Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6899

Zur toxikologischen Untersuchung ultrafeiner Partikel: Entwicklung und Einsatz eines realitätsnahen in vitro Lungenmodells

Ralf Wottrich

Zusammenfassung
Die Exposition mit ultrafeinen Partikeln wird in epidemiologischen Studien mit einer erhöh-ten Sterblichkeit in der Bevölkerung in Verbindung gebracht. Die Eigenschaften der Partikel und die zugrundeliegenden Mechanismen, die zu diesen Beeinträchtigungen führen, sind noch weitgehend unbekannt.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines realitätsnahen humanen Zellkul-turmodells der Luft/Blut-Schranke. Dazu wurde die Wirkung von ultrafeinen Modellpartikeln (Hämatit-, Silicasol- und Quarz-Partikel) auf die Bronchialepithelzelllinie BEAS-2B, die Alveolarepithelzelllinie A549, die Endothelzelllinie ECV304 und die Makrophagenzelllinien THP-1 und Mono Mac 6 untersucht, um geeignete Zelllinien zu finden.

Mit dem Transmissionselektronenmikroskop konnte die Aufnahme und der basolateral ge-richtete Transport von Partikeln in A549-Alveolarepithelzellen dokumentiert werden.

Die Ergebnisse aus umfangreichen Zytotoxizitätsstudien unterstützen die Hypothese, nach der die Wirkung von Partikeln mit abnehmender Größe zunimmt. Jedoch determiniert die chemi-sche Zusammensetzung den grundsätzlichen toxischen Effekt der Partikel, deren Wirkung durch eine Dosis-Wirkungs-Beziehung beschrieben werden konnte. Jede Zelllinie zeigte eine charakteristische Wirkungsempfindlichkeit. Nach Exposition mit Partikeln setzten die Zellen in für die jeweilige Zelllinie charakteristischer Weise die Entzündungsmediatoren Interleu-kin-6 und Interleukin-8 frei. In Kokulturen von A549-Alveolarepithelzellen mit THP-1- oder Mono Mac 6-Makrophagen zeigte sich eine um das vielfache gesteigerte Freisetzung der Interleukine. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Interaktion zwischen den verschie-denen Zelllinien bei den Entzündungsreaktionen nach Exposition mit Partikeln an der Luft/Blut-Schranke. Erste Untersuchungen an der Triple-Zellkultur unterstützen diese Befun-de. Zudem wurden in elektronenmikroskopischen Aufnahmen erste Hinweise auf eine Trans-lokation von Partikeln durch die Zellschichten gefunden.

Die gelungene Entwicklung eines Zellkulturmodells im Rahmen dieser Arbeit ermöglicht in zukünftigen Studien, die Zell/Zell-Interaktionen an der Luft/Blut-Schranke unter Einbezie-hung der Rolle der Endothelzellen zu untersuchen.

Toxicological studies of ultrafine particles: Development and application of a close-to-reality in vitro lung model

Abstract
Exposure to ambient ultrafine particulate matter has been associated with increased mortality in the public. The particle parameters triggering the underlying mechanisms are still largely unknown. The aim of the present study was the development of a close-to-reality human cell culture model of the air/blood barrier. Therefore, different human cell lines were evaluated regarding their response after exposure to fine and ultrafine model particles (hematite, sili-casol and quartz particles). The cell lines under study were the bronchial epithelial cells BEAS-2B, the alveolar epithelial cells A549, the endothelial cells ECV304 and the macro-phage-like cells THP-1 and Mono Mac 6.

The uptake of hematite particles into A549 alveolar epithelial cells and the basolateral di-rected transport could be documented by use of light microscopy and transmission electron microscopy. The results from extensive cytotoxicity studies support the hypothesis, that de-creasing diameters of the used particles increase the intensity of the cytotoxic effects. How-ever, the chemical composition determines the fundamental toxic impact of the particles. Each cell line showed a characteristic sensitivity to particle exposure in a dose-dependent manner.

After exposure to particles, the cells released the inflammatory mediators Interleukin-6 and Interleukin-8 in dependence of the cell line. The co-cultures of alveolar epithelial cells (A549) and macrophage-like cells (differentiated THP-1 or Mono Mac 6) showed an increased sensi-tivity to particles concerning the cytokine release in comparison to the mono-cultures of each cell line. These results point out the significance of the interactions between the different cell types for inflammatory responses after exposure to particles at the air/blood barrier.

First studies using the triple-cell culture system support these findings. Furthermore, trans-mission electron micrographs of the triple-cell culture system indicate translocation of hema-tite particles through the cell layers. The successful development of a cell culture model in the context of this work enables examinations of the cell/cell interactions at the air/blood barrier under inclusion of the role of endothelial cells in future studies.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK