Gruppierungs-, Read-Across-, Charakterisierungs- und Klassifizierungs Framework, Strategien für Risikobewertung von Nanomaterialien und Safer design von Nano-Produkten (GRACIOUS)

Die Herstellung und Funktionalisierung von nanoskaligen Materialien führt zu einer großen Anzahl an Nanomaterialien (NMs) bzw. Nanoformen (NFs), die sich z.B. in Größe, Morphologie und Oberflächenbeschaffenheit unterscheiden. Die Risikobewertung benötigt ausreichende Informationen zu jeder NF, allerdings ist die experimentelle Untersuchung jeder einzelnen Materialvariante hinsichtlich sämtlicher potentieller adverser Effekte nahezu unmöglich. Effizientere Methoden zur Risikobewertung sind daher nötig, z.B. durch Anwendung von Gruppierung und Read-Across. Auf konzeptioneller Ebene existierten zu Projektbeginn bereits regulatorisch akzeptierte Ansätze zur Gruppierung und zum Read-Across für NM, aber deren tatsächliche Anwendung blieb aus verschiedenen Gründen schwierig. Daher bestand das übergeordnete Ziel von GRACIOUS in der Etablierung eines innovativen, wissenschaftlich-fundierten Ansatzes zur praktischen Anwendung von Gruppierung und Read-Across für NMs/NFs. Um dies zu erreichen, integrierte GRACIOUS die Bedürfnisse der relevanten Stakeholder mit dem aktuellen wissenschaftlichen Stand. GRACIOUS entwickelte dafür Gruppierungshypothesen, Kriterien, Leitprinzipien und verfeinerte/ integrierte Werkzeuge. Zudem wurde der GRACIOUS Gruppierungsansatz in einer Reihe von Fallstudien praktisch erprobt und überprüft.

GRACIOUS hat einen umfassenden, innovativen, wissenschaftsbasierten Ansatz zur praktischen Anwendung von Gruppierung und Read-Across für Nanomaterialen (NMs)/ Nanoformen (NFs) entwickelt. Dieser Ansatz wurde zunächst als Entwurf vorgestellt, mit Stakeholdern diskutiert und basierend auf deren Rückmeldungen überarbeitet sowie als verbesserte Version veröffentlicht (Stone et al.kurz füret alii (lat. "und andere") 2020). Zusätzlich wurden Gruppierungshypothesen erarbeitet und im Projektverlauf verfeinert. Jede dieser Gruppierungshypothesen wurde unterstützt durch einen integrierten Ansatz zur Testung und Bewertung (IATA - integrated approach to testing and assessment), der die Nutzer in der Zusammenstellung der relevanten Informationen in Form eines Entscheidungsbaums anleitet. Wo notwendig, wurden Unterhypothesen formuliert, um klare IATAs mit eindeutigen Entscheidungen zu ermöglichen. Insgesamt wurden ca. 19 (Unter-) Hypothesen fertiggestellt, die adverse Effekte auf die menschliche Gesundheit adressieren und ca. 22 (Unter-) Hypothesen betreffen Umwelteffekte. Bedeutsam ist, dass die GRACIOUS IATAs modular aufgebaut sind. Verschiedene generische Entscheidungspunkte wie Auflösung oder Reaktivität sind Bestandteile verschiedener IATAs und können auch genutzt werden, um weitere Nutzer-spezifische IATAs zu erarbeiten.BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung leitete die Überprüfung des GRACIOUS Gruppierungsansatzes in Fallstudien innerhalb von Task 1.6, was verschiedene projektinterne Fallstudien beinhaltete, die in enger Zusammenarbeit zwischen AP4 und AP5 durchgeführt wurden. Diese beinhalteten verschiedene Gruppierungszwecke (z.B. regulatorisch und Safe-by-Design), Expositionswege, Umweltkompartimente und Arten von NF. Die Fallstudien priorisierten NF für welche bereits viele Daten verfügbar waren, um die Notwendigkeit zur Generierung neuer Daten zu reduzieren. Vier Inhalationsfallstudien arbeiteten an der Gruppierung von MWCNT, Kohlenstoffschwarz (carbon black), SiO2 bzw. Pigmenten. Eine orale Fallstudie fokussierte sich auf verschiedene SiO2 NF. Umweltfallstudien untersuchten beschichtete NF und widmeten sich dem Abbau der Beschichtung in der Umwelt und untersuchten außerdem die Toxizität (in Beziehung zur Zusammensetzung und zur Größe) für Bodenbakterien und Phytotoxizität. Einige der Fallstudien betrachteten lediglich einzelne Entscheidungspunkte wie Auflösung oder Reaktivität. Basierend auf Rückmeldungen von Stakeholdern wurde zusätzlich noch eine Fallstudie durchgeführt, welche einen IATA für Genotoxizität von NF entwickelte. Externe Stakeholder beteiligten sich ebenfalls an der Überprüfung des Ansatzes in sechs weiteren Fallstudien.GRACIOUS veröffentlichte verschiedene Publikationen zu den IATAs und den Fallstudien. Das BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung war an einigen auf konzeptioneller Ebene beteiligt. Die experimentelle Arbeit am BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung fokussierte sich primär auf die Untersuchung von NF Reaktivität und oxidativen Stress in Zellen. Reaktivität und zellulärer oxidativer Stress wurden als wichtige Gruppierungskriterien identifiziert, da diese oft zur Toxizität von NF beitragen. Daher sind sie wichtiger Bestandteil verschiedener IATAs. Die Reaktivität von NF und oxidativer Stress lassen sich mittels verschiedener Assays untersuchen. Allerdings gab es vor GRACIOUS dazu wenig systematische Arbeit. GRACIOUS entwickelte eine gestufte Teststrategie, die die Untersuchung von NF Reaktivität in azellulären Assays (d.h. die ROS Generierung) in der ersten Stufe vorsieht und in der zweiten Stufe eine Kombination verschiedener zellbasierter Assays vorschlägt, um zu detektieren, inwieweit NF in verschiedenen Zellmodellen oxidativen Stress verursachen.GRACIOUS hat alle Projektziele erreicht und ein praktisch anwendbares Gruppierungskonzept für NM/NF entwickelt. Ausgewählte Publikationen mit BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung Beteiligung:1) Stone V., Gottardo S., Bleeker E.A.J., Braakhuis H., Dekkers S., Fernandes T., Haase A., Hunt N., Hristozov D., Jantunen Pkurz fürPhosphor., Jeliazkova N., Johnston H., Lamon L., Murphy F., Rasmussen K., Rauscher H., Jiménez A.S., Svendsen C., Spurgeon D., Vázquez-Campos S., Wohlleben W., and Oomen A.G. (2020): A framework for grouping and read-across of nanomaterials- supporting innovation and risk assessment. Nano Today 35, 100941. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.100941
2) Gimeno-Benito I., Giusti A., Dekkers S., Haase A., and Janer G. (2021): A review to support the derivation of a worst-case dermal penetration value for nanoparticles. Regulatory Toxicology and Pharmacology 119, 104836. DOI: https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2020.104836  3) Murphy F., Dekkers S., Braakhuis H., Ma-Hock L., Johnston H., Janer G., di Cristo L., Sabella S., Jacobsen N.R., Oomen A.G., Haase A., Fernandes T., and Stone V. (2021): An integrated approach to testing and assessment of high aspect ratio nanomaterials and its application for grouping based on a common mesothelioma hazard. NanoImpact 22, 100314. DOI: https://doi.org/10.1016/j.impact.2021.100314
4)  Di Cristo L., Oomen A.G., Dekkers S., Moore C., Rocchia W., Murphy F., Johnston H.J., Janer G., Haase A., Stone V., Sabella S. (2021): Grouping hypotheses and an Integrated Approach to Testing and Assessment of Nanomaterials Following Oral Ingestion. Nanomaterials 11 (10), 2623. DOI: https://doi.org/10.3390/nano11102623
5) Jeliazkova N., Bleeker E., Cross R., Haase A., Janer G., Peijnenburg W., Pink M., Rauscher H., Svendsen C., Tsiliki G., Zabeo A., Hristozov D., Stone V., and Wohlleben W. (2022): How can we justify grouping of nanoforms for hazard assessment? Concepts and tools to quantify similarity. NanoImpact 25, 100366. DOI: https://doi.org/10.1016/j.impact.2021.100366
6) Ag Seleci D., Tsiliki G., Werle K., Elam D.A., Okpowe Okurz fürSauerstoff., Seidel K., Bi X., Westerhoff Pkurz fürPhosphor., Innes E., Boyles M., Miller M., Giusti A., Murphy F., Haase A., Stone V., and Wohlleben W. (2022): Determining nanoform similarity via assessment of surface reactivity by abiotic and in vitro assays. NanoImpact 26, 100390. DOI: https://doi.org/10.1016/j.impact.2022.100390
7) Verdon R., Stone V., Murphy F., Christopher E., Johnston H. J., Doak S. H., Vogel U., Haase A.,  and Kermanizadeh A. (2022): The application of existing genotoxicity methodologies for grouping of nanomaterials: towards an integrated approach to testing and assessment. Particle and Fibre Toxicology 19 (1), 32. DOI: https://doi.org/10.1186/s12989-022-00476-9
8) Di Cristo L., Janer G., Dekkers S., Boyles M., Giusti A., Keller J.G., Wohlleben W., Braakhuis H., Ma-Hock L., Oomen A.G., Haase A., Stone V., Murphy F., Johnston H.J., and Sabella S. (2022): Integrated approaches to testing and assessment for grouping nanomaterials following dermal exposure. Nanotoxicology 16 (3), 310-332. DOI: https://doi.org/10.1080/17435390.2022.2085209) Boyles M., Murphy F., Mueller W., Wohlleben W., Jacobsen N.R., Braakhuis H., Giusti A., and Stone V. (2022): Development of a standard operating procedure for the DCFH2-DA acellular assessment of reactive oxygen species produced by nanomaterials. Toxicology Mechanisms and Methods 32 (6), 439-452. DOI: https://doi.org/10.1080/15376516.2022.2029656