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16.01.2019

Welche Auswirkungen hat Graphen auf die Lunge?

Graphen gilt als Material der Zukunft. Ob und wie Graphen-Stäube sich auf unsere Gesundheit auswirken kann, haben Forschende an einem dreidimensionalen Lungenmodell untersucht – realitätsnah, aber ohne Versuche an Tier oder Mensch.

Das 3D Lungenmodell am Adolphe Merkle Institute (AMI) in Fribourg (Foto: AMI)

Graphen gilt wegen seiner Vielfältigen Eigenschaften als Material der Zukunft mit einem großen Anwendungspotenzial. Allerdings ist bislang wenig bekannt, ob und wie sich Graphen auf unsere Gesundheit auswirkt, sollte es in den Körper gelangen. Ein Forscherteam der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und des Adolphe-Merkle-Institut (AMI) in Fribourg haben nun erstmalig Studien an einem dreidimensionalen Lungenmodell durchgeführt, um das Verhalten von Graphen und Graphen-ähnlichen Materialien nach dem Einatmen zu untersuchen. 

Graphen ist zug- und reißfest, kann aber auch hochelastisch und elektrisch leitfähig sein. Graphen verfügt damit über vielerlei außergewöhnliche Eigenschaften, die vielfältige Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen ermöglichen könnten. Aus diesem Grund hat die EU das Graphene Flagship ins Leben gerufen, das mit einer Milliarde Euro unterstützt wird und somit zu den größten europäischen Forschungsinitiativen zählt. Als Teil dieses Projekts bringt auch die Empa ihr Know-how ein, denn im Rahmen der europaweiten Graphen-Forschung spielen gesundheitliche Aspekte und Auswirkungen auf den menschlichen Organismus eine wesentliche Rolle.

Aus diesen Aktivitäten entstand nun zusätzlich ein vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördertes Projekt, das vor kurzem an der Empa und am AMI angelaufen ist. Dabei kommt ein zelluläres 3-D-Lungenmodell zum Einsatz, mit dem die Forschenden herausfinden möchten, welche Auswirkungen Graphen und Graphen-ähnliche Materialien auf die menschliche Lunge haben können – und das unter möglichst realitätsnahen Bedingungen. Eine Herausforderung, denn Graphen ist nicht gleich Graphen. Je nach Herstellungsmethode und Prozessierung entstehen unterschiedlichste Formen und Qualitäten des Materials, die wiederum verschiedene Reaktionen in der Lunge auslösen können.

Das Forschungsteam um Peter Wick, Tina Bürki und Jing Wang von der Empa und Barbara Rothen-Rutishauser und Barbara Drasler vom AMI hat kürzlich seine ersten Ergebnisse im Fachmagazin Carbon publiziert. Mit dem 3-D-Lungenmodell ist es den Forschenden gelungen, die tatsächlichen Bedingungen an der Luft-Blut-Schranke sowie die Auswirkung von Graphen im Lungengewebe realitätsgenau nachzustellen – ohne Versuche an Tier oder Mensch. Dabei handelt es sich um ein Zellmodell, das die Lungenbläschen (Alveolen) abbildet. Herkömmliche In-vitro-Tests arbeiten mit Zellkulturen aus nur einem Zelltypus – das etablierte Lungenmodell dagegen besteht aus drei unterschiedlichen Zelltypen, die die Gegebenheiten innerhalb der Lunge simulieren, nämlich Alveolarepithelzellen sowie zwei Arten von Immunzellen – AlveolarmakrophagenAlveolarmakrophagen
Fresszellen des Immunsystems, die in den Lungenbläschen (Alveolen) vielerlei Funktionen erfüllen, zum Beispiel die Reinigung der Lunge, indem sie sich Fremdpartikel (Erreger, Staub, Ruß etc.) einverleiben. Sie sind u.a. aber auch an Entzündungs- und Überempfindlichkeitsreaktionen beteiligt. 
und dendritische Zellen.

Ein weiterer Faktor, der bei Versuchen in vitro bislang kaum beachtet wurde, ist der Kontakt der Graphenpartikel über die Luft. Gewöhnlich werden Zellen in einer Kulturschale in einer Nährlösung kultiviert und in dieser Form Materialien, zum Beispiel Graphen, ausgesetzt. In der Realität, also an der Lungenbarriere, ist dies allerdings anders. „Der menschliche Organismus kommt am ehesten durch die Atemluft mit Graphenpartikeln in Kontakt“, erklärt Tina Bürki von der Empa-Forschungsabteilung Particles-Biology Interactions. Die Partikel werden also eingeatmet und kommen direkt mit dem Lungengewebe in Berührung. Das neue Lungenmodell ist so aufgebaut, dass sich die Zellen auf einer porösen Filtermembran an der Luft-Flüssigkeit-Grenze befinden und die Forschenden die Graphenpartikel mit Hilfe eines Zerstäubers auf die Lungenzellen sprühen, um den Vorgang im Körper möglichst genau nachzustellen. Die dreidimensionale Zellkultur „atmet“ quasi die Graphen-Stäube ein.

Diese Versuche im 3-D-Lungenmodell brachten nun erste Resultate. Die Forschenden konnten nachweisen, dass sich keine akuten Schäden in der Lunge bilden, wenn Lungenepithelzellen in Kontakt mit Graphenoxid (GO) oder sogenannten Graphennanoplatelets (GNP) kommen. Dazu gehören Reaktionen wie der plötzliche Zelltod, oxidativer Stress oder Entzündungen.

Um auch chronische Veränderungen im Körper aufzuspüren, läuft das SNF-Projekt drei Jahre. Als Nächstes stehen also langfristige Studien mit dem Lungenmodell an. Wick und sein Team setzen die Lungenzellen dabei nebst reinen Graphenpartikeln auch abgeriebenen Graphenpartikeln aus Komposit-Materialien aus, die klassischerweise zur Verstärkung von Polymeren eingesetzt werden. Daran beteiligt ist Jing Wang von der Empa-Abteilung Advanced Analytical Technologies. Um auch hier die Menge der Graphenpartikel, denen Menschen ausgesetzt sind, möglichst realistisch abschätzen zu können, untersucht und quantifiziert Wang den Abrieb der Komposit-Materialien. Anhand dieser Daten hofft das Team das 3-D-Lungenmodell, längerfristig Voraussagen zur Toxizität von Graphen und Graphen-ähnlichen Materialien machen zu können.

Quelle: Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt