Das Team nutzte modernste Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um die frühe zelluläre Reaktion der Lunge auf verschiedene kohlenstoffbasierte Nanomaterialien zu untersuchen – darunter kugelförmige Kohlenstoffnanopartikel sowie einfach 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 dem Einbringen der Nanomaterialien analysiert, um die allerersten zellulären Reaktionen beobachten zu können.

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.

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

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.

Text: BREATH/AB

Foto: MHH/Schweigler