sulfat aufgetragen.

Beide Stoffe werden also in großen Mengen hergestellt, sie sind auf der Nanomaterialien-Liste der OECD, sie sind unlöslich und sie unterscheiden sich voneinander.
 

Dr. Robert Landsiedel ist Chemiker und Toxikologe. Er leitet eine Forschungseinheit in der Abteilung Experimentelle Toxikologie und Ökologie des Chemie-Unternehmens BASF. Im Rahmen der Langzeitstudie Nano in Vivo konzipierte und leitete er den experimentellen Teil.  (Foto: MLR/Magali Hauser)
Dr. Robert Landsiedel ist Chemiker und Toxikologe. Er leitet eine Forschungseinheit in der Abteilung Experimentelle Toxikologie und Ökologie des Chemie-Unternehmens BASF. Im Rahmen der Langzeitstudie Nano in Vivo konzipierte und leitete er den experimentellen Teil. (Foto: MLR/Magali Hauser)
Sie untersuchten die Effekte von Ceroxid in niedrigen Dosen. Weil solche niedrigen Konzentrationen in der praktischen Anwendung üblich sind?

Genau. Es wurden bisher nur zwei Nanomaterialien in Langzeit-Inhalationsstudien untersucht: Carbon Black und Titandioxid. Diese Studien wurden mit nur einer Dosierung durchgeführt. Das ist toxikologisch schwierig, weil keine Dosis-Wirkungsbeziehung beschrieben werden kann. Die Dosierung war zudem sehr hoch, um die 10 mg pro Kubikmeter Luft. Das ist jenseits von dem, was in der Realität üblicherweise erreicht wird. Wir wollten daher mehrere Dosierungen und diese eher im unteren Bereich untersuchen, da das näher an den tatsächlichen Expositionen ist.
 

Warum wurden die Effekte von Bariumsulfat aber mit hoher Dosierung untersucht?

Die Untersuchung von Bariumsulfat war unsere „wissenschaftliche Beiladung“. Wir wollten wenigstens ein Material zusätzlich untersucht haben, von dem wir wussten, dass es sich toxikologisch wirklich anders verhält. Dass wir bei Bariumsulfat dann eine hohe Dosis eingesetzt haben, lag an den Hypothesen, die wir überprüfen wollten.
 

Ziel der Untersuchung war herauszufinden, was passiert, wenn die Partikel über längere Zeit immer wieder eingeatmet werden. Was waren ihre Hypothesen?

Die beiden schon getesteten Partikel (Anm.: Carbon Black und Titandioxid) hatten in hoher Konzentration Lungentumore hervorgerufen. Die Hypothese war daher: Wenn zu viel Material in die Lunge gelangt, ist die Reinigungskapazität der Lunge überlastet – man nennt das „Overload“ (Anm.: Überladung) – und es entstehen Entzündungen. Und eine andauernde (persistierende) Entzündung führt schließlich zu Lungentumoren. Die Hypothese war also, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen Überladung, Entzündung und Tumorentstehung.

Für Nano in Vivo haben wir alle Permutationen (Anm. Kombinationen) überprüft:
- eine Konzentration, die keine Überladung und keine Entzündung verursacht – und damit vermutlich auch keine Tumore,
- eine Konzentration, die an der Grenze zur Überladung ist,
- eine Konzentration, die eine Überladung und Entzündung verursacht und dadurch vermutlich Tumore
- und wir wollten eine Untersuchung, bei der wir eine Überladung haben, aber keine Entzündungen entstehen. Und da bietet sich Bariumsulfat an, weil wir wussten, dass es bemerkenswert untoxisch ist.
 

Von der Idee bis zum tatsächlichen Start für diese Studie vergingen etwa zwei Jahre. Was waren die Herausforderungen?

So eine Studie hat, zumindest in diesem Umfang, noch nie jemand gemacht. Wir mussten also zunächst die notwendige Logistik schaffen. Zudem gab es die benötigten Geräte zum Teil nicht, sodass sie gebaut werden mussten. Es waren insgesamt sowohl technisch, als auch logistisch und organisatorisch viele Aufgaben zu lösen.

Daher möchte ich auch allen danken, die bei Nano in Vivo mitgemacht haben. Ohne jeden, der mitgearbeitet hat, wäre es nicht gegangen. Allen voran danke ich Dr. Anke Jesse (Leiterin des Referats für Nanotechnologie, neuartige Materialien und OECD-Chemikalienpolitik im Bundesumweltministerium) und Prof. Thomas Gebel (Leiter der Gruppe Toxikologie in der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, BAuA). Beide haben das Projekt von Anfang an mit großer Energie und Überzeugung ermöglicht und vorangetrieben.
 

Nano in Vivo war ein Gemeinschaftsprojekt. Wie haben Sie all diese Entscheidungen getroffen?

Wir (Anm: die Verantwortlichen bei BAuA, BASF und BMU) haben direkt zu Beginn ein achtköpfiges Beratergremium eingesetzt, das uns bei der Konzeption, Durchführung und Auswertung unterstützt hat. Denn wir wollten nicht nur eine hervorragende Studie durchführen, sondern natürlich auch, dass die Fachwelt sie anschließend akzeptiert. Dafür haben wir definiert, welche Expertise wir brauchen und weltweit die Besten gefragt. Und alle haben sofort „Ja“ gesagt; das war erfreulich. Ich bin überzeugt, dass wir so das bestmögliche Versuchsdesign gefunden haben.
 

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