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Analytik: Such das Nanoteilchen

Bislang ist unklar, wie in die Umwelt gelangte oder in Produkten eingesetzte synthetische Nanomaterialien auf Menschen, Tiere und Pflanzen wirken. Die Partner im Projekt »NanoUmwelt« haben jetzt eine Methode entwickelt, die in Umweltproben schon Kleinstmengen an Nanomaterialien aufspüren kann.

Nano Nano Bildquelle: © Fraunhofer IBMT

Ausschnitt einer mikroskopischen Aufnahme einer menschlichen Fettzelle: oben unbehandelt, unten mit Gold-Nanopartikeln versetzt. Die Teilchen reichern sich in den Fetttropfen der Zelle an.

Wenige Milliardstel Meter sind die Partikel klein und in einer Vielzahl von Konsumprodukten verarbeitet. Bis heute ist jedoch weitestgehend unbekannt, wie diese Materialien auf die Umwelt wirken und in welchen Mengen und Formen sie dort vorliegen. »Es gibt zwar zahlreiche Laborstudien, die den Effekt von Nanomaterialien auf menschliche und tierische Zellen untersucht haben. Bislang war es jedoch nicht möglich, die sehr kleinen Mengen in Umweltproben nachzuweisen«, sagt Dr. Yvonne Kohl vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT im saarländischen Sulzbach.

Genau das ist das Ziel des Projekts »NanoUmwelt«. Als ersten großen Meilenstein hat es das interdisziplinäre Team aus Öko- und Humantoxikologen, Physikern, Chemikern sowie Biologen geschafft, eine Methode zu entwickeln, die Nanomaterialien in unterschiedlichen Umweltproben wie Flusswasser, Tiergewebe oder menschlichem Urin und Blut in einem Konzentrationsbereich von Nanogramm pro Liter (ppb – parts per billion) nachweist.

Mit der neuen Methode lassen sich nicht nur wie bisher viele Nanomaterialien in klaren Flüssigkeiten, sondern auch sehr wenige Partikel in komplexen Stoffgemischen wie menschlichem Blut oder Bodenproben aufspüren. Der Ansatz basiert auf der Feldflussfraktionierung (FFF), mit deren Hilfe es möglich ist, komplexe, heterogene Stoffgemische aus Flüssigkeiten und Partikeln in ihre Einzelteile aufzutrennen und dabei die festen Bestandteile nach ihrer Größe zu sortieren. Das gelingt durch das Zusammenwirken eines kontrollierten Flüssigkeitsstroms und eines physikalischen Trennfelds, welches senkrecht auf die fließende Suspension wirkt.

Damit der Nachweis gelingt, müssen die Umweltproben entsprechend aufbereitet sein. Das IBMT-Team aus der Abteilung Bioprozesse & Bioanalytik machte Flusswasser, menschlichen Urin und Fischgewebe fit für das FFF-Gerät. »Wir präparieren die Proben mit speziellen Enzymen. Bei diesem Prozess dürfen die Nanomaterialien allerdings nicht zerstört oder verändert werden. Nur dann können wir die realen Mengen und Formen der Nanomaterialien in der Umwelt nachweisen«, erklärt Kohl. Die Wissenschaftler sind insbesondere Experten, wenn es darum geht, menschliche Gewebeproben bereitzuhalten, zu bearbeiten und zu lagern: Seit Januar 2012 betreibt das IBMT im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) die »Umweltprobenbank des Bundes (UPB) – Humanproben« . Jährlich sammelt das Forschungsinstitut an vier Orten in Deutschland Blut- und Urinproben von jeweils 120 Freiwilligen. Die Einzelproben sind ein wertvolles Instrument, um zeitliche Trends der menschlichen Schadstoffbelastung nachzuverfolgen.

»Für das Projekt NanoUmwelt wurden zusätzlich Blut und Urin gespendet, am IBMT kältegelagert und dafür genutzt, die neue Nachweismethode zu erarbeiten«, erzählt Dr. Dominik Lermen, Leiter der Arbeitsgruppe Biomonitoring & Kryobanken am IBMT. Nach Genehmigung durch das UBA könnten zum Teil auch die Humanproben des UPB-Archivs mit der neuen Methode untersucht werden.