Rolle von mononuklearen Phagozyten und Strömungseinflüssen auf Eindring- und Toxizitätsverhalten von Nanopartikeln im 3D-Nierenmodell

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Michael Becker; Professorin Dr. Christina Graf
• Fachliche Zuordnung: Toxikologie, Laboratoriumsmedizin ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Technische Chemie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558325171

Nanopartikel (NP) haben sich zwar als vielversprechende Wirkstoffträger und Kontrastmittel erwiesen, haben aber häufig zytotoxische Effekte, insbesondere auf Nierenzellen, was für Patienten mit vorbestehenden Nierenschäden ein Risiko darstellt. Diese zytotoxischen Effekte hängen mit der Aufnahme von NP in Nierenzellen zusammen, ein Thema, das bisher hauptsächlich in statischen 2D-Zellkulturen untersucht wurde. Solche 2D-Systeme berücksichtigen jedoch nicht die komplexen Strömungsbedingungen in vivo, wo Flüssigkeitsdynamik, Scherspannung und strömungsinduzierte Kräfte die Aufnahme von NP und Zellinteraktionen erheblich beeinflussen. Bisherige Studien konzentrierten sich in erster Linie auf die Auswirkungen der Größe und selten auch der Form der NP auf die Zellaufnahme, während der Einfluss von Scherspannungen und sekundären Strömungseffekten auf die Interaktionen zwischen NP und Zellen kaum beachtet wurde. Darüber hinaus ist bekannt, dass mononukleare Phagozyten (MNP) NP direkt phagozytieren und damit zu Entzündungen und NP-vermittelter Nephrotoxizität beitragen. Die Rolle von MNP im Zusammenhang mit verschiedenen Arten von NP und Nierenzellen unter dynamischen Strömungsbedingungen ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Organ-on-a-Chip-Modelle, wie die OrganoPlate® (OP®), bieten eine physiologischere Plattform für die Analyse der Interaktionen von NP mit verschiedenen Zelltypen unter Strömungsbedingungen. Obwohl diese Systeme die Untersuchung des komplexen Zusammenspiels verschiedener Zelltypen, einschließlich MNP, auf NP-vermittelte Nephrotoxizität unter Strömungsbeschränkungen ermöglichen, bestehen weiterhin Probleme, insbesondere bei der Nachbildung der nichtlinearen und ungleichmäßigen Flüssigkeitsdynamik in biologischen Systemen. Die laminaren, geradlinigen Strömungen in diesen Modellen erfassen nicht die komplexen Strömungsmuster, wie beispielsweise sekundäre Strömungen, die in der Niere vorhanden sind. Solche sekundären Strömungen, die durch Krümmungen und Hindernisse in biologischen Gefäßen verursacht werden, beeinflussen den Transport, die Bindung und die Aufnahme von NP erheblich. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird in dieser Arbeit eine doppelte Strategie vorgeschlagen. Erstens werden die Interaktionen von NP mit Nierenzellen und MNPs unter Strömungsbedingungen im OP®-Format analysiert. Zweitens wird ein neuartiger mikrofluidischer Versuchsaufbau entwickelt, um die komplexen, dreidimensionalen Strömungsfelder, wie sie in vivo vorkommen, besser nachzubilden und eine Feinabstimmung der Sekundärströmungen zu ermöglichen. Dieser Ansatz wird tiefere Einblicke in den Einfluss von Flüssigkeitsdynamik, MNPs, NP-Größe, Form und Oberflächenrauigkeit auf die NP-Aufnahme und Nephrotoxizität liefern und so ein umfassenderes Verständnis des NP-Verhaltens in der Niere und ihrer Nephrotoxizität ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Irland
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Frank Schael
• Kooperationspartner: Hender Lopez, Ph.D.