Mögliche Wirkungen von Nanopartikeln

Bindegewebszellen der Haut, die Nanopartikel (rot) aufgenommen haben
Hautbindegewebszellen, die Nanopartikel (rot) aufgenommen haben (Foto: S.Thalhammer)

Die Lungenoberfläche besteht zu 98 Prozent aus dünnem Alveolargewebe, das den effizienten Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut ermöglicht. Diese nur knapp 1 Mikrometer dünne Gewebeschranke lässt auch den Übertritt von Nanopartikeln ins Blut zu und von dort über den Blutkreislauf in andere Organe wie Leber, Niere, Herz oder Gehirn. Man geht davon aus, dass der auf dem Lungengewebe deponierte Nanostaub sowohl zu akuten Wirkungen wie Herzrhythmusstörungen als auch durch langjährige Akkumulation im Gewebe zu chronischen Wirkungen in der Lunge führen kann.

Mögliche Wirkungen von Nanopartikeln im Körper

Seit langem ist bekannt, dass die Inhalation von feinen und ultrafeinen Partikeln gesundheitliche Auswirkungen haben kann. Aus der Arbeitsmedizin weiß man, dass hohe Konzentrationen von Partikeln chronische Lungenerkrankungen zur Folge haben können. So führt beispielsweise die Inhalation einer genügend großen Dosis von Asbestfasern zur Asbestose, einer fibrotischen Veränderung des Lungengewebes.

Große Bevölkerungsstudien geben Hinweise darauf, dass sowohl die kurz- als auch die langfristige Exposition gegenüber feinen und ultrafeinen Partikeln aus der Umwelt Auswirkungen auf die Atemwege haben kann. Auch gibt es Hinweise in Studien, dass insbesondere bei Kindern in Zusammenhang mit der Exposition gegenüber feinen und ultrafeinen Partikeln in Verkehrsemissionen vermehrt Atemwegsinfektionen auftreten.

Die Partikel stehen zudem im Verdacht, auch Effekte außerhalb der Lunge hervorzurufen. So fanden zum Beispiel Wissenschaftler im Blut von Anwohnern verkehrsreicher Straßen eine Zunahme von Entzündungsmarkern sowie eine verstärkte Neigung zur Blutgerinnung. Beides kann das Risiko für Herzrhythmusstörungen und Herzinfarkt erhöhen.
Die Aussagekraft dieser Studien zu ultrafeinen und feinen Partikeln ist noch eingeschränkt, wenn auch das Potenzial für Gesundheitseffekte als groß angesehen wird.

Gesundheitsrelevante Eigenschaften

Folgende Eigenschaften von Nanopartikeln stehen im Verdacht, gesundheitliche Wirkungen hervorzurufen:

Biobeständigkeit und chemische Zusammensetzung
Bioabbaubare Materialien lösen sich mit der Zeit auf, treten durch die Vermischung mit Körperflüssigkeiten nur noch in sehr verdünnter Form auf und können sukzessive ausgeschieden werden. Biobeständige Materialien dagegen können sich in Geweben und Zellen anreichern. Falls solche biobeständigen Nanopartikel biologisch aktive Elemente enthalten, wie z.B. Übergangsmetalle und/oder deren Oxide (u.a. Zink, Cadmium, Kupfer, Silber), kann es zur Freisetzung der entsprechenden Metallionen und einer damit verbundenen toxischen Wirkung kommen. Darüber hinaus erhöht das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis von Nanopartikeln ihre Wirksamkeit.
 
In gelöster Form können Metallionen nicht unkontrolliert in die Zelle gelangen, da der Metallionenhaushalt durch die Zellmembran kontrolliert wird. Metallhaltige Nanopartikel dagegen können die Zellmembran relativ effizient durch einen zellulären Transportprozess, der Endozytose (gr. endo = hinein) genannt wird, überwinden. Im Unterschied zur Phagozytose, die nur von bestimmten Zelltypen wie z.B. Makrophagen durchgeführt werden kann, ermöglicht die Endozytose Nanopartikeln den Zugang zu jeder Körperzelle. Dort gelangen sie in das stark saure Milieu des Endosomvesikels der Zelle, in dem sogar schwerlösliche Metalloxide bei einem pH von 4 bis 5 gut löslich sind. So können in der Zelle Metallkonzentrationen entstehen, vor denen sich die Zelle nicht mehr schützen kann. Stress-, Entzündungsreaktionen und Zelltod sind die mögliche Folge.

Größe und biologische Wirkung
Größere Mikropartikel können nur von bestimmten Zelltypen aufgenommen werden, die Teil des körpereigenen Abwehrsystems sind, und durch diese unschädlich gemacht werden. Im Unterschied dazu können fast alle Zelltypen im Körper Nanopartikel mittels Endozytose aufnehmen. Vor allem bei toxischen Materialien ist dies zu berücksichtigen.

Nanopartikel verteilen sich zudem im Organismus effizienter als Mikropartikel. Über die Atmung gelangen sie nicht nur in Lungenzellen, sondern über das dünne Alveolargewebe auch in die Blutbahn und weiter in Lymphknoten, Milz, Herz, Leber, Nieren, Knochenmark, Plazenta oder Gehirn. Auch wenn der Transport kaum effizient ist, und in der Regel deutlich weniger als schätzungsweise ein Prozent der abgelagerten Partikel aus der Lunge ins Blut und in andere Organe transportiert werden, so ist doch eine Akkumulation von aufgenommenen Partikeln nicht auszuschließen.

GUT ZU WISSEN:

Kleinere Partikel treten mit höherer Wahrscheinlichkeit aus der Lunge in andere Organe über als größere.

Partikeloberfläche
Nur die Oberfläche von nichtlöslichen Partikeln tritt in direkten Kontakt mit dem biologischen Gewebe. Deswegen entscheidet ihre Beschaffenheit sehr stark über die biologische Wirkung der Nanopartikel.

Nanopartikel zeichnen sich durch ein hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis aus. Bei 1000 Nanometer großen Partikeln sind nur etwa 0,1 Prozent der Moleküle an der Oberfläche präsent, bei 5 Nanometer großen Partikeln sind es ungefähr 27 Prozent. Viele Studien haben gezeigt, dass die toxikologische Antwort von Lungenzellen und Tieren stark von der Oberflächendosis und weniger von der Anzahl- oder Massendosis der aufgenommenen Nanopartikel abhängt. Wegen des hohen Volumen-zu-Masse Verhältnisses sind Nanopartikel bei gleicher Massendosis in der Regel reaktiver und toxischer als größere Mikropartikel desselben Materials.

IN KÜRZE:

Je kleiner die Partikel sind, desto reaktionsfreudiger sind sie. Anzahl und Masse spielen dagegen eine geringere Rolle.

Faserhaltige Materialien
Auch die Form der Nanopartikel ist entscheidend für ihre mögliche Wirkung. Faserartige Partikel wie Mineralfasern (z.B. Asbest) oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben aerodynamische Eigenschaften, durch die sie tiefer in die Lunge eindringen und sich dort effektiver ablagern als kugelförmige Partikel mit derselben Masse.

Für viele Faserpartikel und neuartige Nanofasern haben Wissenschaftler im Tierversuch neben lokalen Entzündungsreaktionen fibrosierende (vernarbende) Veränderungen in der Lunge beobachtet. Des Weiteren besteht der Verdacht, dass Nanofasern, ähnlich wie Mineral- oder Asbestfasern, Lungentumore hervorrufen können. Dies sind Indizien für die notwendige besondere Vorsicht beim Umgang mit faserartigen Partikeln, vor allem wenn diese länger als ca. 10 Mikrometer sind. Es ist gegenwärtig jedoch noch unklar, inwieweit die Aneinanderlagerung und Agglomerationen mehrerer kurzer Nanofasern zu einer ähnlichen Toxikologie führen, wie sie für lange Fasern beschrieben wurde.

 

 

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Informationen zum Inhalt

Quellen:

Wissenschaftliche Beratung:

Prof. Dr. Annette Peters, Helmholtz Zentrum München, Institut für Epidemiologie II
Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Zentrum München, Institut für Lungenbiologie
Dr. Otmar Schmid, Helmholtz Zentrum München, Institut für Lungenbiologie

Quellen:

Letzte Aktualisierung:

16.02.2016

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