Nanopartikel - die großen Unbekannten

Auf der NanoRegulation in St. Gallen haben Forscher weitere Ergebnisse zu den in die Schlagzeilen geratenen Kleinstteilchen vorgestellt, die eine systematische Untersuchung und Regulierung immer dringlicher erscheinen lassen.

Lesezeit: 6 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen
Von
  • Niels Boeing

Für die Entwicklung neuer Materialien sind sie ein Segen: Nanopartikel, also Teilchen aus Kohlenstoff oder Metalloxiden mit einem Durchmesser zwischen einigen und 100 Nanometern. Sie verbessern Kosmetika, ermöglichen neuartige Beschichtungen wie kratzfesten Lack auf Autos und gelten als Kandidaten für bahnbrechende medizinische Verfahren. Toxikologen und Umweltbehörden hingegen bereiten sie zunehmend Kopfzerbrechen, weil sie deutlich reaktionsfreudiger als größere Teilchen sind und in Zellen eindringen können. Auf der „NanoRegulation“-Konferenz in St. Gallen haben Forscher nun weitere Ergebnisse vorgestellt, die eine systematische Untersuchung und Regulierung der Kleinstteilchen immer dringlicher erscheinen lassen.

Seit längerem werden etwa Nanopartikel aus Titan- oder Zinkoxiden in kosmetischen Produkten eingesetzt, etwa in Sonnencremes als UV-Absorber. Denn ein Gramm Nano-Titandioxid hat eine viel größere Gesamtoberfläche als ein Gramm aus Mikrometer großen Teilchen, absorbiert deshalb effektiver und ermöglicht transparente Cremes. Das hat die Frage aufgeworfen, ob die Nanopartikel durch die oberen Hautschichten ins darunter liegende Gewebe eindringen können. Bisherige Tests, etwa im Rahmen des EU-Projekts „Nanoderm“, hatten dies nicht nachweisen können. Jürgen Lademann von der Abteilung für Dermatologie an der Charité in Berlin zeigte nun, dass sich Teilchen zumindest in den Hauttaschen von Haarwurzeln, den so genannten Haarfollikeln, anreichern können.

„Wir wissen seit fünf, sechs Jahren, dass es die Möglichkeit der Haarfollikel-Penetration gibt“, sagte Lademann auf der NanoRegulation. Wenn Haare wachsen und dabei Talg produziert wird, sind die Haarfollikel für Partikel auf der Haut geöffnet. Bei Probanden, die nach Auftragen einer Lotion mit Partikeln massiert wurden, hätten die bewegten Follikel wie eine umgekehrte „Pumpe“ gewirkt, die die Teilchen immer tiefer hineinziehen – und zwar fünf Mal tiefer als ohne Massage. Mehr noch: Während eine einmassierte partikelfreie Lotion nach sieben Tagen wieder vollständig aus dem Haarfollikel entfernt war, hatte sich die Zahl der Teilchen aus der partikelhaltigen Lotion nur halbiert.

Der Teilchendurchmesser in diesen Versuchen betrug noch 320 Nanometer – zu groß, um vom Haarfollikel weiter zu wandern. In einer zweiten Versuchsreihe wurden nur 40 Nanometer große Teilchen verwendet. „Diese wurden von angrenzenden dendritischen Zellen, den so genannten Langerhans-Zellen, aufgenommen“, sagte Lademann. Langerhans-Zellen sind Teil des Immunsystems in der Haut. Die Untersuchung solch echter Nanopartikel sei aber noch nicht abgeschlossen.

Welche Auswirkungen Nanoteilchen auf das Herz-Kreislauf-System haben, ist Gegenstand der Forschung von Lang Tran vom britischen Institut für Arbeitsmedizin in Edinburgh. Dabei stützt sich Tran auf Untersuchungen mit kleinsten Rußpartikeln in Motorenabgasen. „In Verbrennungsvorgängen gebildete Teilchen sind derzeit das wichtigste toxikologische Modell, das wir für die gesundheitlichen Auswirkungen von Nanopartikeln haben“, sagte Tran.

In einer Versuchsanordnung, bei der Probanden Dieselabgasen – „in ungefährlichen Konzentrationen“, wie Tran versicherte – ausgesetzt waren, zeigte sich, dass ultrafeine Rußpartikel nicht zu vernachlässigen sind. „Wir haben festgestellt, dass Endothelzellen nach Kontakt mit Dieselfeinstaub nicht mehr einwandfrei funktionierten“, erläuterte Tran. Endothelzellen bilden die innerste Schicht etwa von Blutgefäßen.

Wie lange Nanopartikel, die aus der Umgebungsluft eingeatmet werden, im Körper bleiben, hängt davon ab, wo sie abgelagert werden. In der Lunge sei nach sieben Tagen eine deutliche Verringerung der Partikelmenge zu beobachten, so Tran. Über den Riechnerv ins Gehirn gelangte Partikel blieben hingegen nach diesem Zeitraum in kaum verringerter Konzentration im Riechkolben angereichert. Tran hielt fest, dass Nanopartikel nach jetzigem Erkenntnisstand deutlich mehr Bereiche im menschlichen Körper beeinträchtigen können als bisher vermutet. Dazu gehörten Leber, Milz, Nerven, die Endothelschicht in den Gefäßen des Herz-Kreislaufsystems und die Lunge. Dort könnten sie Entzündungen hervorrufen.

Dass auch Ökosysteme von Nanopartikeln betroffen sein könnten, betonte Alistair Boxall von der Universität York. Einige Studien in den vergangenen zwei Jahren hatten bereits gezeigt, dass sie für Bakterien im Boden, aber auch für Fische in Gewässern ein Problem darstellen. Boxall präsentierte eigene Forschungsergebnisse mit Kleinkrebsen der Art Daphnia Magna. Diese wurden über verschiedene Zeiträume fluoreszenten Teilchen von 20 Nanometern und einem Mikrometer Durchmesser ausgesetzt. „Wir fanden heraus, dass die Daphnien die Partikel sehr schnell aufnahmen“, sagte Boxall. Bereits nach einer Stunde habe man eine nicht zu vernachlässigende Menge ausmachen können.

Zwar wisse man noch nichts Genaues über die toxischen Effekte, so Boxall. Studien mit Rußpartikeln haben allerdings gezeigt, dass die Sterblichkeitsrate bei Daphnien bei erhöhten Teilchenkonzentrationen in Wasser drastisch zunimmt. Bei einem Zehntel Milligramm pro Liter lag sie nach füng Tagen bei 25 Prozent, ein Milligram pro Liter führte nach sechs Tagen gar zu einer Todesrate von 100 Prozent. „Diese Versuchsanordnungen sind allerdings noch hochgradig artifiziell“, schränkte Boxall ein.

Laut Qasim Chaudhry von Universität York steht die Nanotoxikologie erst ganz am Anfang. Man wisse derzeit weder über Gesundheitsrisiken, die Auswirkungen auf die Umwelt und die Wege, auf denen Nanopartikel aufgenommen werden können, wirklich Genaueres. „Wir wissen eigentlich nichts und können derzeit nur eine ganz grobe Risikobewertung vornehmen“, sagt Chaudhry.

Gemeinsam mit Kollegen hat er auch die erste systematische Untersuchung in einem EU-Land durchgeführt, ob existierende Regularien über die Toxizität von Stoffen sich auf Nanomaterialien überhaupt anwenden ließen. Sein Fazit: „Die existierende Regulierung ist ineffektiv“. Zum einen seien Nanomaterialien nicht hinreichend definiert. Bei Kohlenstoff-Nanoröhren ist beispielsweise nicht klar, ob sie als Fasern oder – bei einer Länge unter 20 Mikrometern – eher als Partikel einzustufen sind. Zum anderen ließen sich bisherige Grenzwerte nicht anwenden, so Chaudhry. Denn die sind gewöhnlich an Stoffmengen orientiert. Bei Nanopartikeln greifen solche Grenzwerte aufgrund ihrer viel größeren Reaktionsoberfläche aber nicht.

Chaudhry hat der britischen Regierung vorgeschlagen, zumindest ein vorläufiges Meldesystem für neu entwickelte Nanomaterialien aufzubauen. „Nach anfänglichem Zögern“ habe die Regierung zugestimmt, dieses System im Oktober zu starten. Für Chaudhry kann dies aber nur der Auftakt für eine systematische Nanoregulierung sein: „Wir brauchen einen globalen, ganzheitlichen Ansatz.“ (nbo)