Mögliche Wirkungen von Nanopartikeln

Die Lungenoberfläche besteht zu über 95 Prozent aus dünnem Alveolargewebe (Gewebe der Lungenbläschen), das den effizienten Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut ermöglicht. Durch diese nur knapp 1 Mikrometer dünne Gewebeschranke können jedoch auch kleine Nanopartikel (kleiner als 20 Nanometer) ins Blut gelangen 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 Ansammlung im Gewebe zu chronischen Wirkungen in der Lunge führen kann.

Mögliche Wirkungen von Nanopartikeln im Körper

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

Seit langem ist bekannt, dass das Einatmen 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. Und auch Schweißrauch, also Rauch, der beim Schweißen entsteht, kann kleinste Partikel enthalten, die die Lunge schädigen können, wenn man ihnen über längere Zeit in hohen Konzentrationen ausgesetzt ist. Hierzu gehören beispielsweise Eisenoxide oder Aluminium- und Magnesiumoxid.

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 vermehrt Atemwegsinfektionen auftreten, wenn sie hohen Konzentrationen von feinen und ultrafeinen Partikeln aus Verkehrsabgasen ausgesetzt sind.

Nanopartikel stehen zudem im Verdacht, auch Effekte außerhalb der Lunge hervorzurufen. So fanden Forschende zum Beispiel im Blut von Anwohnerinnen und Anwohnern verkehrsreicher Straßen eine Zunahme von Entzündungsmarkern sowie eine verstärkte Neigung zur Blutgerinnung. Beides kann das Risiko für Herzrhythmusstörungen und Herzinfarkt erhöhen.

Nanopartikel und Allergien

Studien ergaben auch einen Zusammenhang zwischen Nanopartikeln und allergischen Reaktionen. So konnten Forschende beispielsweise zeigen, dass ultrafeine Teilchen die überschießende Aktivität des Immunsystems verstärken können.

Kinder, die in belasteten ehemaligen Industriegebieten Ostdeutschlands aufwuchsen, entwickelten beispielsweise häufiger Heuschnupfen sowie allergische Symptome und wiesen mehr spezifische IgE-Antikörper gegen verbreitete Allergene auf. Andere Studien deuten darauf hin, dass allergische Erkrankungen, wie Heuschnupfen, Ekzeme oder allergische Sensibilisierungen auch häufiger bei Kindern auftreten, die in der Nähe stark befahrener Straßen aufwachsen.

Die Aussagekraft der Studien zu ultrafeinen und feinen Partikeln ist allerdings noch immer eingeschränkt, wenn auch das Potenzial für Gesundheitseffekte als groß angesehen wird.

Gesundheitsrelevante Eigenschaften

Folgende Eigenschaften von Nanopartikeln stehen im Verdacht, Auswirkungen auf die Gesundheit zu haben:

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 beispielsweise Übergangsmetalle und/oder deren Oxide (unter anderem Zink, Cadmium, Kupfer, Silber), können die entsprechenden Metallionen freigesetzt werden, wodurch es zu einer toxischen (giftigen) Wirkung kommen kann. 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 des Körpers durch die Zellmembran kontrolliert wird. Metallhaltige Nanopartikel dagegen können die Zellmembran relativ effizient durch einen zellulären Transportprozess, der sogenannten Endozytose (gr. endo = hinein), überwinden.

Im Unterschied zur Phagozytose, die nur von bestimmten Zelltypen wie beispielsweise Makrophagen durchgeführt werden kann, ermöglicht die Endozytose Nanopartikeln den Zugang zu jeder Körperzelle.

Bei der Endozytose, werden Partikel durch die Zellmembran als sogenanntes „Endosomvesikel“ ins Innere der Zelle abgeschnürt. Innerhalb des Endosoms herrscht ein stark saures Milieu, durch das Partikel normalerweise abgebaut werden. Schwerlösliche Metalloxide sind bei diesem pH-Wert von 4 bis 5 allerdings gut löslich. 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. Nanopartikel können dagegen von fast alle Zelltypen im Körper mittels Endozytose aufgenommen werden. Vor allem bei toxischen (giftigen) Materialien muss dies berücksichtigt werden.

GUT ZU WISSEN:

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

Nanopartikel verteilen sich zudem im Organismus effizienter als die größeren Mikropartikel. Über die Atmung gelangen sie nicht nur in Lungenzellen, sondern über das dünne Gewebe der Lungenbläschen 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 Ansammlung (Akkumulation) von aufgenommenen Partikeln nicht auszuschließen.

Partikeloberfläche

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

Kurz erklärt:

Je kleiner die Partikel sind – also je größer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist - desto reaktionsfreudiger sind sie. Anzahl und Masse der Partikel spielen dagegen eine geringere Rolle.

Nanopartikel zeichnen sich durch ein hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis aus. Bei 1000 Nanometer großen Partikeln sind nur etwa 0,1 Prozent aller Moleküle des Partikels an der Oberfläche präsent. Bei 5 Nanometer großen Partikeln sind es ungefähr 27 Prozent aller Moleküle.

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 (giftiger) als größere Mikropartikel desselben Materials.

Faserhaltige Materialien

Auch die Form der Nanopartikel ist entscheidend für ihre mögliche Wirkung. Faserartige Partikel wie Mineralfasern (zum Beispiel 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 Forschende im Tierversuch neben lokalen Entzündungsreaktionen auch fibrosierende (vernarbende) Veränderungen in der Lunge beobachtet. Des Weiteren besteht der Verdacht, dass Nanofasern, ähnlich wie Mineral- oder Asbestfasern, Lungentumore hervorrufen können.

Dies zeigt, dass besondere Vorsicht beim Umgang mit faserartigen Partikeln nötig ist, vor allem wenn diese länger als etwa 10 Mikrometer sind.

Ob kurze Nanofasern, die sich aneinanderlagern und ansammeln ähnlich toxisch für den Körper sind, wie lange Fasern ist gegenwärtig jedoch noch unklar.

Wissenschaftliche Beratung:

Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Munich, Institut für Lungenbiologie

Quellen

Letzte Aktualisierung: 25.11.2021

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