Carcinogenicity and mutagenicity of nanoparticles - assessment of current knowledge as basis for regulation / by Katrin Schröder, Christina Pohlenz-Michel, Nelly Simetska, Jens-Uwe Voss, Sylvia Escher, Inge Mangelsdorf (Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine, Hannover) ; on behalf of the Federal Environment Agency (Germany) ; study performed by: Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ; edited by: Section II 1.2 Toxikologie, Gesundheitsbezogene Umweltbeobachtung Petra Apel

Abstract

Carcinogenicity studies with several types of respirable particles and fibres indicate a carcinogenic potential from inhalation and there is concern that the carcinogenic potency of nanomaterials is higher than for the corresponding micromaterials. In this research project, long term studies with nanomaterials were used to identify relevant indicators of toxicity of nanomaterials including possible precursors of carcinogenicity. Due to the heterogeneous characteristics of the materials and the different study types, a structured and systematic data analysis was performed by means of a relational database (PaFtox). More than 100 inhalation studies and instillation studies with rodents with Carbon Black, silicon dioxide, metals or metal oxides, and carbonnanotubes were analysed. Effects like neutrophil number, total protein and LDH content in the bronchioalveolar lavage fluid (BALF) are frequently measured and are sensitive indicators of toxicity of all particles investigated. In addition, infiltration of inflammatory cells in the lung and increased lung weights are often observed. The LOELs of nano-objects are generally lower than the LOELs of the corresponding larger objects and they differ by several orders of magnitude between analysed substances: Silver was identified as the most toxic nanomaterial within our selection of nanomaterials. Sustained inflammation can be seen as one possible early event in the sequence of cancer development and nanomaterials can be grouped on basis of their potential to generate inflammation. A preliminary LOEL (based on inflammatory parameters) of 0.1 mg/m3 (exposure 24 h/d, 7 d/wk) is proposed to distinguish the so called "inert" nanomaterials (e.g. Carbon Black) from nanomaterials with specific toxicity. Our data further support to have nanotubes in a separate group.

Kanzerogenitätsstudien mit verschiedenen alveolengängigen Partikeln und Fasern deuten auf ein kanzerogenes Potential bei inhalativer Exposition hin und es wird befürchtet, dass dieses Potential bei Nanomaterialen höher ist als beim entsprechenden Mikromaterial. In diesem Forschungsprojekt wurden Langzeitstudien mit Nanomaterialien analysiert, um relevante Indikatoren der Toxizität einschließlich möglicher Vorstufen der Kanzerogenität von Nanomaterialien zu identifizieren. Eine strukturiertere und systematische Analyse der heterogenen Materialeigenschaften und der unterschiedlichen Studientypen wurde mit Hilfe einer relationalen Datenbank durchgeführt. Mehr als 100 Inhalations- und Instillationsstudien mit Carbon Black, Siliziumdioxid, Metallen oder Metalloxiden an Nagern wurden analysiert. Häufig werden Effekte wie Neutrophilen-Anzahl, Gesamtprotein- und LDH-Gehalt in der bronchio-alveolären Lavageflüssigkeit (BALF) gemessen, sie sind sensitive Indikatoren für die Toxizität der untersuchten Partikel. Zudem werden oft Infiltration von Entzündungszellen in der Lunge und erhöhtes Lungengewicht beobachtet. Die LOELs der Nano-Objekte sind tendenziell niedriger als die LOELs der entsprechenden größeren Objekte und sie unterscheiden sich durch mehrere Größenordnungen: In unserer Auswahl an Nanomaterialien hatte Silber das höchste toxische Potential. Chronische Entzündung kann als möglicher früher Vorläufer der Krebsentstehung betrachtet werden, und Nanomaterialien können anhand ihres Potentials Entzündungen zu verursachen gruppiert werden. Ein vorläufiger LOEL (basierend auf Entzündungsparametern) von 0.1 mg/m3 (Exposition 24 h/d, 7 d/w) wird vorgeschlagen, um die sogenannten "inerten" Nanomaterialien (z.B. Carbon Black) von Nanomaterialien mit spezifischer Toxizität zu unterscheiden. Unsere Daten unterstreichen den Ansatz, dass Nanotubes in eine separate Gruppe gehören.