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Aufdeckung des Risikopotenzials von Feinstäuben aus der Holzverbrennung

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) als Bestandteil von Feinstäuben in unserer Umwelt sind Thema eines Netzwerkes von Instituten und Forschungseinrichtungen nicht nur in Deutschland. Die Wirkungen der PAK und anderer toxischer Bestandteile von Stäuben auf die Gesundheit von Mensch und Tier ist noch nicht ausreichend bekannt. Relativ gut definiert ist aber ihr Beitrag bei der Entstehung von Lungenerkrankungen wie Asthma und anderen chronischen Atemwegserkrankungen sowie der Bildung von Krebs in den Atemwegen. Die AG Human- und Umwelttoxikologie der Universität Konstanz ist dabei, neue Methoden zur Bewertung der Wirkung von mit Umweltgiften belasteten Feinstäuben zu etablieren, um mögliche Folgen für Mensch und Tier zu untersuchen.

Arthrobacter ist ein Bodenbakterium, das zur Untersuchung der Auswirkung von toxischen Feinstäuben auf Bakterienkulturen eingesetzt wird © TUHH

Die Temperaturen der Holzfeuer spielen eine wichtige Rolle in ihrem Beitrag zum Ausmaß der Feinstaubbelastung – je heißer die Verbrennungstemperaturen sind, desto weniger toxische Bestandteile haben die entstehenden Feinstäube, die über die Kamine in die Umgebung entlassen werden. Schwarze Stäube auf den Filtern der Verbrennungsanlagen zeigen eine niedrigere Verbrennungstemperatur und damit schlechte Verbrennung mit hohem Rußanteil an, helle Stäube eine entsprechend gute Verbrennung bei hohen Temperaturen mit niedrigerem Rußanteil. Die physikochemische Zusammensetzung der Stäube wird in speziellen Laboren untersucht. Parallel dazu wird die Wirkung der Bestandteile der Feinstäube auf ihre toxikologischen Eigenschaften hin untersucht. Einen hohen Anteil an diesen toxikologisch aktiven Substanzen haben polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die in der Folge auch besonders intensiv beforscht werden.

Die AG Human- und Umwelttoxikologie der Universität Konstanz arbeitet unter der Leitung von Prof. Dr. Daniel Dietrich innerhalb eines Netzwerkes von Instituten in Deutschland an der Risikoabschätzung von Feinpartikeln aus der Holzverbrennung. So liefert das Deutsche Biomasse Forschungszentrum Leipzig die Feinstäube, die TU Hamburg-Harburg und die Uni Konstanz untersuchen in Biotests die toxikologische Wirkung dieser Feinstpartikel aus der Holzverbrennung.

Neue Forschungsansätze auf drei Ebenen

Seit zirka einem Jahr beschäftigen sich drei Doktorandinnen mit der Entwicklung von In-vitro-Bewertungsmethoden. Die Arbeiten und ihre Ziele definieren sich über drei verschiedene Modellansätze: Untersuchungen an Bakterien, Würmern und im Zellkulturmodell. Die drei Modelle sollen die Auswirkungen der toxischen Bestandteile in den Stäuben der Umgebungsluft auf die Bodenbewohner (Würmer und Bakterien) und auf den Menschen (Zellkulturen) nachvollziehen.

Zellkulturmodelle zur Abklärung von Reaktionen auf Umweltgifte

Susanne Gauggel untersucht die mögliche krebserregende Wirkung der Feinstäube © Universität Konstanz

Die Forscherin Susanne Gauggel an der Universität Konstanz etabliert Zellkulturmodelle mit A-549, einer humanen epithelialen Lungen-Zell-Linie, und THP-1, einer humanen Monozyten-Zell-Linie (weiße Blutzellen), sowie weiteren Zell-Linien. Das Modell könnte anhand dieser humanen Zell-Linien einen Zusammenhang zwischen Lungenerkrankungen und mit Umweltgiften belasteten Feinstäuben herstellen. „Die Reaktionen auf Ebene der Gen- und Proteinexpression auf in den Feinstäuben enthaltene Schadstoffe, z. B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, deuten auf eine mögliche krebserregende Wirkung der Feinstäube hin“, erklärt Susanne Gauggel. Auch eine Änderung im Expressionsmuster spezifischer Gene, die bei Atemwegserkrankungen ausgelenkt sind, könnten sich bei diesen Zellen unter dem Einfluss der belasteten Feinstäube nachweisen lassen.

Mikrobiologischer Ansatz

Iris Gutiérrez arbeitet zurzeit an einem Bakterienmodell mit dem Bodenbakterium Arthrobacter © TUHH

Iris Gutiérrez wiederum arbeitet in Hamburg-Harburg unter der wissenschaftlichen Leitung von PD Dr. Wolfgang Ahlf an einem Bakterienmodell mit dem Bodenbakterium Arthrobacter. „Der Bakterien-Kontakt-Test zeigt die Auswirkung von toxischen Feinstäuben auf Bakterienkulturen von Arthrobacter globiformis in deren exponentiellen Wachstumsphase – einer Phase, in der der Metabolismus der Bakterien in hohem Maße aktiv ist“, berichtet die Doktorandin. Mittels eines fluoreszierenden Farbstoffes kann die Hemmung eines Enzyms des Zellstoffwechsels nachgewiesen werden, einer Dehydrogenase. Ein spezieller Test zum Nachweis der Genotoxizität findet hier auch seine Anwendung. Iris Gutiérrez erklärt: „Der umu-Test ist ein Genotoxizitätstest mit dem Bakterium Salmonella typhimurium TA 1535/pSK1002. Die Bakterien werden mit verschiedenen Konzentrationen des Testgutes exponiert. Hierbei induzieren Genotoxine das sogenannte umuC-Gen, das zum SOS-Reparatursystem der Zelle gehört, welches einer Schädigung der bakteriellen Erbsubstanz entgegenwirkt.“ Durch die Kopplung des umuC-Gens mit dem lacZ-Gen für die ß-Galaktosidase kann indirekt die Aktivierung des umuC-Gens über eine Farbstoffbildung nachgewiesen werden.

Tumorbeschleunigende Östrogene im Visier

In Kürze plant Gutiérrez den Einsatz von Hefekulturen von Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe) zum Testen der Anteile von „östrogen- (hormonell) aktiven“ Substanzen der Feinstäube, das heißt Substanzen, welche mit dem Östrogenrezeptor interagieren können und dadurch eine hormonähnliche Reaktion hervorrufen können. Der Östrogenrezeptor reagiert nicht nur hochspezifisch mit Östradiol, sondern auch mit einer Vielzahl von Stoffen, wenn auch in stark vermindertem Maß. Beim „Yeast Estrogen Test“ werden genetisch veränderte Hefezellen benutzt, welche speziell für den Nachweis östrogenaktiver Substanzen hergestellt wurden. „Werden diese Hefezellen mit östrogenaktiven Substanzen belastet, wird ein Gen aktiviert, das für das Enzym ß-Galactosidase codiert“, bemerkt Iris Gutiérrez. Dieses Enzym wird von den Hefezellen nach außen in das Kulturmedium abgegeben. Seine Aktivität ist proportional zur Menge des gebildeten und nach außen abgegebenen Enzyms. Der Nachweis der Enzymaktivität erfolgt durch Zugabe von einem geeigneten Substrat, in diesem Fall CPRG (Chlorophenolrot-ß-galactopyranosid, gelb), welches von der ß-Galactosidase gespaltet wird, wodurch es zu einem Farbumschlag von gelb nach rot kommt. „Die Farbintensität lässt sich nun einfach mittels Photometer ermitteln. Auf diese Weise kann die Wirkung von hormonell aktiven Substanzen in den Feinstäuben sehr elegant gezeigt werden“, macht die Wissenschaftlerin deutlich.

Fadenwurm gibt Aufschluss

Dipl. Biol. Birte Hegemann erforscht die Reaktion des Fadenwurmes Caenorhabditis elegans auf die Feinstäube © TUHH

Ebenfalls in Hamburg-Harburg forscht Birte Hegemann, die sich mit den Reaktionen des Fadenwurmes Caenorhabditis elegans auf die Feinstäube beschäftigt. Diesen zirka einen Millimeter großen transparenten Wurm exponiert sie zu Untersuchungen seiner Reproduktion und seines Wachstums dem Einfluss der Feinstäube aus der Holzverbrennung. Sie hat dabei unter anderem die Expression von Genen im Visier, welche im Zusammenhang mit Lungenerkrankungen stehen. „Zum Beispiel werden diese Gene bei Asthma und frühen degenerativen Lungenerkrankungen im Lungengewebe der betroffenen Menschen signifikant anders exprimiert als bei Gesunden. Dies lässt sich besonders gut in dieser Tierart beobachten“, so Hegemann.

Zur Testung in den drei Modellen werden als Referenzpartikel feine Quarzsände (Siliziumdioxid) herangezogen, die frei von Schadstoffen sind, sodass eine rein mechanische Komponente, das heißt die Reizung und mechanische Verletzung der Gewebe - wie dies bei der typischen Quarzstaub vermittelten Silikose beim Menschen der Fall ist - in den Modellen ausgeschlossen werden kann.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Hormon ist eine biochemisch aktive Substanz, die als Botenstoff von ihrem Entstehungsort zu ihrem Zielort transportiert wird (häufig über das Blut) und dort eine Reaktion in der Zelle auslöst. Insulin wird z.B. in der Bauchspeicheldrüse produziert, gelangt über das Blut zum Muskel und sorgt dort für eine Senkung des Blutzuckerspiegels.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Caenorhabditis elegans ist ein Fadenwurm, einer der populärsten Modellorganismen der Entwicklungsbiologie Als erster vielzelliger Organismus wurde sein aus sechs Chromosomen bestehendes Genom bis 1998 vollständig sequenziert. C. elegans hat im ausgewachsenen Zustand immer genau 959 Zellen. Er besitzt eine kurze Generationszeit von drei Tagen und ist einfach in hoher Dichte zu halten.
  • Eine Zellkultur ist ein Pool von gleichartigen Zellen, die aus mehrzelligen Organismen isoliert wurden und in künstlichem Nährmedium für Forschungsexperimente im Labor (in vitro) gehalten werden.
  • Eine Dehydrogenase ist ein Enzym, das ein Molekül durch Abspaltung von Wasserstoffatomen oxidiert.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Unter Degeneration verstehet man in einem medizinisch-biologischen Sinn die Rückbildung und den Verfall von Zellen, Geweben oder Organen.
  • Der Metabolismus oder auch Stoffwechsel umfasst Aufnahme, Transport, biochemische Umwandlung und Ausscheidung von Stoffen in einem Organismus. Diese Vorgänge dienen sowohl dem Aufbau der Körpersubstanz als auch der Energiegewinnung. Die beiden gegensätzlichen Vorgänge des Metabolismus werden Anabolismus (aufbauende Vorgänge) und Katabolismus (abbauende Vorgänge) genannt. Viele Enzyme können sowohl katabol als auch anabol wirken, jedoch arbeiten solche Enzyme innerhalb eines biochemischen Weges in der Zelle (z.B. Glykolyse und Gluconeogenese) nicht in beiden Richtungen zugleich.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
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