Das Team nutzte modernste Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die frühe zelluläre Reaktion der Lunge auf verschiedene kohlenstoffbasierte Nanomaterialien zu untersuchen – darunter kugelförmige Kohlenstoffnanopartikel sowie faserförmige, einzel- und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren.
Ziel war es zu verstehen, welche Zelltypen und molekularen Signalwege die initiale Entzündungsreaktion auslösen. Dafür wurden Mauslungen bereits zwölf Stunden nach dem Einbringen der Nanomaterialien analysiert, um die allerersten zellulären Reaktionen beobachten zu können.
Neue Erkenntnisse: Struktur ist wichtiger als Chemie
Die Ergebnisse zeigen eindrücklich, dass chemisch ähnliche, aber strukturell unterschiedliche Nanomaterialien verschiedene Entzündungsprogramme aktivieren. Kugelförmige Partikel (CNP) stimulieren vor allem alveoläre Epithelzellen, die entzündungsfördernde Zytokine wie CXCL1 und GM-CSF freisetzen – ein Mechanismus, der zur Rekrutierung neutrophiler Granulozyten führt, ohne dass Zellschäden auftreten. Im Gegensatz dazu verursachen faserförmige Nanoröhren (CNT) deutliche Gewebeschäden an Epithel- und Immunzellen und führen zur Freisetzung von „Alarminen“ wie IL-1α und IL-33, die eine starke, teils chronische Entzündungsantwort initiieren. Bemerkenswert ist auch die frühe Aktivierung von mesenchymalen Zellen, insbesondere von Lipofibroblasten in unmittelbarer Nachbarschaft zu alveolären Typ-II-Zellen. Diese erweisen sich als zentrale Schaltstellen, die das Ausmaß und die Qualität der Entzündungsreaktion wesentlich mitbestimmen.
ToxAtlas: Neues Tool für sicherere Nanomaterialien
Zur besseren Zugänglichkeit der Ergebnisse haben die Forschenden den webbasierten ToxAtlas entwickelt, ein interaktives Tool, das zelltypspezifische Genexpressionsmuster und Signalwege verschiedener Nanomaterialien abbildet. Damit steht der Forschung erstmals eine systematische Ressource zur Verfügung, um Materialeigenschaften mit biologischen Wirkungen zu verknüpfen und die Entwicklung sicherer, tierversuchsfreier Testsysteme voranzutreiben.
Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis der Toxizität von Nanomaterialien, sondern bietet auch ein leistungsstarkes Werkzeug, um die Entwicklung sichererer Nanomaterialien voranzubringen und zugleich die Abhängigkeit von Tierversuchen zu reduzieren. ToxAtlas könnte die Art und Weise verbessern, wie wir die Risiken von neuen Nanomaterialien in Medizin, Industrie und Umweltsicherheit einschätzen und mindern.
Internationale Kollaboration & Publikation
Die Arbeit mit dem Titel "Toward a ToxAtlas of Carbon-Based Nano materials: Single-Cell RNA Sequencing Reveals Initiating Cell Circuits in Pulmonary Inflammation" ist in ACS Nano erschienen und entstand in enger Kooperation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland, Dänemark, der Schweiz und Großbritannien.
Originalpublikation: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41183169/
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.
Kontakt:
Dr. Tobias Stöger, Leiter der Arbeitsgruppe “Dynamics of Pulmonary Inflammation” am Institut für Lungengesundheit und Immunität (LHI) bei Helmholtz Munich
Prof. Dr. Herbert Schiller, Direktor der Research Unit Precision Regenerative Medicine (PRM) bei Helmholtz Munich