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Nanopartikel im Körper

Das Einatmen von Partikeln im Größenbereich zwischen etwa 10 und 1000 Nanometern ist für den menschlichen Organismus zunächst einmal nichts Ungewöhnliches. Tag für Tag ist unser Körper mit verschiedensten Nanopartikeln, darunter auch Viren (20 bis 300 Nanometer) und Bakterien (1 bis 10 Mikrometer) konfrontiert und verfügt entsprechend über Abwehr- und Reinigungsmechanismen, welche die Lunge schützen.

Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Munich, Institut für Lungenbiologie

Das Einatmen von Partikeln im Größenbereich zwischen etwa 10 und 1000 Nanometern ist für den menschlichen Organismus zunächst einmal nichts Ungewöhnliches. Tag für Tag ist unser Körper mit verschiedensten Nanopartikeln, darunter auch Viren (20 bis 300 Nanometer) und Bakterien (1 bis 10 Mikrometer) konfrontiert und verfügt entsprechend über Abwehr- und Reinigungsmechanismen, welche die Lunge schützen.

Wissenschaftliche Beratung:
Dr. Tobias Stöger, Helmholtz Munich, Institut für Lungenbiologie

Reinigungsmechanismen der Lunge

Größere Staubpartikel werden bereits in der Nase abgefangen und mit dem Nasensekret ausgeschieden. Für kleinere Teilchen, die in die Lunge eindringen und sich dort ablagern können, gibt es im Wesentlichen zwei Selbstreinigungsmechanismen:

  • die sogenannte mukoziliäre Clearance und
  • die phagozygotische Aufnahme durch Fresszellen (Makrophagen), die das Lungengewebe permanent reinigen.

Die Abwehrmechanismen der Lunge funktionieren gegen Partikel aller Art und Herkunft, insbesondere die mukoziliäre Clearance bietet einen sehr effektiven Schutz im Bereich der Bronchien. Lediglich in den tieferen Lungenregionen können sich Nanopartikel effektiv anreichern, da sie dort für den Abtransport schlecht zu erreichen sind. Zudem beeinträchtigt eine permanent hohe Belastung mit Partikeln – zum Beispiel bei Raucherinnen und Rauchern – die Selbstreinigungsmechanismen in der Lunge.

Mukoziliäre Clearance

Unter der sogenannte mukoziliäre Clearance (lat. mukus = Schleim, cilia = Flimmerhaar; engl. clearance: Beseitigung, Klärung) versteht man die Selbstreinigung der Bronchien mit Hilfe einer schützenden Schleimschicht.

Staubpartikel lagern sich auf dieser Schleimschicht zunächst im Bereich der Atemwege und Bronchien ab, werden aber von dort durch die konzertierte Bewegung der Flimmerhärchen (Zilien) laufend abtransportiert. Somit können sich auch Nanopartikel nicht in den Bronchien anreichern.

Der Schleim mit den Nanopartikeln wird aus den Atemwegen zum Rachen transportiert, hier wird er abgehustet oder verschluckt und durch den Verdauungstrakt ausgeschieden.

Phagozytose und Endozytose

In den tieferen respiratorischen Lungenbereichen (Bronchiolen, Alveolen) darf es keinen Mukus (Schleim) und auch keine Zilien (Flimmerhärchen) geben, denn dies würde den Gasaustausch zwischen der eingeatmeten Luft und dem den Lungenkreislauf durchströmenden Blut behindern. Insgesamt stellt dieser Bereich über 95 Prozent der Lungenoberfläche dar.

Da Schleim und Flimmerhärchen fehlen, zersetzen hier Fresszellen der Alveolen, die sogenannten Alveolarmakrophagen, eingedrungene Nanopartikel, indem sie sie mit ihrer Zellmembran umfließen und einschließen (Phagozytose). 

Enzyme, Säure und Sauerstoffradikale innerhalb der Alveolarmakrophagen zersetzen für gewöhnlich die Partikel chemisch und machen sie damit unschädlich. Wo eine solche Zersetzung nicht möglich ist, verbleiben die Partikel in den Makrophagen, wo sie isoliert und damit für den Organismus auch weitgehend unschädlich sind.

Alveolarmakrophagen haben allerdings eine sehr lange Halbwertszeit, das heißt sie verweilen sehr lange in den Lungenbläschen und werden daher mit ihrer Ladung eher sehr selten über die Mukoziliäre Clearance abtransportiert. Die Mukoziliäre Clearance der oberen Atemwege ist daher viel viel schneller und effizienter, als die Reinigung durch die Alveolarmakrophagen in den tiefen Lungenbereichen.

Ein weiterer Reinigungsmechanismus ist die sogenannte Endozytose. Diesen Mechanismus beherrschen fast alle Zellen unseres Körpers. Kleine Partikel- unter anderem auch Eiweiße (Proteine) oder Fette (Lipide) - werden in die Zelle aufgenommen, indem sich die Zellhülle (Zellmembran) mit den Partikeln nach innen stülpt und als sogenanntes „Endosom“ abtrennt. Innerhalb des Endosoms können die Partikel durch eine relativ saure Umgebung und hinzukommenden Enzymen abgebaut werden. 

Quellen

Letzte Aktualisierung: 25.11.2021