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Work Package 3 - AeroEXCA


In WP3 (AeroEXCA), geleitet vom HMGU, wird die Expertise des Konsortiums - die Aerosolexposition und Aerosolcharakterisierung - gebündelt. Es wird eine umfassende chemische und physikalische Charakterisierung frischer und gealterter Aerosole durchgeführt, um deren chemische Zusammensetzung und Änderung während des Alterns aufzuklären. Neben der Anwendung der chemisch-physikalischen High-End-Charakterisierung des Expositionsaerosols werden innovative neue massenspektrometrische Aerosolverfahren entwickelt und angewendet, die die innere und äußere Vermischung innerhalb von Partikelzusammensetzungen aufzeigen. HMGU, WIS und FZJ werden zu WP3 beitragen. Große Einrichtungen des Helmholtz International Laboratory in WP3 sind das Deep Organic Characterization Laboratory am HMGU, die Massenspektrometrie mit ultrahoher Massenauflösung  (FT-ICR) und spezielle PM-Analyse-adaptierte High-End-Chromatographie Massenspektrometer verwenden. Für gemeinsame Forschungsaktivitäten (HMGU und FZJ) stehen mobile Online-Gas- und Partikelphasen-Massenspektrometriesysteme zur Verfügung. Diese Instrumente entsprechen dem Stand der Technik hinsichtlich der Charakterisierung atmosphärischer Aerosol- und Gasphasenspezies. Das WIS verwendet Aerosol-Massenspektrometer und aerodynamischer Aerosolklassifizierer mit hoher Auflösung, um die Alterung, die chemische Zusammensetzung und die Dichte zu korrelieren. Innovative Air-Liquid-Interface-Aerosol-Expositionssysteme (2 verschiedene Arten und Ansätze) und Ansätze für humane und murine Lungenzellen, Co-Kulturen und Gewebemodelle werden angewendet und weiter optimiert. Dies umfasst die Anwendung von Online-Aerosolanreicherungs- und Dosisbestimmungsansätzen. Entscheidend ist die Verbesserung der praktischen Umsetzung von Langzeit- und Mehrfach-ALI-Zell-Expositionsszenarien, um die Detektionseffizienz von biologischen Effekten zu erhöhen, die erforderlich ist, um das verdünnte, gealterte Aerosol und die Umgebungsluft direkt anzusprechen. Große Einrichtungen des internationalen Labors: Das vom HMGU entwickelte mobile Exposure S2-Biosicherheitslabor HICE-MobiLab (HMGU) und 3 mobile automatisierte ALI-Zell-Expositionsstationen mit insgesamt 60 gleichzeitig exponierbaren Transwell-Positionen (HMGU) werden an das FZJ und WIS transferiert und in Kammer- und Strömungsreaktoralterungsexperimenten in den gemeinsamen Experimenten verwendet.

FORSCHUNGSANSÄTZE UND METHODEN IN AeroEXCA

Das Ziel von WP3 ist die Charakterisierung frischer und gealterter Aerosole sowie die Entwicklung und Anwendung innovativer und neuartiger Techniken in der Aerosolanreicherung, der Air-Liquid Interface (ALI) -Zell Exposition, sowie der ALI-Expositions-Dosis-Messung. WP3 wird modernste chemische Aerosolcharakterisierungstechniken für gesundheitsrelevante Aerosolparameter anwenden, verbessern und entwickeln. Insbesondere die Transformationsprozesse bei Alterung und atmosphärischer Transformation stehen im Mittelpunkt des Interesses. Quellenzuteilungsansätze unter Verwendung der chemischen Signaturen, die sich speziell auf künstlich gealterte Kammeraerosole sowie auf Umgebungsaerosole beziehen, werden verfeinert und auch in WP3 angewendet. Die folgenden instrumentellen Analysemethoden stehen unter anderem im Konsortium zur Verfügung und werden zur Aerosolcharakterisierung eingesetzt: in situ-Derivatisierungs-Thermodesorptions-Multidimensionale-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (DTD-GC-TOFMS) [1], ultrahochauflösende Massenspektrometrie (FT-ICRMS / Orbitrap-MS) [2] und Aerosol-Einzelteilchen-TOF-Massenspektrometrie (ATOF) [3]. Die molekulare organische chemische Zusammensetzung und Parameter wie thermooptische Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen PM-Fraktionen und Ruß werden ebenfalls berücksichtigt. Darüber hinaus werden Indikatorparameter für die identifizierten, gesundheitsrelevanten Aerosolfraktionen durch umfassende statistische Ansätze in Zusammenarbeit mit WP5 bestimmt. Die Charakterisierung der gealterten Aerosole ist direkt mit WP2 verbunden.

Eine weitere Herausforderung von WP3 ist die Optimierung der ALI-Technologie, um Langzeit-Expositionen mit Expositionszeiten von > 24 Stunden zu ermöglichen. Dies wird durch Zirkulation des Mediums, Aerosolanreicherungsansätzen und Methoden zur Verbesserung der PM-Abscheidung auf der Grundlage thermophoretischer und elektrostatischer Kräfte in Verbindung mit den Vitrocell-Exposure-Ansätzen erfolgen. Durch die Weiterentwicklung der ALI-Technik für längere Expositionszeiten wird der Ansatz in der Lage sein, die niedrigen PM-Konzentrationen (~ 10-150 µg/m3) von Umgebungsaerosolen oder realistisch gealterten Kammeraerosolen (WP2) zu bewältigen. Neben den genannten Maßnahmen werden robustere Zellkulturen und Testansätze (einschließlich Krankheitsmodelle und akute sowie subakute Endpunkte) zusammen mit WP4 verwendet. Das WP3 ist von Beginn des AeroHEALTH-Projekts an betriebsbereit.

Dieser Ansatz wird bekräftigt durch Untersuchungen zur Messung der Depositionsdosis und durch analytische Methoden direkt im ALI-System (WP3), um Online-Informationen über den Lungenzellstatus und das exponierte Aerosol zu erhalten. Studien zu einem fluoreszenzbasierten Reporter-Assay zur Ermittlung des Lungenzellenzustands sollen in-situ-Informationen zu den induzierten biologischen Effekten liefern. Europas erstes mobiles, im Feld einsetzbares S2-Biosafety-Labor (HICE-Mobilab), ausgestattet mit der neuesten Generation mobiler automatisierter ALI-Expositionsstationen mit optimierten Expositionszellen, wird während der gesamten Konsortium-weiten Messkampagne sowie für Studien mit neuartigen Zellstatusüberwachungsgeräten für on-site Lungenzell-ALI-Expositionsstudien verwendet.

[1] Orasche, J., et al. Atm. Chem. Phys. 11 (17): 8977-8993 (2011)
[2] Kourtchev, I., et al. Atm. Chem. Phys. 15(10): 5683-5695 (2015)
[3] Passig, J. et al., Anal. Chem. 89, 6341-6345 (2017)
 

Aerosolcharakterisierung und Exposition

 

Mit folgendem Setup erhalten wir eine genaue Sicht auf das dynamische Aerosol und können mit biologischen Systemen realistisch interagieren:

 

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