Gesundheitliche Aspekte von Nanopartikeln

Gesundheitliche Aspekte von Nanopartikeln

Immer mehr Produkte mit Nanopartikeln – von Sonnencremes bis zum Kochgeschirr – kommen auf den Markt. Dabei sind Nanopartikel durchaus umstritten. Aufgrund ihrer geringen Größe entfalten Nanopartikel gänzlich andere Eigenschaften als ihre großen Verwandten. Was aus Sicht der einen ein Segen der Technik ist und Fortschritte ...

Autor/en dieses Beitrages:
Dr. med. Peter Germann, FA. für Hygiene und Umweltmedizin aus Worms

Einführung

Immer mehr Produkte mit Nanopartikeln – von Sonnencremes bis zum Kochgeschirr – kommen auf den Markt. Dabei sind Nanopartikel durchaus umstritten. Aufgrund ihrer geringen Größe entfalten Nanopartikel gänzlich andere Eigenschaften als ihre großen Verwandten. Was aus Sicht der einen ein Segen der Technik ist und Fortschritte in der Medizin bringt, wird von anderen kritisch beäugt, denn über die Giftigkeit von Nanopartikeln ist bislang wenig bekannt. Welche Schäden können Nanopartikel anrichten? Verbreiten sich Nanopartikel unkontrolliert in unserer Umwelt? Der Umweltmediziner Dr. Peter Germann hat für Sie zusammengefasst, was man bisher über die gesundheitliche Wirkung von Nanopartikeln weiß.

Partikel zwischen 1 und 100 nm, also zwischen 10-9 und 10-7 m (ein Miillionenstel bis ein Zehntausendstel Millimeter), nennt man aufgrund ihrer geringen Größe Nanopartikel (nanos = Zwerg). Nanopartikel weisen bei derselben molekularen Beschaffenheit wie die groben Strukturen (sog. bulk material) völlig andere physikalische und chemische Eigenschaften auf. Das heißt, dass z.B. Nanosilber völlig andere Eigenschaften besitzt als das Silber, das wir für Schmuck verwenden.
Die Erforschung und Anwendung von Nanopartikeln gehört zu einem der wissenschaftlich aktuellsten und spannendsten Forschungsgebiete und ist Grundlage für eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Die Forschungsergebnisse können unter anderem für die Informationstechnologie, die Materialwissenschaften, die Biosensorik, die Molekularbiologie und die medizinische Diagnostik und Therapie nutzbar gemacht werden. Wissenschaftler haben mittlerweile sehr ausgereifte mikroskopische Methoden entwickelt, um Nanostrukturen auf der atomaren Ebene abzubilden oder Atom für Atom zu manipulieren.

Wirkungsmöglichkeiten der Nanopartikel

Nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die größenabhängigen Oberflächeneigenschaften (Kristallisation) spielen eine Rolle bei der Beurteilung der Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit.
Offenbar haben anorganische Partikel erst bei einer Größe unterhalb von 20-30 nm relevante Eigenschaften, bei manchen (TiO2 – Titandioxid – und Gold) sogar erst bei 2 nm.
Zitat: “The weight of evidence from the literature suggests that engineered nanoparticles are likely to be of concern owing to unique properties when they have diameters of 30 nm or less. In this size range, many particles undergo dramatic changes in crystalline structure that enhance their interfacial reactivity.” (Quelle: M. Auffan et al., 2009)
Das bedeutet, dass Nanopartikel unterhalb einer gewissen Größe gänzlich andere Eigenschaften als ihre großen Verwandten besitzen. Dies betrifft sowohl die kristalline Struktur als auch die Oberflächeneigenschaften von Nanopartikeln.

  • Dabei erhöht sich der Energieüberschuss der Oberfläche – die Anzahl der Atome erhöht sich bei Verringerung der Partikelgröße – so dass sie thermodynamisch instabiler und damit reaktionsfreudiger werden.
  • Optische und elektronische Eigenschaften ändern sich abrupt bei 6-8 nm, die bei größeren Partikeln völlig verschwunden sind.
  • Auch die thermischen Eigenschaften von Nanopartikeln ändern sich gravierend, wobei der Schmelzpunkt im Falle von Indium (Zahnmaterial) und Zinn (Kochgeschirr) um 120 und 80 Grad fällt, wenn die Partikeldurchmesser von 100 nm auf 10 nm reduziert werden. Selbst bei Raumtemperatur kann ZrO2 (Zirkoniumdioxid) bei einer Größe von 10 nm von einer Kristallisationsstufe (monoclinic) in die nächste (tetragonal) umgewandelt werden, was bei grober Struktur nur bei 1100 Grad geschieht!

Die Oberflächenspannung von sehr kleinen Nanopartikeln ist also abhängig von der Größe, Löslichkeit der Kristalle und deren Quotient bei thermodynamischen Prozessen (Laplace-Gleichung).
Die besondere Oberflächenstruktur und die damit verbundene erhöhte Reaktivität von Nanopartikeln verstärken die Löslichkeit, die Bereitschaft zu bestimmten chemischen Reaktionen (Redoxreaktionen) oder die Bildung von Sauerstoffradikalen, (reactive oxygen species, ROS). All diese Eigenschaften bestimmen die Giftigkeit und das Verhalten der Nanopartikel in unserer Umwelt.
Die Bildung von Sauerstoffradikalen hat verschiedenste Wirkungen, die je nach Größe, Oberflächenstruktur und Kristallisation der Nanopartikel an verschiedenen Bereichen von Zellen ansetzt. Auch der gewünschte Bakterien-tötende (bakterizide) Effekt von Nanosilber ist abhängig von der größenabhängigen Oberflächenstruktur, wobei Nanopartikel mit einer Größe von 1–10 nm höchste Reaktivität besitzen – im Gegensatz zu Nanopartikeln von 30-100 nm. Die kleinen Nanopartikel durchdringen die Bakterienwände und reagieren mit Schwefel- und Phosphorverbindungen, zu denen zahlreiche Aminosäuren (Grundbausteine der Eiweiße), Fette, aber auch unser genetisches Material (DNA, RNA) gehören.

Wirkmechanismen der Nanopartikel

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, entfalten Nanopartikel verschiedene, zum Teil schädliche Effekte in unserem Körper. Dazu gehören die:

  • 1. Katalyse, d.h. Prozesse laufen z.T. schneller und leichter ab
  • 2. Lipidperoxidation, dadurch werden u.a. Fette in den Zellmembranen geschädigt
  • 3. Erhöhung der Zahl freier Radikale. Freie Radikale sind besonders reaktionsfreudig. Sie können DNA, RNA, Eiweiße und Fette im Körper schädigen und werden für den Alterungsprozess mit verantwortlich gemacht.
  • 4. DNA-Veränderungen, wodurch sich möglicherweise das Krebsrisiko erhöht.
  • 5. Schädigung von Nervenzellen
  • 6. Freisetzung von Entzündungsfaktoren
  • 7. Hemmung des Enzyms „Protein Tyrosin Phosphatase“, das entzündlichen Gefäßreaktionen entgegensteht

In physiologischen Lösungen, d.h. Lösungen, die hinsichtlich ihrer Salzkonzentration unseren Körperflüssigkeiten nachempfunden sind, werden die folgenden biologisch negativen Effekte der Nanopartikel durch Zusammenlagerung (Aggregation) und Oberflächenbenetzung verändert und damit möglicherweise abgeschwächt. Dies gilt für die

  • Schädigung der DNA durch Sauerstoffradikale
  • Rezeptorschäden
  • Membranschäden
  • Zellschäden bis hin zum Zelltod

Anwendungsbereiche der Nanopartikel

Produkte, die Nanopartikel enthalten, kommen gegenwärtig in folgenden Bereichen und Stoffgruppen vor:

  • Nahrungsergänzungsmittel,
  • Küchenartikel (z.B. Kochgeschirr mit kratzfester Antihaftbeschichtung aus Nanopartikeln),
  • Verpackungen (vor allem zum Frischhalten der Nahrung)
  • in der Landwirtschaft eingesetzte Chemikalien,
  • Ketchups, Gemüsebrühen, Puderzucker und Tafelsalz (zur Verbesserung der Fließ- und Rieseleigenschaften),
  • Kosmetika, Sonnenschutzmittel (Auch manche Naturkosmetik-Sonnenschutzcremes enthalten als UV-Filter Nanoteilchen aus Titandioxid.),
  • Bekleidung (Nanosilber in Socken soll z.B. Bakterien töten und damit unangenehmen Schweißgeruch verhindern.),
  • Sanitärprodukte (Bad und WC), Putzmittel und Waschmaschinen (Nanosilber),
  • Farben, Verputzmaterialien und Zement (v.a. mit Nanosilber als Biozid und Titandioxid-Nanopartikel für einen Selbstreinigungseffekt).

Nanopartikel in der Medizin

In der Medizin sind vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für Nanopartikel entwickelt worden:

  • Hautkrebsvorbeugung mit Sonnencremes,
  • nanobasierte Kontrastmittel (superparamagnetische Eisenoxid) zur besseren optischen Darstellung,
  • Magnetic Fluid Hyperthermia (MFH) bei Prostatakrebs (Bei diesem Verfahren sollen Prostata-Krebszellen mit Hilfe magnetischer Nanopartikel erwärmt und abgetötet werden.)
  • Allergievorhersagechips, Schadstoffanalysechips (Dabei werden Blut, Serum oder Urin wie bei Zuckerteststäbchen aufgebracht und können elektronisch analysiert werden.)
  • Wirkstoff-Screening von Arzneimittelentwicklungen,
  • Nanosensoren für Bakterien und Viren,
  • Drug delivery systems (Durch ortsgenauen Transport der Wirkstoffe soll der Medikamentenverbrauch verringert werden.),
  • Stents, Implantate, Endoprothesen – Ziel ist es, eine Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, die vom Körper möglichst gut angenommen wird. Dazu werden die Oberflächen der Implantate etc. so verändert, dass es später im Organismus möglichst nicht zu Immunreaktionen kommt.
  • Telemedizin: häusliche Überwachung (Dazu werden Blutdruck, Puls, Atmung, Zucker und Sauerstoff permanent mittels Mikrochips kontrolliert und die Daten über moderne Funktechnologie an Krankenhaus oder Arzt oder Pflegepersonal weitergeleitet.)
  • intelligente Pflaster und vorbeugende Zahncremes mit Reparatureffekt,
  • Zellreparatur (= tissue engineerings), insbesondere am Herzmuskel, bei Parkinson. Zum Einsatz kommen dabei Nanomatrices, d.h. aus Nanopartikeln bestehende Grundstrukturen, auf deren Basis weitere funktionell wichtige Zellen oder Gewebe aufgebaut werden können.
  • nanostrukturierte Biomaterialien (Zellzüchtung),
  • zellbasierte Therapien (Stammzellen) und bioaktive Signalmoleküle (extrazelluläre Matrix, Anregung von Zellfunktionen). Hiermit können spezialisierte Zellen oder Zellbestandteile Funktionen ausüben, die verloren gegangen sind oder auch neu übernehmen sollen (z.B. Dopamin-Bildung bei Morbus Parkinson).

Dennoch gibt es kritische Stimmen (z.B. Umweltmedizinische Verbände und der BUND), die eine wesentlich größere Vorsicht vor dem weiteren Einsatz von Nanopartikeln im Alltag fordern.
Grundlage sind wissenschaftliche Erkenntnisse und Erfahrungen bei der Feinstaubproblematik und neueste wissenschaftliche Fakten des NanoCare Projektes.
Auch die französische Agentur fordert Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Nanopartikeln.

Grafik: Fraunhofer-Institut, Quelle: Umweltinstitut München
Grafik: Fraunhofer-Institut, Quelle: Umweltinstitut München

Gesundheitliche Gefahren von Nanopartikeln

In einer Broschüre des Umweltbundesamtes heißt es dazu: „Gesundheitliche Risiken, die von den bereits auf dem Markt erhältlichen, auf Nanotechnik basierenden Produkten wie Kosmetika ausgehen könnten, sind kaum erforscht.“ Nanopartikel können über die Haut, den Mund oder die Atemwege aufgenommen werden. Vergleichsweise viele Daten liegen zur Aufnahme über die Atemwege vor, wo die Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe besonders tief (bis in die Alveolen) eindringen können. Dort kann es dann zu Entzündungsreaktionen kommen. Für bestimmte Kohlenstoff-Nanoröhrchen gibt es Hinweise auf Effekte, die denen von Asbestfasern ähneln. [Anm. der Red.: Asbestfasern können ebenfalls sehr tief in die Lunge eindringen und lösen dort Entzündungsreaktionen aus. Asbest ist als krebserregend anerkannt.] Auch ein Übertritt von Nanopartikeln aus der Lunge ins Blut ist offenbar möglich. Dagegen scheint eine intakte Hautoberfläche gegenüber dem in Sonnenschutzcremes häufig verwendeten Titandioxid relativ undurchlässig zu sein.
Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen der Belastung von Nanopartikeln und dem Anstieg der Störungen des Immunsystems und Entzündungen des Magen-Darm-Trakts besteht. Dabei steht Morbus Crohn im Vordergrund. [Hinweis der Redaktion: In einer Studie konnten Moos et al. zeigen, dass in Sonnencreme enthaltene Zinkoxid-Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm Darmzellen schädigen können. Besonders relevant ist dies für Kleinkinder, da bereits beim Verschlucken von nur 2 g einer Sonnencreme mit 10 % Zinkoxid Konzentrationen dieser Nanopartikel erreicht werden, die Darmzellen bis hin zum Zelltod schaden können.]
Chronische Lungenerkrankungen wie Asthma, chronische Bronchitis bis hin zur Fibrose und Herzkreislauferkrankungen können durch Nanopartikel verursacht werden. Schließlich können Nanopartikel Immunstörungen auslösen, die in Infektanfälligkeit und Allergie münden.
Homocystein wird durch Exposition mit Verkehrsabgasen signifikant erhöht, wobei gezeigt wurde, dass nicht die groben Rußteilchen, sondern die Kleinstpartikel dafür verantwortlich sind. Homocystein gilt als Altersmarker. Erhöhte Homocystein-Werte im Blut können zur Schädigung der Blutgefäße führen und werden Demenzerkrankungen im Alter in Zusammenhang gebracht.
Seit einigen Jahren ist bekannt, dass die Laserdrucker die Belastung mit Nanopartikeln erhöhen, da verschiedene Metalle im Toner einiger Fabrikate in erhöhter Luftkonzentration vorliegen. Empfindliche Personen und Vorerkrankte leiden schließlich unter der entsprechenden Reaktion im Bronchial- und Lungenbereich. Allerdings können auch andere Erkrankungen durch diese Nanopartikel ausgelöst und unterhalten werden. Folgende weitere Krankheitsfolgen der Nanopartikel sind bekannt und durch zahlreiche Studien belegt:

  • Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems, z.B. Herzrhythmusstörungen, Verstärkung arterosklerotischer Prozesse mit Herzinfarkt und Herzversagen, Störung der Blutgefäßmotorik mit Engstellung der Blutgefäße (Vasokonstriktion)
  • Förderung der Blutgerinnung und damit Erhöhung des Risikos für Herzinfarkte, Schlaganfälle und Embolien
  • Störung des vegetativen Gleichgewichtes – z.B. die Stressantwort über Adrenalinausschüttung in der Nebennieren, die Störung von Schlaf, von Atemregulation (Engstellung von Bronchien)
  • Vermehrung allgemeiner Entzündungsreaktionen
  • Fehlfunktionen der Gefäßwände
  • Beeinträchtigung des Zentralen Nervensystems mit Entzündung und Verlust von Nervenzellen.

[Anm. d. Red.: Im Februar 2011 hat das BfR (Bundesinstitut für Risikobewertung) ein neues Papier zu Nanopartikeln herausgegeben. Danach besteht nach wie vor viel Forschungsbedarf. Zwar gibt es Hinweise aus Tierversuchen auf eine krebserregende Wirkung bestimmter Nanopartikel (Kohlenstoff-Nanoröhren oder Titandioxid (TiO2) nach der Aufnahme über die Atemluft), doch ist nicht klar, inwieweit diese Ergebnisse auf den Menschen übertragen werden können. In der Erklärung des BfR heißt es: "BfR und UBA sind der Ansicht, dass trotz der noch bestehenden Unsicherheiten die Befunde zum krebsauslösenden Potenzial einiger Nanomaterialien ernst zu nehmen sind." Bedenklich stimmt in diesem Zusammenhang vor allem eine weitere Aussage des BfR: "Zur Freisetzung von Nanomaterialien aus Produkten und zur Exposition sind derzeit ebenfalls keine zuverlässigen Aussagen möglich. Informationen darüber, in welchen Produkten und Zubereitungen Nanomaterialien in welchem Umfang verwendet werden, sind nicht in ausreichendem Maße vorhanden." Den vollständigen Bericht finden Sie hier.

Inzwischen gibt es zudem Hinweise, dass Nanopartikel die Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen fördern. Im Versuch steigerten Nanopartikel aus Aluminium den Austausch von Genmaterial zwischen Bakterien um das 200fache, so ein Bericht der Sendung Forschung aktuell vom 13.3.12.]

Literaturquellen

  • Auffan, M.; Rose, J.; Bottero, J.-Y.; Lowry, G. V.; Jolivet, J.-P.; Wiesner, M. R.: Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety perspective, Review article, Nat Nano Vol 4 : 634-641, 2009
  • Kuhlbusch, T.I.J; Krug, H.J.; Nau, K.; NanoCare, Health related Aspects of Nanomaterials, Final Scientific Report, 1st Edition July 2009
  • Moos, Philip J. ; Chung, Kevin; Woessner, David; Honeggar, Matthew; Cutler, N. Shane; Veranth: ZnO Particulate Matter Requires Cell Contact for Toxicity in Human Colon Cancer Cells, Chem. Res. Toxicol., Article ASAP, DOI: 10.1021/tx900203v, 15.2.2010
  • Stone, V., Engineered Nanoparticle Review of Health and Environmental Safety, ENRHES, Project Final Report, Edinburgh Napier University, August 2009

Redaktion: Dr. rer. nat. Inge Ziegler

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