Die biologische Wirkung Graphen-verwandter Materialien auf verschiedene menschliche und tierische Zellen wurde in mehreren Studien untersucht. Jedoch liegen hierbei zum Teil widersprüchliche Aussagen vor.

 

Verschiedene Autoren haben speziell darauf hingewiesen, dass kohlenstoffhaltige Partikel in Zellkultur-Testsystemen Probleme bei der Auswertung von Experimenten bereiten können [1-4]. Dies trifft auch für Graphen-verwandte Materialien zu [5]. Aufgrund von Wechselwirkungen der Partikel mit z.B. Farbstoffen des Testverfahrens kommt es zu falsch-positiven oder falsch-negativen und damit ungültigen Ergebnissen, so dass keine Aussagen zur Toxizität von kohlenstoffhaltigen Partikeln aufgrund dieser Testsysteme gemacht werden können. Deshalb empfehlen Autoren, eine zweite Methode zur Überprüfung der Ergebnisse einzusetzen [1,5].

 

Ebenso wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, werden Graphen-verwandte Materialien als mögliche Wirkstoffträger z.B. zur Behandlung von Tumoren untersucht. Eine wichtige Voraussetzung für eine solche Anwendung ist die Verträglichkeit dieser Materialien für das menschliche Blut. Liao und Kollegen konnten eine dosisabhängige Auflösung von roten Blutkörperchen feststellen. Eine Beschichtung von Graphenoxid mit Chitosan verhinderte dagegen die Auflösung von roten Blutkörperchen [5].
Zudem konnten die Forscher bei menschlichen Hautzellen dosisabhängig Vitalitätsverluste und die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) feststellen. Dabei spielte die Form eine bedeutende Rolle: aggregierte Graphenlagen waren für die Zellen schädlicher als reversibel aggregiertes Graphenoxid.

 

Eine weitere aktuelle Studie an Graphenoxid-behandelten Lungenzellen ergab keine strukturellen Veränderungen und keine Probleme beim Anwachsen der Zellen. Ebenfalls wurden keine signifikanten Vitalitätsverluste, keine Membranschäden, keine Apoptose und auch keine Nekrose beobachtet. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigte keine Veränderungen der Zellstrukturen. Es konnte kein Graphenoxid innerhalb der Zellen nachgewiesen werden, allerdings verursachte die Graphenoxid-Exposition auch schon bei niedrigen Dosen oxidativen Stress. In einer weiteren Studie führten sogenannte Graphen-Nanoschalen ebenfalls zu keinen morphologischen Änderungen der Zellen. Es wurde keine giftige Wirkung festgestellt, jedoch wurde auch hier von den Materialien oxidativer Stress hervorgerufen. Zudem konnte eine Aufnahme der Graphen-Nanoschalen durch die Lungenzellen mittels TEM beobachtet werden [6].
In einer weiteren Studie verursachten Aggregate von Graphennanoplättchen dosisabhängige Membranschäden an Fresszellen, lösten oxidativen Stress aus und setzten Entzündungsmarker frei [7].

 

Duch und Kollegen konnten sowohl bei dispergierten, als auch bei aggregierten Graphen-Materialien keine Apoptose von Fresszellen feststellen. Im Gegensatz dazu beobachteten sie Apoptose bei gleichen Zellen, welche großen Graphenoxidschichten ausgesetzt wurden [8].

 

Je nach Zelltyp, je nach Art des Graphen-verwandten Materials und auch je nach Art der Beschichtung kann dies Zellstress und Zellschäden bis hin zur Apoptose auslösen (vor allem durch fettliebende Beschichtungen) oder aber selbst bei höheren Konzentrationen keine negativen Effekte auf die Zellen zeigen (bei wasserliebenden Beschichtungen).

 

Literatur arrow down

  1. Woerle-Knirsch, JM et al. (2006), Nano Lett, 6(6): 1261-1268
  2. Pulskamp, K et al. (2007), Toxicol Lett, 168(1): 58-74
  3. Monteiro-Riviere, NA et al. (2006), Carbon, 44(6): 1070-1078
  4. Monteiro-Riviere, NA et al. (2009), Toxicol Appl Pharmacol, 234(2): 222-235
  5. Liao, KH et al. (2011), ACS Appl Mater Interfaces, 3(7): 2607-2615
  6. Bachmatiuk, A et al. (2013), ACS Nano, 7(12): 10552-10562
  7. Schinwald, A et al. (2012), ACS Nano, 6(1): 736-746
  8. Duch, MC et al. (2011), Nano Lett, 11(12): 5201-5207

 

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