Feinstaub katalysiert oxidativen Stress in der Lunge

Studie liefert neue Erkenntnisse zur gesundheitsschädigenden Wirkung von Luftverschmutzung – offenbar werden Peroxide in der Lunge zu reaktiveren Spezies wie Hydroxyl-Radikalen umgewandelt.

Laut einer neuen Studie eines Forschungsteams 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.

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 Forschenden 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 H₂O₂ aus 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. Die Gruppe bedient sich eines Computermodells, um die ausschlaggebenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse zu verstehen und die gesundheitsschädlichen Auswirkungen der verschiedenen Arten von Luftschadstoffen zu quantifizieren.

„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.

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 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. Veröffentlicht wurde die Studie in der Fachzeitschrift „Environmental Science: Atmospheres“.

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.