Neuer ToxAtlas zeigt zelluläre Reaktionen auf Nanomaterialien

Eine internationale Studie unter der Leitung von Forschenden des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL) der Standorte BREATH und CPC-M liefert wichtige neue Erkenntnisse darüber, wie eingeatmete Nanomaterialien Entzündungsprozesse in der Lunge auslösen. Die Arbeit ist in ACS Nano erschienen und entstand in enger Kooperation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, Dänemark, der Schweiz und Großbritannien.

Das Team nutzte modernste Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die frühen zellulären Reaktionen der Lunge auf verschiedene kohlenstoffbasierte Nanomaterialien zu untersuchen – darunter kugelförmige Kohlenstoffnanopartikel sowie einfache und mehrfach gewickelte Kohlenstoffnanoröhren. Ziel war es zu verstehen, welche Zelltypen und molekularen Signalwege die initiale Entzündungsreaktion auslösen. Dafür wurden Mauslungen bereits zwölf Stunden nach Exposition analysiert, um die allerersten zellulären Reaktionen beobachten zu können.

Die Ergebnisse zeigen, dass chemisch ähnliche, aber strukturell unterschiedliche Nanomaterialien verschiedene Entzündungsprogramme aktivieren. Kugelförmige Partikel stimulieren vor allem alveoläre Epithelzellen, die entzündungsfördernde Zytokine freisetzen – ein Mechanismus, der die Rekrutierung neutrophiler Granulozyten ermöglicht, ohne dass Zellschäden auftreten. Faserförmige Nanoröhren hingegen verursachen deutliche Gewebeschäden an Epithel- und Immunzellen und führen zur Freisetzung von „Alarminen“, die eine starke, teils chronische Entzündungsreaktion auslösen. Früh aktivierte mesenchymale Zellen, insbesondere Lipofibroblasten in der Nähe von alveolären Typ-II-Zellen, erweisen sich als zentrale Schaltstellen, die Ausmaß und Qualität der Entzündung wesentlich mitbestimmen.

„Zur besseren Zugänglichkeit der Ergebnisse haben die Forschenden den webbasierten ToxAtlas entwickelt, ein interaktives Tool, das zelltypspezifische Genexpressionsmuster und Signalwege verschiedener Nanomaterialien abbildet“, berichtet Carola Voss, Wissenschaftlerin am DZL-Standort BREATH. „Damit steht der Forschung erstmals eine systematische Ressource zur Verfügung, um Materialeigenschaften mit biologischen Wirkungen zu verknüpfen und die Entwicklung sicherer, tierversuchsfreier Testsysteme voranzutreiben.“

Quelle: BREATH

Abbildung: Voss et al., Toward a ToxAtlas of Carbon-Based Nanomaterials, ACS Nano, 2025.

Originalpublikation: Voss C, Han L, Ansari M, Strunz M, Haefner V, Angelidis I, Mayr CH, Berthing T, Zhou Q, Guenther EM, Huzain O, Schmid O, Vogel U, Gote-Schniering J, Gaedcke S, Theis FJ, Schiller HB, Stoeger T. Toward a ToxAtlas of Carbon-Based Nanomaterials: Single-Cell RNA Sequencing Reveals Initiating Cell Circuits in Pulmonary Inflammation. ACS Nano. 2025 Nov 18;19(45):39139-39156. doi: 10.1021/acsnano.5c12054. Epub 2025 Nov 3. PMID: 41183169; PMCID: PMC12632174.