Umwelt- und Nano-Toxikologie
Präklinische In-vitro-Modelle für Gefährdungsbeurteilung und Wirkstoffentwicklung
Unsere Arbeitsgruppe untersucht die Auswirkungen von Umweltbelastungen und luftgetragenen Schadstoffen – wie Feinstaub, flüchtige organische Verbindungen (VOCs), synthetische und natürliche Aerosole sowie raumklimatische Extrembedingungen wie ausgeprägte Trockenheit – auf respiratorische und atmosphärisch exponierte Epithelien. Diese Belastungen, insbesondere durch komplexe Schadstoffgemische, können sowohl akute als auch chronische Erkrankungen auslösen oder verstärken.
Ein weiterer zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung pharmazeutischer Wirkstoffe, pflanzlicher Extrakte und ätherischer Öle, die nach Aerosolisierung inhalativ lokal oder systemisch wirken. Diese innovativen experimentellen Ansätze leisten einen Beitrag zur Prävention, Diagnostik und Therapie von Atemwegserkrankungen und fördern die Identifizierung sowie Entwicklung zielgerichteter inhalativer Wirkstoffformulierungen.
Im Mittelpunkt unserer Forschung steht die detaillierte Analyse der Wechselwirkungen zwischen inhalierbaren Substanzen und dem respiratorischen System. Sowohl toxikologisch relevante Luftschadstoffe als auch therapeutisch vielversprechende, inhalativ applizierte Substanzen werden in vitro charakterisiert, mit besonderem Fokus auf ihre zellulären und molekularen Effekte.
Innovative Air-Liquid Interface-Expositionssysteme ermöglichen eine präzise und kontrollierte Exposition von Epithelzellmodellen gegenüber komplexen Aerosolen – wie beispielsweise Zigarettenrauch. Darüber hinaus können aerosolisierte Wirkstoffe hinsichtlich ihres präventiven oder therapeutischen Potenzials gezielt untersucht werden.
Innovative Expositionstechnologien und alternative Testverfahren
Moderne New Approach Methodologies (NAMs), die von unserer Arbeitsgruppe entwickelt und validiert werden, basieren auf Air-Liquid-Interface (ALI) Expositionssystemen. Durch den Einsatz organtypischer alveolärer, bronchialer und cornealer Zellmodelle ermöglichen diese eine präzise und kontrollierte Exposition gegenüber komplexen Schadstoffen wie Zigarettenrauch, Dämpfen, Aerosolen sowie inhalativ applizierbaren Arzneistoffen und bioaktiven Phytoextrakten. Auf diese Weise lassen sich realitätsnahe physiologische Bedingungen der Lunge und Schleimhäute im Labor nachbilden.
Die kontinuierliche Optimierung von In-vitro-Expositionssystemen sowie die Harmonisierung der Methodik sind zentrale Ziele unserer Forschung. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Biologie, Toxikologie und Verfahrenstechnik ist dabei essenziell, um die Aussagekraft und Relevanz unserer Modelle zu steigern. Auf diese Weise leisten wir einen aktiven Beitrag zur Reduktion und zum Ersatz von Tierversuchen im Sinne der 3R-Prinzipien (Replacement, Reduction, Refinement).
Endpunktanalysen zur Bewertung von Toxizität und Wirksamkeit
Mithilfe standardisierter Dosis-Wirkungs-Studien und abgestimmter Testbatterien erfassen wir zelluläre und molekulare Effekte inhalierbarer Substanzen.
Zu den wesentlichen Untersuchungsparametern zählen:
Die effektbasierten Analysen ermöglichen eine differenzierte Bewertung potenziell toxischer und therapeutischer Wirkungen und liefern wertvolle Erkenntnisse für die Translation aus der präklinischen Forschung und die Entwicklung neuer inhalativer Wirkstoffe.
Präklinische Untersuchung pflanzlicher Extrakte und Priorisierung pharmakologisch wirksamer Substanzen bei inhalativer Applikation durch den Einsatz neuartiger Hochdurchsatz-In-vitro-Expositionssysteme (in Zusammenarbeit mit der Universität Basel https://pharma.unibas.ch/de/research/).
TeToxBeScheit – Kombinierte technische und toxikologische Bewertung von Emissions-Minderungsmaßnahmen für Scheitholzfeuerungen (https://www.kiwuh.de/index.php?id=13475&fkz=22040018).
GesundHolz – Gesundheitliche Bewertung von Emissionen aus Holz und Holzprodukten in Innenräumen mittels experimenteller toxikologischer Untersuchungen und humanbasierter Beobachtungen (https://www.kiwuh.de/index.php?id=13475&fkz=22008714).
ProCycle – Analyse und toxikologische Bewertung von Stäuben aus Recycling- und Verwertungsprozessen von Nanokompositen und Strategien zur Gefährdungsminimierung (https://nanopartikel.info/forschung/projekte/procycle/).
ROCD – Reducing risks from Occupational exposure to Coal Dust (https://www.exeter.ac.uk/research/projects/csm/rocd/).
Gesundheitliche Aspekte der energetischen Biomassenutzung (https://biocombust.eu/)
Universität Basel
RWTH Aachen
Goethe-Universität Frankfurt
Klinik für Zahnerhaltung und Parodontologie, Universitätsklinikum Freiburg
Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie, Universitätsklinikum Ulm
Adolphe-Merkle-Institute, Fribourg
Universidad de la República (Udelar)
Vitrocell Systems GmbH
Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW)
Zimmermann-Klemd et al. (2025) Next-generation high-throughput in vitro exposure system for early hazard ranking and comparative assessment of cigarette smoke and heated tobacco aerosols. Environmental Sciences Europe.
Schneider et al. (2024) Pinewood VOC emissions protect from oxazolone-induced inflammation and dysbiosis in a mouse model of atopic dermatitis. Environ Int.
Ruth et al. (2023) Inhalation toxicity of thermal transformation products formed from e-cigarette vehicle liquid using an in vitro lung model exposed at the Air-Liquid Interface. Food Chem Toxicol.
Manuel Garcia-Käufer, Dr. rer. nat
AG Umwelt- und Inhalationstoxikologie
Institut für Bewegungs- und Arbeitsmedizin (IBAM)
UNIVERSITÄTSKLINIKUM FREIBURG
Hugstetterstrasse 55 · 79106 Freiburg
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