Nanopartikel: Herausforderung für den Gesundheitsschutz Dr. Steffen Wengert BAG, Abteilung Chemikalien

Nanotechnologie: Chancen und Risiken – Fiction and Facts

Nanometer - Welt der Atome und Moleküle 1 Nanometer = 10-9 m = 1 Milliardstel Meter 12756 km ~10 8m ~10-1m ~10-10m

Nanometer - Welt der Atome und Moleküle

Nanotechnologien: Zukunft oder Vision? http://www.nanotechproject.org/index.php

Nanotechnologie Bei der Nanotechnologie handelt es sich weniger um eine Technologie als vielmehr um einen Überbegriff für eine Vielzahl von neuen Anwendungen und Produkten in Bereichen wie z.B. Materialtechnik, Oberflächentechnik, Farben- und Lacke, Medizin, Lebensmittel- und Verpackungstechnik, Kosmetik, Elektronik, Solartechnologie, etc. In allen diesen Bereichen macht man sich auf verschiedene Weise die speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien (Quanteneffekte, grosse spezifische Oberfläche) zu nutzen.

Inhärente Risiken der verschiedenen NT-Felder

Nanotechnologien - Nanopartikel Anlass zur Besorgnis gibt unseres Erachtens nicht die Nanotechnologie als solche, sondern jene Produkten und Anwendungen der Nanotechnologie, bei denen Nanopartikel verarbeitet oder im Laufe des Lebenszyklus eines Produktes (gezielt oder ungewollt) freigesetzt werden. Die Gesundheitsrisiken sind allerdings je nach Exposition (Ausmass, verschiedene Aufnahmewege wie inhalativ, dermal oder  oral) und der chemischen Natur der auftretenden Nanopartikel unterschiedlich zu beurteilen.

PC-Eigenschaften von Nanopartikel: Grösseneffekte (nm) Nanoscale = High Ratio of Surface Area to Vol.

PC-Eigenschaften von Nanopartikel: Quanteneffekte ab ~100nm CdTe - Quantendots

Kohlenstoff Allotrope - Nanopartikel Diamant FullerenC60 Graphit C-Nanotube

Nanopartikel – Ultrafeinstaub

Synthetische Nanopartikel CNT, C60, Russ Silica (SiO2) Metalloxide (ZnO, TiO2, CeO2 , ..) Silber …..

Mögliche toxikokinetische Pfade für NP Nanopartikel Gehirn Nase Lunge Haut Magen/Darm Blut Knochenmark Milz Endothel Leber Herz Plazenta Tran et al. IOM Report, 2005

Eintrittsorgan Lunge: Ablagerung von NP

Lunge: Clearance – Biopersistenz von NP Clearance der Lungenalveolen: Chemisch (Auflösung, Proteinbindung) Phagozytose durch Makrophagen Ephitel-Endocytose Translokation durch die Alveolarwand und via Blutkreislauf in andere Organe Schlechte Clearance/ Biopersistenz: z.B. unlösliche Partikel (insbes. Fibern) Chronische Entzündungen Vernarbung und Zerstörung von Lungengewebe (z.B. Asbestose, Silikose) 4 Macrophagen beim Versuch eine Asbestfaser (ca. 80 m) aufzu-nehmen (Ken Donaldson, University of Edinburg)

Toxische Effekte von NP in der Lunge Adverser Effekt (Entzündung , ausgedrückt durch Anteil neutrophiler Leukozyten in der Lungen Lavage von Ratten), 24h nach intratrachaler Einträufelung von TiO2-Nanopartikel. Oberdörster et al.,, Env. Health Persp. 113: 823, 2005

Toxische Effekte von NP in der Lunge Cytotoxicität von TiO2-NP in alveo-laren Makrophagen von Ratten S. Hirano et. al (2000) Klassische Toxizität = F (Dosis) Nanotoxicity = F (Masse, Grösse, Form, Oberflächen, Oberflächen-aktivität, etc)

Translokation inhalierter Partikel zu anderen Organen? Epidemiologische Befunde: Korrelation zwischen Feinstaubbelastung und Herz-Kreislauf Erkrankungen ( UFP gelangen in den Blutkreislauf nehmen Einfluss auf Herz und Blutgefässe ?) Exposition von 5 Freiwilligen mit ultrafeinem Tc-gelabelten Kohlenstoffpartikeln (<100nm) Nemmar et. Al. Circulation 2002; 105(4):411

Hinweise auf Translokation von NP via olfaktorischen Nerven ins Gehirn Inhalations-Experimente mit 13C-Carbon (< 100nm) an Ratten weisen auf eine Translokation ins Gehirn hin, Signifikanz für Menschen muss noch betätigt werden. Oberdörster et al., Translocation of inhaled particles to the brain, Inhalation Toxicology 16:437, 2004

Vergiftungsfälle mit „Magic-Nano“ Zwischen dem 27. und 30. März wurden den Giftinformationszentren in Deutschland 97 Fälle von zum Teil schwerwiegenden Atmungsstörungen bis hin zum Lungenödem nach der Anwendung von „Magic Nano Bad- und WC-Versiegler“ und „Magic Nano Glas- und Keramikversiegler“ des Herstellers Kleinmann gemeldet. Wirkungsweise: Siloxan-Lacke, „Nanolacke“ Keine Nanopartikel! Sprayproblematik – alveolengängige Aerosole (vgl. Imprägniersprays)

Aufnahme von NP über die Haut? Langzeit-Applikation von Sonnencreme mit TiO2-Nanopartikel  NP finden sich vornehmlich in den oberen Bereich der Hornschicht, d.h. es erfolgt keine Aufnahme (Lademann et al, Skin Pharm. 12, 247, 1999) Projekt Nanoderm (unterstützt durch EU)  Vorläufige Ergebnis scheinen zu bestätigen, dass über die gesunde Haut keine Aufnahme von NP (d.h. keine Translokation Haut – Blut) erfolgt

Aufnahme von NP via Magen-Darm-Trakt (oral) Es gibt deutliche Hinweise, dass Mikropartikel und in weit höherem Ausmass auch Nanopartikel die Darm-Barriere (über die sogenannten „Peyerschen Platten“) überwinden und via Lymphsystem in die Blutbahn gelangen können. (Desai et. al, Pharm.Res. 13, 1838, 1996) es existieren keine Studien zu möglichen Schädigungen des Darms durch NP.

Toxische Effekte von NP in Zielorganen zu toxischen Effekten von NP auf Zielorgane liegen – abgesehen von der Lunge – wenig oder keine publizierten Daten vor. die wenigen vorhanden Tierstudien zeigen keine akuten adversen Effekte im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses stehen momentan Untersuchungen zur Cytotoxizität von NP, die meist in-vitro an Zelllinien durchgeführt werden. Diese erlauben allerdings nur eingeschränkte Aussagen zur tatsächlichen Toxizität der untersuchten NP.

Nanopartikel: Entscheidende toxikologische Parameter Particle behaviour in biological fluids T2 Influence of chemical composition T4 Different cell types T8 Mobility studies T7 Chemical effects Physical effects Interesting particles for toxicology studies Sources of danger for different cell types Biological effects Studies on oxidation activity T5 Studies on redox potential T6 Size, degree of aggregation, surface and Morphology dependence T3 Production, Preparation and Characterization T1 W.J. Stark, Cytotoxicity of Nanoparticles, ETHZ (2005)

Exposition des Menschen gegenüber Nanopartikel (NP) UFP/Feinstaub natürl. und antropogenen. Ursprungs (z.B. aus Verbrennungsprozessen, Abrieb, etc.) Umgang mit freien/ unge-bunden synthetischen NP (unbeabsichtigte Expo-sition des Menschen) Freie synthetische NP mit Target Mensch  Medikamente Umgang mit Produkten, die Nanopartikel enthal-en (z.B. Verpackungs-, Funktionsmaterialien etc.  Lebenszyklus) Synthetische NP mit Target Mensch  Genuss- und Lebens-mittel, Kosmetika Synthetische NP in Umwelt (direkt oder indirekt eingebracht)

Gesetzliche Grundlagen Lebensmittelgesetz, LMG Art. 13 Nahrungs- und Genussmittel 1Nahrungsmittel dürfen bei ihrem üblichen Gebrauch die Gesundheit nicht gefährden. 2Genussmittel dürfen bei ihrem üblichen Gebrauch und Genuss die Gesundheit nicht unmittelbar oder in unerwarteter Weise gefährden. Art. 14 Gebrauchsgegenstände 1Gebrauchsgegenstände dürfen bei bestimmungsgemässem oder üblicherweise zu erwartendem Gebrauch die Gesundheit nicht gefährden. Chemikaliengesetz, ChemG Art. 5 Selbstkontrolle 1Wer als Herstellerin Stoffe oder Zubereitungen in Verkehr bringt, muss dafür sorgen, dass diese das Leben und die Gesundheit nicht gefährden….

Lücken in der Regulierung „Dosis“ (Exposition) muss neu definiert werden: Anzahl Partikel, total Oberfläche und Oberflächenbeschaffenheit scheinen wichtiger als die Menge/Masse Bestehende Teststrategien verlangen keine Analyse der systemischen Verteilung Bestehende Testmethoden decken mögliche nanospezifische, adverse Effekte ungenügend ab – neue toxikologische Endpunkte? Die gesetzlichen Regelungen zu bestimmten chemischen Stoffen (z.B. Altstoffe im Chemikalienbereich oder Lebensmittelzusatzstoffe) machen keine Aussagen über deren Partikelgrösse. Konkrete gesetzliche Änderungen, die einen Schutz vor möglichen negativen Auswirkungen von Nanopartikel gewährleisten könnten, benötigen zunächst weitere Forschungsdaten!

Wie weiter ? Vorsorgeprinzip? Sollte nicht dazu benutzt werden Forschung und Entwicklung im Bereich Nanotechnologie und Nanopartikel zu verlangsamen oder zu behindern. Aber ! Anwendungsorientierte, technische Weiterentwicklung der Nanotechnologie muss mit entsprechender Forschung hinsichtlich möglicher Risiken ergänzt werden Spezifische ungebundene Nanopartikel und Prozesse, welche solche beinhalten, müssen (vorläufig) individuell betrachtet werden Ungebundene Nanopartikel und Produkte, die solche enthalten, sollen gekennzeichnet werden. Starke nationale und internationale Zusammenarbeit zwischen Industrie, Wissenschaft und regulatorischer Behörde ist unabdingbar (Aktionsplan CH, EU, USA, OECD).

Aktivitäten BAG Forschung Risiken Kommunikation Politik Labor: W.J. Stark ETHZ, „Cytotoxicity of Nanoparticles“ EMPA St. Gallen, „Safety and Risks of Carbon Nanotubes“ IST Lausanne, „Nanoinventar“ Kommunikation TA-Suisse, „Publifocus Nanotechnologie“ Politik Aktionsplan CH, Nanoregulation Plattform OECD, internationale Interessengruppen (USA, EU)