Wie sicher sind die Nanopartikel in transparenter Sonnencreme, Anti-Geruchs-Socken und bakterienresistenten Pflastern? Obwohl Mikroben auf allen Organismen vorhanden sind, werden sie in den Werkzeugen zur Abschätzung der Sicherheit von Nanomaterialien noch kaum berücksichtigt. Bregje Brinkmann erforschte die Rolle dieser Mikroben während ihrer Promotion. Forschung.
Immer mehr Produkte enthalten Nanopartikel: sehr kleine Partikel in der Größenordnung von 1–100 Nanometern. Obwohl sie mit dem menschlichen Auge nicht zu sehen sind, können sie eine große Wirkung haben. „Nanomaterialien stecken in viel mehr Produkten als man vermuten würde“, sagt Brinkmann. „Um beispielsweise Sportmaterialien oder Socken geruchsfrei zu halten, arbeiten sie Silber-Nanopartikel in das Textil ein. Aber auch einige Sonnenschutzmittel enthalten Nanopartikel. Diese sorgen dafür, dass die Cremes UV-Licht absorbieren, aber gleichzeitig transparent bleiben. Die Leute mögen das, weil es dich meint sehe die Creme nicht auf deiner Haut.“
In der biomedizinischen Welt verwenden sie Nanomaterialien auch, um Medikamente präziser in die richtigen (Krebs-) Zellen oder Gewebe zu bringen. Dadurch haben die Medikamente weniger Nebenwirkungen. Und in der Landwirtschaft versuchen Menschen, Nanopartikel zu verwenden, um Chemikalien wie Düngemittel präziser an Pflanzen zu liefern. Dadurch können weniger dieser Stoffe in die Umwelt gelangen.“
Die Tests könnten realistischer durchgeführt werden
Die Anwendungsmöglichkeiten von Nanomaterialien sind endlos, aber sind sie auch sicher? Um dies zu beurteilen, gibt es Tools und Protokolle, mit deren Hilfe abgeschätzt werden kann, ob Nanopartikel für Menschen oder die Umwelt toxisch sind. Doch die Bedingungen, unter denen sie Nanopartikel testen, seien nicht immer ganz realistisch, sagt Brinkmann. „Risikobewerter berücksichtigen Mikroben selten. Und doch sind diese mikroskopisch kleinen Organismen in allen Geweben aller Organismen auf der Erde vorhanden. Unsere Haut, unser Darm und unsere Lunge sind beispielsweise voll davon, ebenso wie Pflanzen und Tiere.“
Um herauszufinden, ob wir Mikroben stärker berücksichtigen müssen, ging Brinkmann ins Labor. „Wir haben die Wirkung von Silber- und Titandioxid-Nanopartikeln getestet, indem wir Zebrafischlarven mit Mikroben mit sterilen Larven ohne Mikroben verglichen haben.“ Sie setzte beide Gruppen gleichen Konzentrationen von Nanopartikeln aus. Bei jeder Konzentration verglich Brinkmann, wie die Larven mit Mikroben im Vergleich zu den Larven ohne Mikroben darauf reagierten. „Dann stellt sich die Frage, ob die Mikroben schützend oder negativ wirken.“
Mikroben auf einem Zebrafischei. Lebende Mikroben sind grün gefärbt, tote Mikroben sind rot oder gelb gefärbt. Bildnachweis: Universität Leiden
Schutzfunktion von Mikroben
Die Tests zeigten, dass es bei bestimmten Nanopartikeln tatsächlich einen Unterschied gab. „Die sterilen Larven starben bei geringeren Konzentrationen von Silber-Nanopartikeln als die Larven mit Mikroben. In diesem Fall hatten also die Mikroben auf den Organismus eine schützende Wirkung gegen die Toxizität der Nanopartikel.“
Brinkmann war sehr neugierig auf den Mechanismus hinter dieser Schutzwirkung. „Zebrafische haben sogenannte ‚Toll-like-Rezeptoren‘, um Mikroben zu erkennen. Wenn Teile der Mikroben mit diesen Rezeptoren in Kontakt kommen, stimuliert das eine entzündungshemmende Reaktion in den Zebrafischzellen. Silberpartikel bewirken das Gegenteil Entzündungsreaktion in den Zellen. Wir gehen davon aus, dass die Reaktion von Zebrafischen auf Mikroben daher die Reaktion von Zebrafischen auf Silberpartikel kompensiert.“
Viele andere Organismen, einschließlich des Menschen, erkennen Mikroben auf die gleiche Weise. „Deshalb erwarten wir, dass Mikroben auch andere Organismen vor der entzündlichen Wirkung solcher Nanopartikel schützen können.“ Darüber hinaus bietet diese Forschung auch Werkzeuge, um die chronischen Auswirkungen der Exposition gegenüber Nanopartikeln besser einzuschätzen. „Was passiert zum Beispiel, wenn die schützenden Mikroben durch die Nanopartikel mit der Zeit absterben?“
Weitere Forschung im Postdoc
Mit den Ergebnissen dieser Studie können Forscher dazu beitragen, die Werkzeuge und Protokolle zur Bewertung der Sicherheit von Nanomaterialien zu verbessern. „Und das ist wichtig. Nicht nur, weil Nanopartikel in immer mehr Produkte eingearbeitet werden, sondern auch, weil ständig neue Materialien auf den Markt kommen. Wir können nicht alle diese neuen Materialien Stück für Stück testen, daher ist es wichtig, richtige Modelle zu haben.“ mit der wir die Sicherheit von Mensch und Umwelt abschätzen können.“
Während ihrer Forschung arbeitete Brinkmann mit Wissenschaftlern aus unterschiedlichen Forschungsgebieten zusammen. „Unter ihnen waren physikalische Modellierer, Molekularbiologen, Chemiker und Biophysiker. Der Austausch, den wir an der Schnittstelle unserer Fachgebiete hatten, war sehr inspirierend.“ Deshalb hört die Forschung an Nanopartikeln für sie nicht auf. „Ich werde als Postdoc am Institut für Umweltwissenschaften (CML) weitermachen. Ich möchte mich weiter mit Fragen zur Sicherheit und Entwicklung von Nanopartikeln beschäftigen.“