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Wirkung von ultrafeinen Teilchen
auf das Herz-Kreislaufsystem
Effect of Ultrafine Particles on the
Cardiovascular System
Institut für Inhalationsbiologie1
Institut für Toxikologie2
in Kooperation mit dem Institut für Chirurgische Forschung3
der Ludwig-Maximilians-Universität München
Aktuelle Themen
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Holger Schulz1, Andreas Stampfl2, Fritz Krombach3
E
pidemiologische Studien zeigen, dass
winzige Staubteilchen in der Umgebungsluft, die von Autoabgasen, aber
auch Heizungen und Fabriken stammen,
unsere Gesundheit – vor allem die HerzKreislauffunktion – beeinträchtigen. Diese
Staubteilchen werden mit der Atmung
aufgenommen und in der Lunge abgelagert.
Für grobe Partikel (größer als 2,5 Mikrometer) besitzt der Mensch mit der Nase und
den großen luftleitenden Atemwegen
(Bronchien) ein effektives Filtersystem, feine
Partikel (0,1 bis 2,5 Mikrometer) werden nur
zu einem geringen Anteil in der Lunge
abgelagert. Ultrafeine Teilchen (kleiner als
0,1 Mikrometer) gelangen jedoch mit der
Atemluft bis in den gasaustauschenden
Bereich der Lunge und werden dort zu
einem erheblichen Anteil abgelagert. Da der
Flüssigkeitsfilm und die Alveolarmembran
der Lunge, die den Luftraum der Lunge
vom Blutsystem trennen, keine komplette
Barriere bilden, können die Teilchen in die
Blutbahn gelangen und alle lebenswichtigen
Organe erreichen. Über die Wirkungsmechanismen dieser Teilchen ist allerdings
noch sehr wenig bekannt.
Um die komplexe Wirkung von ultrafeinen
Staubteilchen zu untersuchen, arbeiten die
GSF-Institute für Epidemiologie, Inhalationsbiologie und Toxikologie sowie das Institut
E
pidemiological studies show that tiny
dust particles in the air – from car
exhaust, heating, and factories –
affect our health, and especially cardiovascular function. These particles are inhaled
and deposited in the lungs. Humans have
effective filter systems in the nose and the
large airways (the bronchi) for large particles (diameter > 2.5 µm), and only a small
fraction of fine particles (0.1 – 2.5 µm) are
deposited in the lungs. However, ultrafine
particles (< 0.1 µm) penetrate to the alveolar region of the lungs, where the majority
are deposited. These particles can penetrate the liquid film and alveolar membrane of
the lung that separate the gaseous region
from the blood system, and thus enter the
bloodstream and reach all the important
organs of the body. Little is known, however, about their actual mechanisms of
action.
The GSF Institutes of Epidemiology,
Inhalation Biology, and Toxicology work
together with the Institute for Surgical
Research of Ludwig Maximilian University
in the GSF project ‘Health Relevance of
Aerosols’ (coordinator Dr. Wolfgang
Kreyling) to investigate the complex effects
of ultrafine particles. The epidemiological
investigations by Dr. Annette Peters’
Research Group ‘Epidemiology of Air
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für Chirurgische Forschung der LudwigMaximilians-Universität im GSF-Projektfeld
„Gesundheitsrelevanz von Aerosolen“
(Koordinator: Dr. Wolfgang Kreyling) zusammen. Die epidemiologischen Untersuchungen der Arbeitsgruppe „Epidemiologie von
Luftschadstoffwirkungen“ von Dr. Annette
Peters, GSF-Institut für Epidemiologie und
anderer Institute, deuten darauf hin, dass
sich bei Patienten mit koronarer Herzerkrankung nach Einatmen ultrafeiner Teilchen die
Schlagadern bei plötzlicher Anstrengung –
im Gegensatz zu gesunden Menschen – nicht
schnell genug erweitern können. Dadurch
wird in solchen Stresssituationen das Herz
nicht ausreichend durchblutet. Dies kann zu
Herzrhythmusstörungen oder Herzinfarkt
führen. Außerdem können durch die ultrafeinen Partikel Blutplättchen aktiviert und
dadurch die Gerinnungsfähigkeit des Blutes
erhöht werden. Das Blut wird zähflüssiger,
und die Gefahr der Bildung von Blutgerinnseln steigt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Partikel die autonome Kontrolle
des Herzens, die u.a. den Herzschlag steuert,
beeinflussen: Der Puls wird beschleunigt,
und das Herz schlägt zu regelmäßig.
Um diese Befunde und mögliche Wirkungsmechanismen experimentell zu erhärten, wurden verschiedene sich ergänzende
Experimente geplant, die das Know-how der
einzelnen Arbeitsgruppen nutzen, die im
Projektfeld den kardiovaskulären Bereich
bearbeiten. Prinzipiell werden drei Wirkmechanismen untersucht: 1) Störung des vegetativen Gleichgewichts zwischen sympathischem und parasympathischem System,
2) Störung der Homöostase und Induktion
einer leichten Entzündung in der Lunge, die
zur Freisetzung von Botenstoffen führt, 3)
direkte Wirkung ultrafeiner Partikel auf andere Organe, nachdem die Partikel in die Blutbahn gelangt sind (siehe Jahresbericht des
Instituts für Inhalationsbiologie, Seite 147).
Anstieg der Herzfrequenz und Verminderung der Frequenzvariabilität
In Inhalationsexperimenten mit Ratten
wurden das Elektrokardiogramm (EKG) und
der Blutdruck erfasst. Als Modellpartikel
wurden Kohlenstoffteilchen verwendet. Es
68 GSF
Pollutant Impacts’ in the GSF Institute of
Epidemiology and by other institutes
indicate that after patients with coronary
heart disease breathe in ultrafine particles,
their arteries cannot expand rapidly enough
in situations of sudden exertion – in
contrast to healthy patients. This means
that in this type of stress situation the blood
supply to the heart is insufficient. This can
lead to heart rhythm defects or a heart
attack. Furthermore, the ultrafine particles
can activate the platelets raising the
coagulability of the blood. The blood becomes more viscous and the danger of
thrombus formation increases. Furthermore,
there is the possibility that the particles
directly affect the autonomous control
system of the heart, which regulates the
heartbeat. The pulse rate rises and the
heart beats too regularly.
In order to confirm these results
and possible mechanisms of action
experimentally, various complementary
experiments were planned using the
know-how of the different research groups
working in the project area of cardiovascular disease. Essentially, three different
mechanisms of action are investigated:
1) perturbations of the vegetative balance,
that is of the sympathetic and parasympathetic systems; 2) disturbances of homeostasis and induction of mild inflammation
in the lung which leads to the release of
messenger substances; and 3) direct effects
of ultrafine particles on other organs after
the particles enter the bloodstream (see
Annual Report of the Institute of Inhalation
Biology, p. 147).
zeigte sich, dass bereits umweltnahe Teilchenkonzentrationen zu einem Anstieg der
Herzfrequenz und einer Verminderung der
Frequenzvariabilität führen (Abb. 1). Ursache ist wahrscheinlich eine Störung des
vegetativen Gleichgewichts über die Aktivierung von Rezeptoren im Atemtrakt. Beide
Kontrollperiode
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Kohlenstaubinhalation
Erholungsperiode
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450
Blutdruck (mm Hg)
*
120
400
100
80
350
0
0
Abb. 1: Effekte von Kohlenstaubinhalation auf
Blutdruck und Herzfrequenz.
Säulendiagramm des diastolischen (blau) und
systolischen Blutdrucks (schwarz) sowie der
Herzfrequenz (rot) gesunder WKY-Ratten (n = 7;
Gewicht: 282g – 445 g) vor, während und nach
einer Kohlenstaubinhalation (Mittelwerte mit
Standardabweichung). Das *-Symbol markiert
eine statistisch signifikante Abweichung vom
Mittelwert der Kontrollperiode bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von < 5%.
Befunde gelten – insbesondere bei Patienten
mit Herzerkrankungen – als Risikofaktoren.
Um die Frage zu beantworten, ob in die
Blutbahn gelangte Partikel direkt auf das
Herz wirken können, wurden Untersuchungen am isolierten Herzen beziehungsweise
an Herzmuskelzellen durchgeführt. Die
Experimente mit isolierten Herzen zeigten
unter dem Einfluss von ultrafeinen Teilchen
ebenfalls eine Zunahme der Herzfrequenz
QRS-Komplex
Abb. 2: EKG eines isoliert perfundierten Meerschweinchenherzens.
Oben: normales EKG mit fester Reihenfolge
P-Welle – QRS-Komplex.
Unten: EKG zwei Stunden nach Perfusion mit
ultrafeinen Teilchen; die P-Welle ist nur noch
unregelmäßig und nicht mehr mit dem QRSKomplex gekoppelt.
und eine Veränderung des EKG. In Abbildung 2 ist die Veränderung einer EKGAbleitung (Ableitung I nach Einthoven)
eines isoliert perfundierten Meerschweinchenherzens zu sehen. Teil A zeigt das EKG
vor einer Perfusion mit ultrafeinen Partikeln,
Teil B das EKG zwei Stunden nach Zugabe
von ultrafeinen Partikeln. Wahrscheinlich
haben die Modellpartikel die Weiterleitung
des Signals des autonomen Erregungszentrums des Herzens gestört und so zu einer
Entkopplung der P-Welle (elektrische Erregung der Herzvorhöfe) von dem QRS-Komplex (elektrische Erregung der Herzkammern) geführt. Ein derartig gestörter Ablauf
der Herzaktion reduziert die Leistung des
Herzens.
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Herzfrequenz (Schläge/min)
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Gestörte Kalzium-Regulation
An einzelnen isolierten, elektrisch stimulierten Herzzellen wurde durch schnelle Fluoreszenzmikroskopie das intrazelluläre frei
verfügbare Kalzium und dessen Regulation
untersucht. Kalzium ist ein wichtiges Ion für
die Herzfunktion. Es reguliert zum einen die
Kontraktionskraft des Herzmuskels und ist
zum anderen für den regelrechten Ablauf
der einzelnen Herzaktionen mit verantwortlich. In der Ruhephase – zwischen den einzelnen Kontraktionen der Herzzelle – beträgt
die freie intrazelluläre Kalzium-Konzentration nur etwa 100 nM. Wenn die Zelle stimuliert wird, steigt normalerweise das freie
Kalzium sehr schnell auf Konzentrationen
von etwa 1300 nM an und sinkt innerhalb
von etwa 300 Millisekunden wieder auf den
Ruhewert ab. Bei Kalzium-Konzentrationen
von über 500 nM kontrahiert sich die Herzmuskelzelle. Die Stärke der Kontraktionskraft wird durch die Höhe der KalziumKonzentration bestimmt. In Gegenwart von
Modellpartikeln verändert sich das KalziumProfil: einerseits nimmt die maximal erreichte Kalzium-Konzentration in der Zelle ab,
andererseits steigt die Konzentration in der
Ruhephase an. Dies bedeutet, dass die
Kontraktionskraft der Zelle und damit die
des Herzens durch die Partikel vermindert
wird. Diese Effekte beruhen wahrscheinlich
auf einer durch die Partikel hervorgerufenen
Verminderung des Einstroms von Kalzium in
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A
B
Freies intrazelluläres Kalzium
Zellkontraktion
200 ms
Reizpuls
C
Kontrolle
Wirkung ultrafeiner Teilchen
200 ms
Abb. 3: Wirkung ultrafeiner Teilchen auf eine
stimulierte Herzzelle.
A: Isolierte, sich kontrahierende Herzmuskelzelle.
Die freie intrazelluläre Kalzium-Konzentration ist
in Fehlfarben dargestellt. Dunkles Blau entspricht
niedriger (ca. 100 nM), Rot hoher Konzentration
(ca. 1200 nM).
B: Zeitverlauf der Kalzium-Konzentration einer
stimulierten, sich kontrahierenden Herzzelle.
C: Ultrafeine Teilchen wirken auf den Kalziumtransienten (Konzentrationsdifferenz zwischen Ruheund Stimulationsphase) und das Kalzium während der Erregungspausen.
die Zelle bei der Erregung und einer reduzierten Elimination von Kalzium in der Ruhephase (Abb. 3).
Ultrafeine Partikel induzieren
Ablagerung von Blutplättchen in
Mikrogefäßen
Mittels intravitaler Fluoreszenzmikroskopie
wurde in der Leber von Mäusen die Interaktion von Thrombozyten mit den die Mikrogefäße auskleidenden Endothelzellen untersucht. Dazu wurden Thrombozyten von
Mäusen isoliert, mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin beladen und zwei Stunden
nach Infusion der ultrafeinen Partikel in die
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15
300
250
* *
200
*
*
10
150
5
100
50
0
0
Kontrolle
UFPs
1x107
UFPs
5x107
UFPs
1x107
+ Tirofiban
Akkumulierte Thrombozyten [1/Azinus]
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Adhärente Thrombozyten [1/mm2]
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Abb. 4: Intraarterielle Applikation von ultrafeinen
Partikeln.
Die intraarterielle Applikation von ultrafeinen
Partikeln (UFPs) in zwei unterschiedlichen Konzentrationen induzierte zwei Stunden nach der
Verabreichung einen signifikanten Anstieg der
Thrombozytenadhärenz beziehungsweise
-akkumulation in post-sinusoidalen Venolen
(weiß) und in Sinusoiden (grau), jedoch keinen
signifikanten Anstieg in den terminalen Arteriolen
(schwarz). Der Anstieg der Thrombozyten-Endothelzell-Interaktion wurde durch eine Blockade
des Rezeptors GPIIb/IIIa mit Tirofiban komplett
verhindert.
Arterien injiziert. Durch Fluoreszenzmikroskopie konnten dann Anlagerungen der
Blutplättchen lokalisiert werden. Zwei Stunden nach Applikation der ultrafeinen Partikel
war die Anlagerung der Blutplättchen in
allen untersuchten Bereichen der Lebermikrogefäße gegenüber der unbehandelten
Kontrollgruppe signifikant erhöht. Durch
Zugabe von Tirofiban, einer Substanz, die
den Glycoprotein-lIb/Illa-Rezeptor inaktiviert,
der für die Bindung von Thrombozyten an
die Endothelzellen mit verantwortlich ist,
wurde die durch ultrafeine Partikel hervorgerufene Adhäsion aufgehoben (Abb. 4).
Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass die
vermehrte Anlagerung der Blutplättchen an
die Endothelzellen nach Zugabe von ultrafeinen Teilchen durch Aktivierung des Glycoprotein-lIb/Illa-Rezeptorkomplexes vermittelt
wird. Durch Analyse der intravaskulären
Ablagerung und Verteilung von Fibrin/
Fibrinogen – einem maßgeblichen Gerinnungsfaktor – konnte gezeigt werden, dass
die Anlagerung der Thrombozyten mit einer
Fibrindeposition assoziiert ist. Unter Normalbedingungen wurde keine intravasale
Deposition beobachtet, nach Zugabe von
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ultrafeinen Partikeln wurde jedoch Fluoreszenz-markiertes Fibrin an der Oberfläche der
Endothelzellen der Mikrogefäße nachgewiesen (Abb. 5). Etwa 80 Prozent der Thrombozyten lagerten sich in Bereichen an, in
denen Fibrin gebunden war. Interessanterweise konnte eine durch ultrafeine Partikel
induzierte Ablagerung von Fibrin nicht nur
in Mikrogefäßen der Leber, sondern auch in
den kleinen Gefäßen des Herzens nachgewiesen werden.
Diese mit Modellpartikeln in umweltrelevanten Konzentrationen erarbeiteten experimentellen Daten stimmen mit epidemiologischen Befunden überein und unterstützen
die eingangs vorgestellten Hypothesen über
Wirkungsmechanismen ultrafeiner Partikel.
Es bleibt jedoch noch zu klären, welche
Stoffe, welche physikalischen und chemischen Eigenschaften und welche Beladung
mit organischen Stoffen und Schwermetallen sich auf das kardiovaskuläre System des
Menschen besonders ungünstig auswirken.
Für diese Arbeiten erhielten Dr. Andrej
Khandoga und Professor Fritz Krombach
vom Institut für Chirurgische Forschung der
Ludwig-Maximilians-Universität München,
Roman Radykewicz und Andreas Stampfl
vom Institut für Toxikologie sowie Dr. Wolfgang Kreyling, Dr. Shinji Takenaka und
Professor Holger Schulz vom Institut für
Inhalationsbiologie den Paula und Richard
von Hertwig-Preis 2004 für interdisziplinäre
Zusammenarbeit.
Aktuelle Themen
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A
B
Abb. 5: Intravitalmikroskopische Aufnahmen
der Leber.
Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe (A) zeigt
sich in Mikrogefäßen bereits zwei Stunden nach
einer intraarteriellen Verabreichung von ultrafeinen Partikeln (B) eine deutliche Deposition von
Fluoreszenzfarbstoff-konjugiertem Fibrin.
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Ausgewählte Veröffentlichungen
Harder, V., Gilmour, P., Lentner, B., Karg, E., Takenaka, S.,
Ziesenis, A., Stampfl, A., Kodavanti, U., Heyder, J.,
Schulz, H.: Cardiovascular responses in unrestrained
WKY rats to inhaled ultrafine carbon particles. Inhal.
Toxicol. 17: 1-14 (2005)
Khandoga, A., Stampfl, A., Takenaka, S., Schulz, H.,
Radykewicz, R., Kreyling, W. G., Krombach, F.: Ultrafine
particle exert prothrombothic but not inflammatory
effects on the hepatic microcirculation in healthy mice in
vivo. Circulation 109: 1320-1325 (2004)
Peters, A., von Klot, S., Heier, M., Trentinaglia, I., Hörmann, A., Wichmann, H. E., Löwel, H. for the Cooperative
Health Research in the Region of Augsburg Study Group.
Exposure to traffic and the onset of myocardial infarction. The New England Journal of Medicine 21: 17211730 (2004)
72 GSF
Schulz, H., Harder, V., Ibald-Mulli, A., Khandoga, A.,
Koenig, W., Krombach, F., Radykewicz, R., Stampfl, A.,
Thorand, B., Peters, A.: Cardiovascular effects of fine and
ultrafine particles. J. Aerosol Med. 18 (2005)
Semmler, M., Seitz, J., Erbe, F., Mayer, P., Heyder, J.,
Oberdörster, G., Kreyling, W. G.: Long-term clearance
kinetics of inhaled ultrafine insoluble iridium particles
from the rat lung including transient translocation into
secondary organs. Inhal. Toxicol. 16: 453-459 (2004)
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