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Feinstaub katalysiert oxidativen Stress in der Lunge
Laut einer neuen Studie des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) sind die gesundheitsschädlichen Auswirkungen von Feinstaub eher auf die Umwandlung von Peroxiden in reaktivere Spezies wie Hydroxyl-Radikale (OH) zurückzuführen als auf direkte chemische Bildung von Wasserstoffperoxid (H2O2) wie bisher angenommen.
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In der wissenschaftlichen Literatur wird die Gesamtproduktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) wie etwa Wasserstoffperoxid (H2O2) häufig als Mass zur Abschätzung der Toxizität von Luftschadstoffen herangezogen. Ein Team von Forschern unter Führung von Dr. Thomas Berkemeier am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz fand nun heraus, dass die Konzentrationen von ROS im Flüssigkeitsfilm des Lungenepithels (epithelial lining fluid, ELF) der menschlichen Atemwege hauptsächlich von der Freisetzung von endogenem H2O2 und der Einatmung von H2O2aus der umgebenden Gasphase abhängig sind, während die chemische Produktion von H2O2 durch eingeatmeten Feinstaub eine geringere Bedeutung hat.
«Aufgrund unserer Modellrechnungen gehen wir davon aus, dass die Gesamtkonzentration dieser reaktiven Spezies in der Lunge ohnehin hoch ist, und nicht unmittelbar mit der Feinstaubbelastung zusammenhängt», so Thomas Berkemeier, Leiter der Gruppe Chemische Kinetik und Reaktionsmechanismen am MPIC.
«Unser neues Modell simuliert die chemischen Reaktionen, die sich in den Atemwegen abspielen. Wir haben in unserem Computermodell erstmals die Produktion, Diffusion und den Verbrauch von Wasserstoffperoxid in den Zellen und der Blutbahn betrachtet. Es war eine ziemliche Herausforderung diese in biologischen Geweben ablaufenden Prozesse in präzise mathematische Gleichungen zu fassen», erläutert Thomas Berkemeier.
Abbildung: Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC)
Die Abbildung zeigt die gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung. Die Modellsimulationen von Thomas Berkemeier und seinem Team deuten darauf hin, dass Feinstaub überwiegend durch die Umwandlung von Peroxiden in hoch reaktive Hydroxyl-Radikale (OH) wirkt. (Bei dem Flüssigkeitsfilm des Lungenepithels (epithelial lining fluid, ELF) handelt es sich um einen dünnen wässrigen Film an der Luft-Körper-Grenzfläche, in dem sich eingeatmete Luftschadstoffe auflösen und ablagern.)
Neue Forschungsansätze
«Die Erkenntnisse aus dieser Studie deuten darauf hin, dass die derzeitigen Ansätze zur Bewertung der unterschiedlichen Toxizität einzelner Feinstaub-Bestandteile einer kritischen Neubewertung unterzogen werden müssen», so der Leiter der Abteilung Multiphasenchemie am MPIC, Prof. Dr. Ulrich Pöschl. Zu überdenken sei, ob die chemische Produktion von Superoxid und H2O2 in zellfreien Untersuchungsverfahren weiterhin eine gute Vergleichsgrösse für die Bewertung gesundheitsschädlicher Bestandteile des Feinstaubs bleiben sollte. Wie die Studie zeigt, könnten manche Methoden zur Bestimmung des Oxidationspotenzials von Feinstaub deren Schadwirkung möglicherweise nicht korrekt erfassen.
Feinstaub aktiviert gesundheitsschädliche Prozesse in der Lunge
Die Produktion von Hydroxyl-Radikalen (OH) hingegen war in den Modellrechnungen stark mit der Fenton-Chemie von Feinstaub korreliert. «Die Modellsimulationen deuten darauf hin, dass Feinstaub überwiegend durch Umwandlung von Peroxiden in hoch reaktive OH-Radikale wirkt. Das heisst, Feinstaub ist weniger der Treibstoff, sondern vielmehr der Katalysator der chemischen Reaktionen, die Zellen und Gewebe schädigen», beschreibt Thomas Berkemeier die Rolle der eingeatmeten Partikel im Modell. Ausserdem könne Feinstaub die Produktion von Superoxid aus endogenen Quellen stimulieren, was zusätzlich zur gesundheitsschädlichen Wirkung von Luftverschmutzung beiträgt.
Die Studie unterstreiche die Wichtigkeit weiterer Forschung, um die chemischen Mechanismen besser zu verstehen, die den gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Luftverschmutzung zugrunde liegen, so die Autoren der Studie.PS
Hintergrundinformationen
Luftverschmutzung führt zu hohen Gesundheitsrisiken, von denen weltweit Millionen von Menschen betroffen sind. Allerdings sind die zugrunde liegenden chemischen Mechanismen noch nicht vollständig verstanden.
Feinstaub (PM2.5) enthält chemische Bestandteile, die Oxidationsreaktionen auslösen können. Werden diese Bestandteile eingeatmet und lagern sie sich in den menschlichen Atemwegen ab, können sie Kreisprozesse von Radikalreaktionen auslösen und am Laufen halten. Diese führen zur Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im Flüssigkeitsfilm des Lungenepithels (ELF), die die Atemwege und Alveolen der menschlichen Lunge bedecken.
Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass sehr hohe Konzentrationen von ROS wie bspw. Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hydroxyl-Radikalen (OH) zu oxidativem Stress führen und damit Zellen und Gewebe der Atemwege schädigen können.