Ein Schwerpunktprogramm der DFG

Programm

Autoren
R. Zellner, M. Bastmeyer, H. Bockhorn, P. Gehr, W. Kreyling, Th. Kuhlbusch, U. Nienhaus, H. Paur, E. Rühl, R. Schins, U. Simon, H. Weller

DFG Schwerpunktprogramm SPP 1313
Die biologische Wirkung von Nanopartikeln

Einleitung

Seit der Entwicklung der Nanotechnologie hat sich die Untersuchung der Interaktionen von Nanopartikeln mit biologischen Systemen zu einem herausfordernden Forschungsgebiet der grundlegenden und angewandten Forschung in der Biologie entwickelt. Da die Größe von Nanopartikeln mit der von typischen Zellbestandteilen und Proteinen vergleichbar ist, wird angenommen, dass sie die natürlichen Abwehrsysteme des menschlichen Körpers umgehen und zu permanenten Zellschädigungen führen können. Obwohl toxikologische Studien eindeutig darauf hinweisen, dass Nanopartikel gesundheitsschädigende Wirkungen haben können, sind die grundsätzlichen Ursachen- und Wirkungsprinzipien längst nicht bekannt. Im vorliegenden Forschungsprogramm sollen daher die grundlegenden Wechselwirkungsprozesse zwischen Nanopartikeln und biologischen Systemen auf der zellulären und molekularen Ebene untersucht werden. Dies beinhaltet die Aufklärung des Transports von Nanopartikeln über biologische Membranen und andere Phasengrenzen, der Interaktionen mit Proteinen und Zellbestandteilen sowie der Auswirkungen auf biologische Funktionen. In diesen Untersuchungen werden neueste Methoden für die Produktion und Charakterisierung von Nanopartikeln sowie deren Nachweis und Lokalisierung in biologischen Systemen angewendet. Es wird daher erwartet, dass dieses interdisziplinäre Forschungsprogramm die bestehenden Unsicherheiten in der Bewertung der unbeabsichtigten Exposition von Menschen gegenüber Nanopartikeln deutlich verringern wird.

Rahmen des Programms

Das Programm ist durch seinen stark interdisziplinären Charakter gekennzeichnet und beinhaltet Forschungsfelder aus der Materialforschung, Nanophysik, physikalischen Chemie, Biophysik, Zellbiologie und Partikeltoxikologie. Das Hauptanliegen ist die Identifizierung und das Verstehen der grundlegenden physikalischen, chemischen und biologischen Vorgänge, durch die Nanopartikel die Phasengrenzen biologischer Systeme überqueren, mit Biomolekülen, Zellen und Zellbestandteilen interagieren und deren biologische Funktionen Beeinträchtigen. Aus Gründen der Organisation und Verwaltung wurden die grundlegenden Ziele des Programms in 3 einzelne Forschungsfelder aufgeteilt:

  • Herstellung und Charakterisierung von Nanopartikeln
  • Der Übergang von Nanopartikeln in die biologische Umwelt und ihre Interaktionen mit dieser
  • Der Einfluss von Nanopartikeln auf grundlegende biologische Funktionen

Das Programm zielt ausschließlich auf das Verhalten von künstlich hergestellten Nanopartikeln ab, da diese nicht für die Aussetzung gegenüber biologischen Systemen vorgesehen sind. Die Partikel die in den vorgeschlagenen Untersuchungen verwendet werden sollen, werden Materialtypen beinhalten, die in heutigen technischen Anwendungen verwendet werden, so beispielsweise kohlenstoffhaltige Partikel (Ruß und CNTs), Metalle (Au, Ag, Pt, Pd), Oxide von Si, Fe Ti, Zn und andere, Kern-/Hüllen-Nanopartikel und Halbleiter-Quantenpunkte. Natürlich vorkommende Nanopartikel aus der Umwelt oder biologischen Ursprungs werden nicht berücksichtigt.

Die grundlegende Neuerung des vorliegenden Programms ist die Verknüpfung zwischen Nanotechnologie und Biologie, die durch die folgenden Aspekte verdeutlicht wird:

  1. Die Methoden der Vorbereitung und Charakterisierung der Nanopartikel werden sich schwerpunktmäßig auf Eigenschaften beziehen, von denen angenommen wird, dass sie Einfluss auf biologische Systeme ausüben, und werden derartig angepasst modifizoiert und angepasst werden, dass sie den Transfer von Nanopartikeln und deren Lokalisierung in biologischen Systemen ermöglichen.
  2. Die systematische Variation der Parameter der Nanopartikel, so wie zum Beispiel Materialien, Größe und Eigenschaften wird die Analyse der spezifischen biologischen Reaktionen in verschiedenen Organen, Zellen und subzellularen Systemen ermöglichen.

Als Konsequenz daraus werden nur Projekte berücksichtigt werden, die eine intensive Kooperation zwischen den verschiedenen Systemen aufweisen. Projekte, die sich nur auf ausgewählte Aspekte beziehen und somit die Interdisziplinarität vernachlässigen, werden nicht akzeptiert. Schließlich wird das Programm entschieden von aktueller Forschung zur intendierten Beeinflussung biologischer Systeme durch Nanopartikel (Design und Applikation von Medikamenten) getrennt. Daher wird kein Aspekt der Nanomedizin in diesem Programm akzeptiertmit aufgenommen.. Darüber hinaus konzentriert sich dieses Programm ausschließlich auf die biologischen Systeme von Menschen oder akzeptierte Analoga. Dies schließt Studien zur Interaktion von Nanopartikeln mit Pflanzen oder Mikroorganismen, die in der Nanoökotoxikologie untersucht werden, aus.

Wissenschaftliches Programm

Die drei grundlegenden Forschungsfelder werden im Folgenden kurz umrissen.
1. Herstellung und Charakterisierung von Nanopartikeln
2. Eindringen von Nanopartikeln in die biologische Umgebung und Interaktionen mit dieser
3. Der Einfluss von Nanopartikeln auf fundamentale biologische Funktionen