Nanopartikel: Kleinvieh macht auch Mist

25. August 2011
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Ob in Farben und Lacken oder als UV-Blocker in Sonnenschutzmitteln: Nanopartikel sind allgegenwärtig. Ihre Auswirkungen auf die Gesundheit allerdings weitgehend unerforscht. Jetzt fanden Forscher heraus, dass Nanopartikel die Herzfunktion beeinflussen.

Künstliche Nanopartikel sind in der Medizin und Industrie immer gefragter. Millionen Tonnen von Stoffen wie Titandioxid werden jährlich eingesetzt, etwa um Farben reiner und brillanter wirken zu lassen. In der Medizin dienen Nanopartikel als Transportvehikel, um Wirkstoffe an ihren Bestimmungsort im Körper, z.B. einen Tumor, zu bringen. Die kleine Größe der Teilchen mit nur 14 Nanometern Durchmesser und die große Oberfläche machen die Stoffe attraktiv und vielseitig einsetzbar.
Beispiel:

Bekannt ist bereits, dass kleinste Partikel in Feinstaub die Gefäße und das Herzkreislaufsystem schädigen, auch bei Mengen, die unterhalb akzeptierter Werte liegen. Doch auch Nanopartikel beeinflussen das Herz, ergab nun eine Studie von Professor Reinhard Nießner und Mitarbeitern der Technischen Universität und des Helmholtz Zentrums in München. Anhand eines Modells, dem Langendorff Herz – ein von Nagetieren isoliertes, schlagendes Herz, das mit einer Nährlösung anstatt von Blut durchspült wird – konnten sie erstmals Reaktionen des Herzens auf verschiedene Nanopartikel zeigen.

Noradrenalin bringt Herz in Aufruhr

Flammrußpartikel, funkengenerierter Kohlenstoff, Titandioxid und Siliziumdioxid ließen die Herzfrequenz um bis zu 15 Prozent ansteigen, wenn die Partikel das Herz durchflossen. Herzrhythmusstörungen, die Elektrokardiographien (EKG) aufzeigten, verschwanden auch nach der Exposition mit den Nanopartikeln nicht. Die Herzreaktionen waren sowohl vom Material als auch von der Dosis der Nanopartikel abhängig.

Den Ursachen der Reaktionen sind die Forscher auf der Spur. Ein erweiterter Versuchsaufbau ermöglichte die Analyse von Stoffen oder Botenstoffen, die das Herz nach Zurückfließen der Spüllösung in den Kreislauf ausschüttet, also nach der Herzpassage. Zugrundeliegende Reaktionen ließen sich auf diese Art rekonstruieren. Die Forscher vermuten, dass der Neurotransmitter Noradrenalin für die Wirkung am Herzen verantwortlich ist. Der Nervenüberträgerstoff wird ja normalerweise ausgeschüttet, wenn eine erhöhte Leistungsbereitschaft des Herzens verlangt ist oder bei Stress. Da Noradrenalin auch im zentralen Nervensystem wirkt, lässt eine vermehrte Ausschüttung bei Kontakt mit Nanopartikeln vermuten, dass die Stoffe nicht nur das Herz potentiell schädigen können.

Keine Risikobewertung möglich

Die ungewissen Wirkungen auf den Menschen und die Umwelt hindern leider nicht am Vorantreiben der Nanotechnologie und dem jährlich zunehmenden Einsatz von Stoffen, über die man zu wenig weiß. Auch das Bundesumweltamt stellt fest, dass über die Risiken wenig bekannt ist und sieht seine Aufgabe in der Klärung dieser. Gemeinsam mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) beurteilte das Amt letztes Jahr etwa ein mögliches Krebsrisiko durch Nanopartikel. Demnach gibt es Hinweise vor allem aus Tierversuchen auf eine krebserregende Wirkung inhalierter einzelner Substanzen wie Titandioxid, doch ist die Datenlage bislang nicht ausreichend, um eine Risikoeinschätzung vornehmen können. Auch zur Freisetzung von Nanopartikeln aus Produkten und damit zur Exposition sind keine zuverlässigen Aussagen möglich. Ebenso fehlt eine zuverlässige Messtechnik.

Insofern ist die Untersuchung am Herzmodell ein großer Fortschritt, denn es lassen sich nun die Auswirkungen von Nanopartikel an einem ganzen, isolierten, funktionsfähigen Organ untersuchen, ohne dass andere Organsysteme stören, so die Forscher. Dabei ist das Organ Herz besonders gut geeignet, denn es hat einen eigenen Impulsgenerator und kann unabhängig vom Körper einige Stunden funktionieren. Herzfrequenz und EKG zeigen zuverlässig Veränderungen der Herzfunktion an. Warum einige Nanopartikel das Herz beeinflussen und andere nicht soll Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. So könnte etwa der Herstellungsprozess eine bedeutende Rolle spielen.

„Trotz der Unsicherheiten sind die bisherigen Befunde zum karzinogenen Potential von Nanomaterialien ernst zu nehmen, und Maßnahmen zur Expositionsminimierung sollten mit einer umfassenden und aussagekräftigen toxikologischen Methodenentwicklung und Prüfung nanostrukturierter Materialien unter Berücksichtigung aller in Frage kommender Expositionspfade Hand in Hand gehen“, heißt es in der Stellungnahme des BfR und Umweltbundesamtes.

108 Wertungen (4.45 ø)
Kardiologie, Medizin

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15 Kommentare:

Horst Rieth
Horst Rieth

es wäre doch beruhigend,
wenn wir wenigstens als versuchskaninchen dienen würden,
aber nein,
wir sind leider lediglich konsumkaninchen

#15 |
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From Sven reference: (If that happens in dark conditions I cannot imagine on the skin at sun exposure, surely tio2 is worst than CuO)
Auch bezüglich der Entstehung von DNA-Schäden ist von den verglichenen Nanopartikeln Kupferoxid die Substanz, welche die meisten Schäden hervorgerufen hat. Anders verhält es sich bei den oxidativen Zellschäden, bei denen TiO2, Fe3O4, FeO3, CuZnFe2O4 und CuO die ¿schädlichste¿ Wirkung hatten. Auch die Freisetzung intrazellulärer Sauerstoffradikale wurde von Karlsson untersucht, hier waren CuO, TiO2 und CuZnFe2O4, dann Carbon black und Zinkoxid die ¿schädlichsten¿ Substanzen.

#14 |
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Great paper Sven.

#13 |
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Sorry in previous comment. I wrote anastase instead of rutile and viceversa in 3rd paragraph…

#12 |
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Die bezeichnung TiO2 (zum Beispiel auf Beipackzettel, oder Verpackung von irgendwelche Produkte, sei es Kosmetik, Nahrungsmittel, Farbe und was alles sonst noch sein kann), sagt im Grunde gar nichts aus über die Eigenschaften des darin enthaltenen Titandioxids und somit die Risiken.
–> Correct.
es gibt eben TiO2 (und beliebige andere Stoffe) mit unterschiedlichen (nano-)Partikelgrössen, und (… das NANO-Grundproblem) je nach Partikelgrösse, und u.A.(Kristall-, und Nano-) Struktur sind die Eigenschaften des Materials sehr unterschiedlich. Somit auch evt. Risiken für Gesundheit und Umwelt.
–> Correct. The two important factors are the crystal structure (rutile is the most photooxidand vs. anastase and brookite) and the size of the particles. To this the wikipedia english makes a big FAIL. It says it absorbs UV and therefore it is so good. Fact is that it does not absorb and leave UV rays inocous, the tio2 transforms such UV energy in highly oxidant species (so instead of minimizing effects of UV, it MAXIMIZES them). Other organic UV protectors (almost all of them) DO NOT provoke such eextreme oxidizing effects. A rule of thumb is: The smaller the tio2 is, the more absorbs uv AND the more oxidizes AND the deeper penetrates into the skin (AND the more is breathed).
eine so winzige Menge an Wissen wie ein Regentropfen auf ein Ozean von mangelndes Wissen um die biologischen Auswirkungen
–> Correct
In anderer Form soll es verwendbar sein für verzögerte Freigabe von Wirkstoffen in Arzneimittel
–> Half correct, tio2 plays almost no role for controlled release per se. it is used for compacting the pills, helping their dispersion (eg, in water) and other physical effects not related to release of the active. NORMALLY. Other thing is that the physical structure of the pill is affected by the pill, and this influences the release, but to my knowledge that is not the overwhelming reason why it is almost in any pill…For controlled release many other compounds are used.

ALS AUCH zur Zersetzung/Auflösung und Entsorgung organischen Verbindungen im Abwasser
–> correct. if it helps to decompose organic compounds in water, I cannot imagine that it is inocuous to DNA and cell membranes (or whatever inside/outside the skin cells).

In der Münchener Studie wurden ENP’s aus Anatas…
–> this is not irrelevant. Anastase is in many cases more photooxidant than rutile (at least in catalysis industry).But still not absolutely clarified.

So the question is not just:
nano oder nicht nano
and, as usual:
wieviel davon (die Dosis macht das Gift)
–> Half correct: if the tio2 has a particle size that never reach living skin cells, it is probably absolutely inocuous, even in tons :)

and last but not least:
WIE nano….
–> Correct.

On the other hand I AM NOT an expert on photocatalysis or so. I just apply common sense for a chemist/biochemist. I may say something wrong (but I do not think so).
What I am astonished is that the Regulators miss this common sense. I have found MANY sci. papers supporting my view. But a HUGE industry must have a very good lobbying strategy (especially in EU Parliament). In US it seems that they start to take this seriously.

#11 |
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#10 |
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Ich weiß nicht mehr, wo ich das gelesen habe, aber da gibt es doch diese Geschichte mit den asiatischen Arbeiterinnen, die mit Nanopartikeln zu tun haben und therapieresistente Pleuraergüsse entwickeln. Was ist damit?!

#9 |
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Dear Manuel Krall,
It is obvious that not all nanoparticles are the same. In that you are right. But you miss that the presence of nanoparticles is increasing notably with the development of technology that produce PURPOSIVELY nanoparticles. So, it is not fair to compare the current situation with the inocuous effect during industrialization century(es) till today. NOW the human produces nanoparticles that were NEVER before anywhere (just follow arguments on TiO2). So, still no epidemiologic studies can be done at long term. Think in the nanoparticles you might be breathing with your cell phone or computer when you write. It is not a question to demonize nanoparticles “just because”, must be put forward the reasons behind, and they are obviously linked to WHICH compounds are nanosized. In that again, you are right. Save that for the lung, carcinogeneicity is not necessarily a question of WHAT particles are in it, rather HOW MANY (think in silicosis, being silice/silica one of the most inert things you can find). I have no idea in which percentage the nanoparticles produced as of today are in the air we breath, perhaps they are absolutely irrelevant to general population due to their low concentration, BUT for sure it is relevant for workers and exposed people. I would say NO PANIC with nanomaterials, but they deserve special attention.

#8 |
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8 Gastlesser: Of couse. But the millions of grams of TiO2 consumed by the population and present in the medicines never reach the skin and are never exposed to light, therefore I do put in question the use of TiO2 in pills (TiO2 is inocuous in the absence of (uv)light). I just put in question the fairly new nanosized TiO2 used in sunscreens that reach the living cells on skin OR nanosized TiO2 that due to its size can be distributed systemically to light-exposed parts of the body (…skin). In formulation technology of pills, there is not really a point to use nanosized TiO2 since it is more expensive and do not provide a better effect as inert (vs. traditional size).
I just browsed now internet and I found that I am not the only one that only with common sense arrived to this risk-conclusion. Read http://www.organicmakeup.ca/ca/titaniumdioxide.asp
to get a more “supported” idea of what I say.
More even, just in 2011 the US realized of what I say that extends its risk over cosmetic use [note that the risk is just due to particle size!]:
In April 2011, NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health), the federal agency responsible for recommending occupational safety and health standards and prescribing safe workplace exposure levels, issued Current Intelligence Bulletin (CIB) 63 (CIBs describe new scientific information concerning occupational hazards) titled Occupational Exposure to Titanium Dioxide. In this CIB, NIOSH concludes that ultrafine (nano-sized) titanium dioxide is a potential occupational carcinogen.

#7 |
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Eberhard Krämer
Eberhard Krämer

Die Wirkungen von Feinstaub und Nanopartikeln auf lebende Organismen war lange vor der Verwendung in allen möglichen Produkten bis zur medizinischen Anwendung bekannt.Und ewig lockt das Geld…

#6 |
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Mitarbeiter Industrie

Den kleinen Partikeln in unserer Luft, unserer Nahrung und in sontigen Konsumgütern kommt wesentlich zu wenig Beachtung zu, wenn man die Wirksamkeit der Partikel betrachtet.
Nanopartikel als solche zu pauschalisieren ist Unsinn das zeigt die beschriebene Studie.
Diese Partikel sind Teil unserer natürlichen Umgebung. Die strarke Erhöhung der Kozentration seit Beginn des Industriezeitalters und die vermehrte Verwendung in Konsumgütern hat laut meines Wissens keine Epideminologischen Studien zu diesem Thema veranlasst.

#5 |
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Bevor nicht wirklich eindeutig nachgewiesen ist, welche Nanopartikel wie, wo, welche Wirkung haben, muss die Verwendung jeglicher Nanopartikel sofort verboten werden! Es ist ja wohl eine Mindestforderung, dass jedes Produkt mit Nanopartikel auf jeden Fall verpflichtend gekennzeichnet werden muss, damit der Anwender überhaupt einen Chance bekommt, sich überhaupt davor zu schützen.
Für mich ist es unverständlich, warum die vielen hoch dotierten Leute in den entsprechenden deutschen Institutionen nicht für den Schutz der Menschen arbeiten, die sie bezahlen – das sind wir alle.

#4 |
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Dr. med. Christoph Zink
Dr. med. Christoph Zink

The colleague pinpoints a very astonishing aspect!
If the facts are true – I’m not a specialist in this field – the problem very much ressembles the endless discussions about the dangers of ionizing radiation, especially of internally deposited radionuclides.
It has taken almost 60 years until the scientific community roughly starts to understand the underlying, most complicated biochemical mechanisms of action – and it still will take quite some time until this knowledge leads to a change in our use of radioactivity.
Therefore, it should be avoided to repeat the mistake, take a precautionary standpoint and use our position as scientists to draw early attention to the large range of uncertainty of all nano-particle risk estimations.
Ignaz Semmelweis, Rudolf Virchow, Alice M. Steward, and many more would have done so!

#3 |
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Die Studie ist doch alt?
Ich kann mich erinnern, dass genau so etwas vor ein paar Wochen schon einmal hier stand.

#2 |
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I would like to point out a fact that is often not known by the public, and even not known to the physicians. Titanium Dioxide is far to be an ideal sun/uv protectant. Titanium dioxide, is paradoxically, one of the most effective photoxidants that exist on earth. This is largely known in the catalysis field and its photooxidant (therefore putatively carcinogenic properties) properties are used to DESTROY pesticides, pharmaceuticals, even microbes in water to be recycled and other materials. Traditionally, TiO2 has been incorporated into sunscreens, having a particle size that made it impossible to reach “living” epidermis cells, and therefore avoiding any carcinogenic effects. However, TiO2 nanoparticles are much smaller than those used traditionally for TiO2 sunscreens (acting only as a “with wall between the sun and the skin”) and CURRENTLY several commercial sunscreens use nanosized TiO2 (due to the esthetic effect and transparency) that indeed reaches living cells under strateum corneum and that are exposed to light. Therefore such cells, from a purely catalitic point of view, are exposed to reactive oxigen species, and therefore likely to increase the risk of melanoma. I am astonished how many of these new TiO2 nanosized cremes have been approved in the absence of a sufficient scientific demonstration of their safety (at long term, of course). Titanium dioxide protects indeed of melanoma thanks that acts as a “wall” and the sun does not “oxidize” skin living cells AS FAR AS ITS SIZE DO NOT ALLOW IT TO PENETRATE THE SKIN. But, I repeat, is the most effective photooxidant inorganic material, and if in touch with cells a danger for membranes&DNA. Regarding inhalation, the risk is evidently low as far inside the body there is no light, except systemic spread of TiO2 on skin capillars… Any expert on skin cancers/melanoma could comment on this?

#1 |
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