Vergleichende Darstellung von partikelinduzierter ROS-Produktion in A549-Zellen

Das Gefährdungspotenzial von granulären und faserförmigen Partikeln wird unter anderem auf ihre Fähigkeit zurückgeführt, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu bilden und somit oxidativen Stress in der Zelle zu verursachen. Ziel der Arbeit war es, ein Modell zu etablieren, mit welchem die partikelinduzierte Produktion reaktiver Sauerstoffspezies auch in Hinblick auf ihr zytotoxisches Verhalten gemessen werden kann, um Rückschlüsse auf das Gefährdungspotenzial der untersuchten Stäube und Fasern zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang sollten ihre physikochemischen Eigenschaften, wie Größe, Morphologie und Kristallstruktur, berücksichtigt werden. Hierzu erfolgte die Exposition von vier granulären und drei faserförmigen Stäuben und die anschließende Messung der ROS-Produktion sowie der Zellvitalität in A549-Lungenepithelzellen. Als granuläre Partikel wurden dabei nanoskaliges und mikroskaliges TiO2 in den Modifikationen Anatas und Rutil sowie nanoskaliges Hämatit untersucht. Bei den faserförmigen Staubpartikeln fanden Glasfasern, Chrysotil- und Krokydolithasbestfasern Verwendung.
Die Zellvitalität der A549-Zellen wurde mit dem PrestoBlue® Viability-Test bei Staubexpositionen von 0,1 µg/cm², 0,5 µg/cm², 1 µg/cm², 2,5 µg/cm², 5 µg/cm² und 10 µg/cm² untersucht. Die Messung des ROS-Anstieges wurde in wiederholten Ansätzen nach 24-stündiger Inkubation der A549-Zellen mit Staubkonzentrationen von 0,1 µg/cm², 0,5 µg/cm², 1 µg/cm², 5 µg/cm² und 10 µg/cm² mit Hilfe des Fluoreszenzfarbstoffes 2',7'-Dichlorofluorescein fluoreszenzmikroskopisch durchgeführt.
Weder die Exposition mit den granulären Partikeln noch die Exposition mit Glasfasern führte zu einem Vitalitätsabfall der A549-Zellen. Chrysotil- und Krokydolithasbestfasern hatten ab einer Konzentration von 5 µg/cm² einen Vitalitätsverlust der Zellen zur Folge.
Die ROS-Bildung äußerte sich abhängig von der Partikelmasse und der Partikelanzahl. Nanopartikel weisen eine höhere Partikelanzahl und auch eine im Vergleich zur Masse größere Partikeloberfläche auf. Alle granulären Partikel induzierten einen konzentrationsabhängigen, signifikanten ROS-Anstieg im Vergleich zu der nicht exponierten Kontrolle. Nanoskaliges TiO2 Anatas zeigte die höchste ROS-Produktion (MW 6,66 ± 0,86 SEM), gefolgt von nanoskaligem Hämatit (MW 4,60 ± 1,01 SEM), mikroskaligem TiO2 Anatas (MW 3,97 ± 0,98 SEM) und nanoskaligem TiO2 Rutil (MW 2,90 ± 0,62 SEM). Bei dem Vergleich mikroskaliger (TiO2 Anatas) und nanoskaliger Partikel (TiO2 Anatas, TiO2 Rutil, Hämatit) war mit p = 0,35 kein signifikanter Einfluss der Partikelgröße auf die ROS-Produktion nachweisbar. Auch der Vergleich von mikroskaligem zu nanoskaligem TiO2 Anatas ergab mit p = 0,092 keinen signifikanten Unterschied.
Bis zu einer Konzentration von 1 µg/cm² induzierten die TiO2-Partikel unabhängig von ihren spezifischen Partikeleigenschaften in einem vergleichbaren Ausmaß ROS. Oberhalb dieser Konzentration äußerten sich außerdem physikochemische Eigenschaften, wie z.B. die Kristallstruktur von TiO2 Anatas und Rutil, als beeinflussender Faktor auf die ROS-Produktion. Bei den Konzentrationen 5 und 10 µg/cm² konnte ein signifikanter Unterschied (p = 0,018) zwischen den nanoskaligen TiO2-Partikeln der Modifikation Anatas und Rutil ermittelt werden.
Die höchsten durch faserförmige Partikel erreichten ROS-Anstiege sind in abnehmender Reihenfolge: Chrysotilasbestfasern (MW 2,24 ± 0,41 SEM), Krokydolithasbestfasern (MW 1,74 ± 0,15 SEM) und Glasfasern (MW 1,07 ± 0,26 SEM). Bei Letzteren konnte vermutlich wegen der geringen Faseranzahl kein signifikanter ROS-Anstieg in den A549-Zellen induziert werden. Eine Dosis-Wirkungs-Beziehung ließ sich bei Chrysotil- und Krokydolithasbestfasern erkennen. Es fanden sich weder signifikante Unterschiede zwischen Glasfasern und Asbestfasern noch zwischen den beiden Asbestfaserarten. Die faserförmigen Stäube induzierten aufgrund der geringeren Partikelanzahl eine signifikant geringere (p = 0,009) ROS-Produktion in den A549-Zellen als die granulären Partikel.
Die ROS-Produktion in A549-Zellen ist überwiegend von der Partikelanzahl abhängig. Es konnte gezeigt werden, dass diese nicht allein auf eine Makrophagen-assoziierte Reaktion zurückzuführen ist. Auch eine direkte Wirkung der Staubpartikel auf die Epithelzellen der Lunge wurde nachgewiesen.