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Gesundheitsfeinde in der Luft: Staubpartikel in der menschlichen Lunge

Partikel von Druckerpatronen, Abgasen oder Spraydosen: Es ist bekannt, dass diese der Gesundheit schaden. Aber in welchem Maße sie tatsächlich negativen Einfluss auf den Körper haben, konnte bisher niemand sagen. Forscher der Universität Freiburg testen nun, welche Langzeitfolgen die in der Luft befindlichen Partikel für den Menschen haben.


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Künstliche und natürliche Partikel: Durch eine mikroskopische Staubanalyse wird ersichtlich, was alles in der Luft herumschwirrt. (Foto: Universität Freiburg)

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Beim Fahrradfahren sind es die Abgase des Autos, im Büro die Partikel von Druckerpatronen, im Frühjahr der Staub, der aus der Sahara hergepustet wird, und im Bad die Nanopartikel im Haarspray: Jeden Tag atmen wir Millionen unterschiedliche Partikel ein. Es ist bekannt, dass diese der Gesundheit schaden können. Aber in welchem Maße sie tatsächlich negativen Einfluss auf den Körper haben, ist bisher nur ungenügend untersucht. Durch einen neuen Forschungsansatz von Prof. Dr. Reto Gieré vom Institut für Geowissenschaften kann nun getestet werden, welche Langzeitfolgen die in der Luft befindlichen Partikel für den Menschen haben.

 

  • Erster Schritt: Klären, woraus sich der Staub in Freiburg zusammensetzt

Gieré und ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Mineralogie, Umweltmedizin und Pharmazie sowie des Deutschen Wetterdienstes charakterisieren systematisch einzelne Staubpartikel, die tagtäglich durch die Luft schwirren, und bestimmen mit Mikroskopen und Röntgengeräten deren mineralogische und chemische Zusammensetzung. Erst dadurch kann genau analysiert werden, welche Art von Partikel der Mensch einatmet. „Wir machen das mit dem Ziel, herauszufinden, woraus sich die Luft, die wir in Freiburg und der Rheinebene einatmen, zusammensetzt“, erklärt Gieré, „damit wir auch erkennen können, von wo alle diese Partikel hergeweht werden.“ Aufgrund der mineralogischen Zusammensetzungen kann bestimmt werden, ob die jeweiligen Staubkörner zum Beispiel Bestandteile von Autoabgasen, Straßenstaub oder dem Rauch von Kohlekraftwerken sind. Selbst für den Forscher ist es erschreckend, wo der Mensch überall Staubpartikeln ausgesetzt ist: „Weihnachten ist es am schlimmsten: Durch die brennenden Kerzen im Wohnzimmer entsteht eine unheimlich hohe Feinstaubbelastung.“ Anders als bei Weihnachtskerzen haben einige andere Partikel einen langen Weg hinter sich: Nach Freiburg gelangt sogar Staub aus der Sahara, erzählt Gieré.

 

  • Zweiter Schritt: Die gesundheitlichen Auswirkungen erforschen

Es interessiert das Forscherteam nicht nur, woraus die Partikel bestehen, sondern es ist ihnen wichtig, in Zusammenarbeit mit Medizinern und Pharmazeuten der Frage nachzugehen, welchen Einfluss Staubpartikel auf die menschliche Gesundheit haben. „Erstaunlicherweise“, so der Freiburger Mineraloge, „weiß man bisher extrem wenig über die Auswirkungen auf die Gesundheit.“ Doch gerade das wird immer wichtiger: Denn schließlich werden in den Industrieländern viele verschiedene Partikel selbst produziert und freigegeben – und zwar von jedem: Denn nicht nur Lackierer atmen bei der Arbeit Nanopartikel der Lacke ein, sondern tagtäglich finden Nanopartikel in Haarspray oder Deo den Weg von der Sprühdose in die Lunge. Das Forschungsprojekt in der Mineralogie richtet sein Augenmerk zunächst auf künstliche Partikel. Zum Teil kann der Mensch bei diesen selbst beeinflussen, in welchem Maße er sich ihnen aussetzt. Der Einfluss natürlicher Staubpartikel hingegen ist für den Einzelnen nur schwer zu minimieren: Fahrradfahren mit Atemschutz oder Daheimbleiben, wenn der Staub aus der Sahara über Freiburg weht, wären zwar sinnvolle Schutzmaßnahmen, aber sich den natürlichen Partikeln ganz zu entziehen, gelingt nicht. Deswegen will Gieré in der Zukunft unbedingt auch deren gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen erforschen.

 

  • Effekte auf die menschliche Lunge

Um zu klären, in welchem Maße die in der Freiburger Luft befindlichen Partikel schädlich für die Gesundheit sind, werden nach der Analyse einzelne Partikel-Typen im Labor in unterschiedlichen Größen und Konzentration hergestellt. Im Reagenzglas werden danach Kulturen der menschlichen Lunge diesen Partikeln einzeln ausgesetzt. „Die Lungenzellen dürfen zunächst nicht gleichzeitig verschiedenen Typen ausgesetzt werden, denn nur so ist erkennbar, welche Effekte die Partikel auf die menschliche Lunge haben“, erläutert Gieré. Verschiedene Tests zeigen, wie die Lungenzellen reagieren: Haben die Staubpartikel Auswirkungen auf die Zellen – oder sogar auf die Gene? Mit einem Elektronenmikroskop sehen die Freiburger Forscher, ob und wohin die Partikel in der Zelle gewandert sind. Die Fremdkörper gelangen bis ins Zytoplasma oder in den Zellkern, im schlimmsten Fall richten sie im Zellkern Schäden an. Tritt das ein, werden automatisch in der Lunge Abwehrstoffe ausgeschüttet, damit die Zellen sich gegen die Fremdkörper verteidigen können. Die dabei entstehenden Signale können von den Wissenschaftlern dann gemessen werden.

 

  • Je kleiner umso langlebiger und gefährlicher

Die Größe spielt bei Staubpartikel eine wichtige Rolle: Die Unterscheidung zwischen grobe und feine Partikel führt zu vielen Kontroversen. Politik und Medien sprechen, so Gieré, oft verallgemeinernd von Feinstaub, ohne zu wissen, ab welcher Größe Staub eigentlich zum Feinstaub gezählt wird. Alle Staubpartikel, die größer als 2,5 Mikrometer sind, werden als Grobstaub klassifiziert. Partikel mit einer Größe von weniger oder gleich 2,5 Mikrometer werden wissenschaftlich als Feinstaub bezeichnet und Partikel, die kleiner sind als 100 Nanometer, werden als Nanopartikel oder Ultrafeinstaub kategorisiert. Je kleiner ein Partikel ist, umso mehr von ihm finden sich im Staub. Außerdem schwebt Feinstaub länger in der Atmosphäre als die groben Partikel. Erst Regen kann die Luft vom Feinstaub wieder reinwaschen. Doch nicht nur wegen ihrer Hartnäckigkeit stellen kleinere Partikel eine größere Gefahr für die menschliche Gesundheit dar, sondern allein durch ihre Größe können sie mehr Schaden anrichten: Staubpartikel, die kleiner sind als 2,5 Mikrometer, können sich in den Aveolen, den kleinen Lungenbläschen, festsetzen – und von dort wandern sie nicht mehr aus dem Körper hinaus. Grober Staub kann hingegen im Atemtrakt gar nicht erst soweit hinunter wandern, da er Hustenreiz auslöst und ausgehustet wird.

 

  • Partikel von schwarzen Druckerpatronen sind genotoxisch

Das erste ernüchternde Resultat hat das Team um Gieré und Prof. Dr. Volker Mersch-Sundermann vom Universitätsklinikum Freiburg bereits veröffentlicht: Die Forscher konnten mit In-Vitro-Tests nachweisen, dass Partikel von schwarzen Druckerpatronen Veränderungen im Zellkern verursachen und so einen genotoxischen, also die Gene verändernden Effekt auf die menschliche Lunge haben. Dies kann als Folge möglicherweise Mutationen oder Krebs hervorrufen - eine endgültige Aussage darüber kann das Forscherteam aber bislang noch nicht treffen. Für den Freiburger Mineralogen stehen noch viele Untersuchen an, um alle Auswirkungen der verschiedenen Staub-Typen zu analysieren. Solche Untersuchungen können aber nur über die traditionellen Fächergrenzen hinweg möglich. Die Bedingungen hierfür seien in Freiburg ideal, sagt Gieré. Panik verursachen wolle er mit seinen Ergebnissen auf keinen Fall: „Es ist aber wichtig, dass auf die konkreten Gefahren hingewiesen wird, denn nur so kann reagiert werden.“

Die Druckversion dieses Textes (pdf) finden Sie hier.
 

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Prof. Dr. Reto Gieré

Reto Gieré ist seit 2004 am Institut für Geowissenschaften, im Forschungsbereich Mineralogie – Geochemie. Zuvor war er unter anderem an der Purdue University in Indiana, der Universität Basel sowie der University of British Columbia in Vancouver und der Carnegie Institution of Washington tätig. Neben seiner Lehr- und Forschungstätigkeit ist er zudem Fellow der Geologischen Gesellschaft in London und der Mineralogischen Gesellschaft von Amerika.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Rasterelektronen-mikroskopisches Bild eines Tonminerals: Diese sind natürliche Bestandteile von Kohleablagerungen und werden durch Bergbauaktivitäten in die Luft freigesetzt. (Foto: Zentrum für Mikroskopie der Universität Basel) Das Bild können Sie von bit.ly/sAOvpA herunterladen.   Teile industrieller Abgase kondensieren zu feinen Partikeln, die von den Winden verweht werden und sich in den Alveolen, Lungenbläschen, unserer Lungen ablagern. (Foto: Universität Freiburg)
     
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Satellitenbild eines Staubsturmes, der große Mengen von Wüstenstaub aus der Sahara nach Europa verfrachtete. Ähnliche Verwehungen können auch in Freiburg zur Ablagerung von Sahara-Staub führen. (Foto: NASA, Visible Earth)   Durchlicht-mikroskopisches Bild einer Luftstaubprobe, welche über eine Periode von sieben Tagen entlang einer Straße gesammelt wurde. Eine mikroskopische Staubanalyse kann die verschiedenen Staubpartikel aufgrund ihrer optischen Merkmale unterscheiden und erlaubt so, auf die Herkunft der Staubbestandteile zu schließen. (Foto: V. Dietze, Deutscher Wetterdienst, Freiburg) Das Bild können Sie von bit.ly/ryMUug herunterladen.
     
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Rasterelektronen-mikroskopisches Bild eines Partikels, das aus Calciumsulfat-Kristallen besteht: Dieses Partikel wurde in der Stadtluft von Strasbourg, Frankreich, eingefangen und stammt aus Abgasen industrieller Verbrennungsprozesse. (Foto: Universität Freiburg) Das Bild können Sie von bit.ly/tn0SIj herunterladen.    

 

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