Wie kommen Nanopartikel in den menschlichen Körper und was verursachen sie dort? © Streicher

Einleitung „Alltägliche“ Verwendung Eintrittsmöglichkeiten Haut, Lunge, Verdauungstrakt Vorraussetzung Verwendung: Kühlschränke, Waschmaschinen und Computermäuse mit antibakteriellem Nanosilber, Computerchips mit Nanostrukturen, Sonnenschutz, Autowachs, Badehosen, Schwangerschaftstests, Batterien, OLEDs oder Vitaminsprays Vorraussetzung: Die unterschiedlichen Vorraussetzungen führen zu unterschiedlichen Eindringmöglichkeiten in den menschlichen Körper Chemische Zusammensetzung, Größe, Form, Oberflächenbeschaffenheit, Oberflächenladung, Aggregatszustand © Streicher

Die Haut Barrierefunktion Überwindungsmöglichkeiten verletzte oder erkrankte Haut Haarfollikeln Barrierefunktion: Die Haut bildet eine natürliche Barriere gegenüber der Umwelt. Mit Ausnahme der Sonnenstrahlung, welche für die Vitamin D Herstellung wichtig ist, werden über sie keine essentiellen Elemente – in welcher Form auch immer – aufgenommen. Wesentlich hierfür ist auch, dass die Haut mit bis zu 12 Schichten toter Hornzellen bedeckt ist. Überwindungsmöglichkeiten: So bald die Barrierefunktion der Haut außer Kraft oder stark vermindert ist, was bei verletzter – im besonderem bei blutenden Verletzungen - oder erkrankter Haut – wie beispielsweise der Schuppenflechte der Fall ist, können allerlei Partikel in den Körper eindringen. Dabei kann es sich auch um Nanopartikel handeln. Jedoch auch wenn die Haut unverletzt ist, so können Nanopartikel über die Haut in den Körper eindringen. Beispiele dafür sind die Eintrittspforte Haarfollikel oder aber auch Quantum Dots. Letztere werden aus Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium, hergestellt und weisen die Eigenschaft Licht in bestimmter Wellenlänge zu absorbieren auf. Damit kann man sie in der Biowissenschaft als Biomarker oder in Displays verwenden. gesunde Haut (Quantum Dots) © Streicher

Die Haut Haarfollikel Haar Haut Haarwurzel Blutgefäße Haarfollikel: ist eine längliche Einstülpung der Oberhaut, in welcher der Haarschaft liegt. In den Follikel mündet eine Talgdrüse, manchmal auch eine Duftdrüse. Nanopartikel, die aus Titan- oder Zinkoxiden bestehen, werden in kosmetischen Pflegeprodukten, beispielsweise Sonnencremes als UV-Absorber verwendet. Die Nanopartikel können sich nun in den Haarfollikeln ansammeln, da diese während des Haarwachstums geöffnet sind. In Untersuchungen wurde gezeigt, dass sich die Bestandteile einer partikelfreien Lotion nach ca. einer Woche nicht mehr nachweisen lassen. In der gleichen Zeit jedoch halbierte sich nur die Anzahl der Teilchen der mit Nanopartikel angereicherten Lotion. Nanopartikel können also in tiefere Hautschichten vordringen, ob sie jedoch auch bei einer gesunden Haut in die Blutbahn und damit in den gesamten Körper eindringen können, konnte noch nicht nachgewiesen werden und ist daher sehr umstritten. Haarwurzel Blutgefäße © Streicher

Die Atemwege Aufbau der Lunge Über die Luftröhre und die Bronchien - welche zur Entfernung verschiedener Partikel Verwendung finden - gelangt die Luft zu den Alveolen/Luftbläschen. Dort findet über die Blut-Luft-Schranke, welche nur zwischen 0,1 und 1,5 μm dick ist, der Gasaustausch statt. Der Atemweg bis zu den Alveolen/Lungenbläschen, im wesentlichen also die Bronchien, ist mit einer Flimmerzellschicht bedeckt. Diese sorgt dafür, dass abgelagerte Partikel wieder aus der Lunge befördert werden. Je kleiner (unter 3 Mikrometer) die Partikel dabei sind, desto leichter können sie tief in die Atemwege gelangen, wodurch es für den Körper schwieriger wird, diese wieder los zu werden. In den Alveolen/Lungenbläschen übernehmen die so genannten Fressenzellen – Makrophagen – die Fremdkörperentfernung. http://de.wikipedia.org/wiki/Lunge © Streicher

Die Atemwege Gefahr Überwindung der Blut-Luft-Schranke Übertragung in andere Organe Ablagerung in der Lunge Anreicherung im Gehirn Blut-Luft-Schranke: Die Barriere ist im Gasaustauschbereich sehr dünn, wodurch die Luft nur wenige Nanometer vom fließenden Blut entfernt ist. Zumindest in Tierversuchen konnte festgestellt werden, dass Nanopartikel diese Gewebeschranke überwinden und so in den Blutkreislauf gelangen können. Übertragung in andere Organe: Die so eingeatmeten Nanopartikel konnten bei einigen Untersuchungen 7 Tage später in der Leber, Milz, Gehirn, Nieren, Herz und Knochenmark nachgewiesen werden. Wie lange sie jedoch im Körper bleiben ist ebenso noch unklar, ob und wie sie das Herz-Kreislauf-System beeinflussen. Dabei spielt auch eine Rolle, ob es sich um organische oder anorganische Nanopartikel handelt. Für die Ablagerung in der Lunge: spielt die geringe Größe der Nanopartikel eine wesentliche Rolle. Wiederum konnte in Tierversuchen gezeigt werden, dass sich unlösliche Nanopartikel nicht durch die üblichen Reinigungsmechanismen entfernen lassen und dadurch über Monate bis Jahre hinweg in der Lunge angereichert werden. Bei Patienten mit chronischer Bronchitis und Asthma bronchiale wurde eine höhere Ablagerungsrate gefunden. Anreicherung im Gehirn: Weiters wurde erforscht ob sich Partikel, die über den Riechnerv aufgenommen werden, ins Gehirn gelangen und sich dort anreichern können. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Partikel bis zu den höheren Gehirnzentren – Kortex, Thalamus, Kleinhirn – vordringen können. Das Elektroenzephalogramm - EEG zeigte dadurch ein verändertes Muster. © Streicher

Der Verdauungstrakt Aufbau des Verdauungstraktes Für den gesamten Magen-Darm-Verdauungstrakt kann gesagt werden, dass er im engen Kontakt mit den über den Mund aufgenommenen Materialien steht. Im Magen können dabei nur kleine Moleküle durch das Epithel diffundieren. Im Gegensatz dazu ist im Dünndarm die Nahrung schon derart in Moleküle zerlegt, dass die Nährstoffe direkt aufgenommen werden können. Zu nächsten werden sie in den Darmzotten umgewandelt und danach resorbiert. Die Darmzotten sind selbst mit kleineren Zotten, den Mikrovilli bedeckt. http://www.medizinfo.de/gastro/images/darmschleimhaut.jpg © Streicher

Der Verdauungstrakt Gefahr Widersprüche Polystyrolpartikel / Fullerene radioaktiv markierte Fullerene Gefahr: Über die Nahrungsmittel bzw. generell über die Speiseröhre können pro Tag schätzungsweise 10^12-10^14, also 1-100 Billionen Nano- und Mikropartikel in den Verdauungstrakt gelangen. Den überwiegenden Teil stellen dabei Silikate und Titandioxide dar. Diese Nano- und Mikropartikel könnten durch die Epithel im Magen diffundieren oder über die Darmzotten aufgenommen werden und so in den Körper gelangen. Widersprüche: Verschiedne Untersuchungen zeigen mitunter widersprüchliche Ergebnisse. So wurden etwa in Tierversuchen festgestellt, dass Polystyrolpartikel in der Größe von 50-100 nm sehr wohl durch die Darmwand und ins Lymphsystem gelangen können. Bei Fullerenen wurde derartiges so gut wie nicht beobachtet. Ein Vergleich aus den Ergebnissen der intravenös verabreichten Fullerenen, mit jenen die über den Magen-Darm-Trakt verabreicht wurden, zeigte, dass die oral aufgenommen Fullerene zu 98 % wieder ausgeschieden wurden, währen die intravenös verabreichten sich zu 80% in der Leber sammelten. Die wenigen Studien führen damit zu keinen eindeutigen Ergebnissen, allerdings geben sie einige Hinweise darauf, dass die Aufnahme von Nanopartikeln über den Verdauungstrakt eher eine geringe Rolle spielt. © Streicher

Auswirkungen im Menschen Eigenschaften & Wirkung Entzündungsreaktionen Krebserzeugende Wirkung Oxidativer Streß Eigenschaften & Wirkung: Verschiedene Daten und Ergebnisse von Untersuchungen über die Wirkung von Nanopartikeln zeigen, dass ein enger Zusammenhang zwischen Oberflächeneigenschaften und biologischer Wirkung besteht. Beispielsweise führte direkt in die Lunge von Ratten und Mäuse verabreichtes Titandioxid, welches eine Größe von ca. 20 nm besaß, zu erheblich mehr Entzündungsreaktionen also Titandioxid in der Größe von ca. 250 nm. In einer anderen Untersuchung zeigten sich bei der Verabreichung von langen, nadelförmigen Nanoröhrchen (20 Mikrometer lang) in den Bauchraum von Mäusen chronische Entzündungen, während sich bei kurzen und/ oder gekrümmten Nanoröhrchen keine derartigen Auswirkungen zeigten. Wegen der Form, Länge und Unlöslichkeit der nadelförmigen Nanoröhren, welche damit eine Ähnlichkeit mit Asbest aufweisen, geht man von einem ähnlichen Wirkungsmechanismus aus. Des Weiteren spielen auch Ladungsverhalten und Beschichtung der Partikel eine Rolle für die biologischen Auswirkungen. Entzündungsreaktionen: In einigen Fällen zeigen sich auch Entzündungsreaktionen bei Menschen, welche über Jahre mit nanoskalierten Indium-Zink-Oxiden und Zirkonium Partikeln im Schweißrauch zu tun hatten. Krebserzeugende Wirkung: Durch die Verabreichung von hohen Dosen an granulärer und biobeständiger Nanostäube an Ratten wurde eine erhöhte Tumorhäufigkeit festgestellt. Ob dies indirekt über die Entzündung und damit den oxidativen Streß (Nanopartikel führen zur Bildung von freien Radikalen, welchen den so genannten Oxidativen Streß auslösen und die Zelle irreparabel schädigen) geschieht oder aber über den direkten Weg des gentoxischen Effekts (Nanopartikel lagern sich direkt an der DNA an was die gentoxische Wirkung auslöst) ist noch nicht geklärt. Ebenso unsicher kann etwas über geringe Menge von Nanopartikeln beim Menschen und über die genau Wirkungsweise gesagt werden. Gentoxischer Effekt © Streicher

Auswirkungen im Menschen Kosmetika Silber und Nanosilber Nanotechnologie und Krebs Kosmetika: Für die Risikoabschätzung wird in lösliche/abbaubare und unlösliche/nicht abbaubare Nanopartikel unterteilt. Die löslichen zerfallen bei der Freigabe der Wirksubstanz in ihre Einzelkomponenten. Aus diesem Grund werden keine Effekte erwartet, die sich von größeren Partikeln der jeweiligen Substanz unterscheiden würden. Jedoch ist nicht auszuschließen, dass die Trägersysteme das toxikologische Verhalten und die Bioverfügbarkeit der transportierten Wirkstoffe verändern. Für unlösliche/ nicht abbaubare Nanopartikel stehen noch zu wenige Ergebnisse von Untersuchungen zur Verfügung als dass etwas über ihre Wirkung ausgesagt werden könnte. Für einzelne Nanopartikel, wie z.B. Titandioxid als UV-Filter gibt es Untersuchungen, die bei einer gesunden Haut keine Auswirkungen zeigen. Allerdings kann nichts darüber ausgesagt werden, wie sich das Titandioxid verhält, wenn der Barriereschutz der Haut nicht mehr (vollständig) gegeben ist bzw. wenn Massage das Eindringen in tiefere Hautschichten fördert. Jedoch lässt sich seine Wirkung verringern bzw. verhindern, wenn bestimmte Formen bzw. eine Beschichtung des Titandioxids verwendet wird. Fest steht, dass Titandioxid bei vorliegen von UV-Strahlung und Wasser Sauerstoffradikale bildet und damit Zellschädigung verursacht. Fullerene wiederum können Aufgrund ihrer geringen Größere sehr wohl in die Haut eindringen und dort oxidativen Streß bzw. genotoxische Effekte hervorrufen. Silber und Nanosilber: Wegen der Anwendung Aufgrund der bioziden Wirkung, in der Medizin, Nahrungsergänzungsmitteln, in Kosmetika und Körperpflegeprodukten, in der Wasseraufbereitung, in Textilien, Haushaltsgeräten und Küchenartikeln, in Beschichtungen, Farben und Lacken und einer Vielzahl anderer Produkte und der Einstufung des Silbers als toxische Substanz legt die Untersuchung für Nanosilber nahe. In Untersuchungen mit Rattenleberzellen konnte die Verursachung von oxidativen Streß nachgewiesen werden. Auch konnte bei einer in vitro Studio mit menschlicher Haut gezeigt werden, dass Nanosilber diese durchdringen konnte. Darüber hinaus ist eine Auswirkung auf nützliche und schützende Bakterien auf der Haut unter Dauerbelastung, wie sie bei tragen von Textilien besteht, nicht untersucht. Nanotechnologie und Krebs: Neben den negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper gibt es auch förderliche. Dazu zählt der Einsatz der Nanotechnologie zur Krebsbekämpfung. So wurde beispielsweise die Wanderung von Krebszellen durch den Körper lebender Mäuse beobachtbar indem sich mikroskopische Kristalle – Quantenpunkte – an die Krebszellen hefteten. Dadurch soll eine bessere Erforschung der Metastasenbildung ermöglicht werden. Ein anderer Einsatz der Nanotechnologie bei Krebs liegt in einer erstmals 2003 vorgestellten Methode, welche auf Wärme zur Krebsbekämpfung basiert. Dafür werden zunächst Eisenpartikel mit einer biologischen Hülle direkt in das Tumorgewebe gespritzt. Die energiereichen Hüllen werden von den hochaktiven Tumorzellen schnell aufgenommen, was zu einer ebenso schnell Anreicherung der Krebszellen mit Eisenpartikeln führt. In weitere Folge werden die magnetischen Nanoteilchen einem schnell wechselndem Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch entsteht Wärme, welche die Krebszellen zerstört oder soweit schädigt, dass herkömmliche Methoden wie die Chemotherapie wirksamer werden. Bislang wurde diese Methode bei speziellen Formen des Gehirnkrebs, des Prostatakarzinomes und des Speiseröhrenkrebs angewendet. © Streicher

Danke für die Aufmerksamkeit! Wie kommen Nanopartikel in den menschlichen Körper und was verursachen sie dort? Danke für die Aufmerksamkeit!