Da die Nanotechnologie sich in immer mehr Bereiche des alltäglichen Lebens hinein ausbreitet, hatte die European Academy For Environmental Medicine (EUROPAEM) am 7. und 8. Mai des Jahres zu dem Internationalen Kongress "Nanotechnologie - Einfluss auf die Gesundheit - Nutzen und Risiko" in die Kolping Akademie Würzburg eingeladen. Die Veranstaltung war mit 14 Referenten aus Italien, dem Vereinigten Königreich, den USA und Deutschland international hochrangig besetzt und setzte sich aus gesundheitspolitischer, ethischer und biomedizinischer Sicht mit dem Thema auseinander. Trotz der Brisanz der Thematik und obwohl wegen des internationalen Publikums eine Simultanübersetzung der Vorträge in Englisch und Französisch angeboten wurde, fand das Event in eher familiärem Rahmen statt, da nur knapp 90 Interessierte den Weg in die unterfränkische Weinmetropole fanden.

Nach Begrüßung des Auditoriums durch Dr. Peter Ohnsorge und dem Verlesen des Grußwortes des Würzburger Oberbürgermeisters Rosenthal eröffnete der ehemalige Staatsekretär und amtierende Vorsitzende der Nano-Kommission der Bundesregierung Wolf-Michael Catenhusen mit seinem Vortrag "Verantwortlicher Umgang mit Nanotechnologien" den Präsentationsreigen und stellte darin die Ergebnisse der Nano-Kommission vor. In der Risikobewertung von Nanopartikeln ist einiges geklärt, aber es bleiben auch noch viele offene Fragen. Während fest an Oberflächen gebundene Partikel z.B. in Geräten als unbedenklich gelten, sieht die Kommission bei Feinstaubbildung noch erhebliche Gefahren. Auch bezüglich inkorporierter Nanoteilchen wie in Implantaten oder Arzneimittel besteht ein nicht unerheblicher Forschungsbedarf.

Einfluss auf die Gesundheit: Nutzen und Risiko

Anschließend berichtete der HNO-Arzt und Nanomediziner Prof. Christoph Alexiou von der Universität Erlangen über die Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie in der Krebstherapie. An Nanopartikel gebundene Medikamente, z.B. Zytostatika, können über Magnetfelder gezielt zu Tumoren gebracht werden und so unter geringen Kollateralschäden eine effektive lokale Chemotherapie in der Onkologie ermöglichen.

In seinem Vortrag ging Prof. Vyvyan Howard von der University of Ulster aus Londonderry, Nordirland, der Frage nach, ob die Nanotechnologie beherrschbar sei. Da die Toxikologie von Nanopartikeln noch weitgehend ungeklärt ist, besteht ein erhöhtes onkogenes Risiko durch Luftverunreinigungen mit PM 0,1 - 0,001. Bei Partikelgrößen im Nanobereich von 1 - 100 nm haben Membranen Schwierigkeiten, solche Teilchen zu erkennen und mittels Phago bzw. Endozytose zu eliminieren. Durch Lunge und Darm eingedrungene Nanopartikel können innere Grenzflächen, auch die Blut-Hirn-Schranke, ohne Probleme passieren. Zu den toxischen Effekten, die von Anlagerungen der Nanopartikel an Makromoleküle ausgelöst werden, zählen Katalyse, Membranstörungen, physikalische Schäden und Chaperoneffekte (= Faltungsstörungen) der Eiweiße. Es sind 42 Krankheiten bekannt, die auf Fehlfaltungen von Proteinen beruhen, darunter Alzheimer, Parkinson, Creutzfeld-Jacobs, Typ II Diabetes, Arteriosklerose u.v.m. Es ist nicht auszuschließen, dass Nanotubes zu einer modernen Büchse der Pandora führen könnten.

Der vierte Beitrag beschäftigte sich mit der integrierten Risikobewertung der Nanotechnologie durch die Weltgesundheitsorganisation WHO. Dr. Marco Martuzzi vom WHO Regionalbüro für Europa in Rom betonte das besondere Augenmerk seiner Behörde auf die Bioakkumulation von Chemikalien und Nanopartikeln. Bezüglich der Risiken der Nanotechnologie besteht ein hoher Grad an Ungewissheit. Politische Entscheidungen werden entweder durch Herabspielen dieser Ungewissheit gerechtfertigt oder durch ihre Überbewertung blockiert. Obwohl das Ausmaß der von Nanopartikeln betroffenen Population unbekannt ist und Nanoteilchen wegen der langen Latenzzeit sowie der breiten Palette möglicher Zielorgane ein großes Potential für gesundheitliche Störungen aufweist, wird das Risiko meist unterschätzt. Nach Meinung der WHO sind weitere Untersuchungen unter genauem Abwägen der Vor- und Nachteile der Nanotechnologie notwendig. Schwerpunkt muss dabei auf die Risikokontrolle gelegt werden.

Die anschließende Kaffeepause konnte vom Publikum zum Besuch von Industrie und Posterausstellung genutzt werden.

Der letzte Vortrag der Vormittagssession beschäftigte sich mit den Ethischen Aspekten der Nanotechnologie, insbesondere mit der Epistemologie der Unsicherheit in der Wissenschaft. Frau Prof. Mariachiara Tallacchini von der juristischen Fakultät der Katholischen Universität Piacenza und der biotechnologischen Fakultät der Universität Mailand folgte in ihren erkenntnistheoretischen Ausführungen im Wesentlichen den Darstellungen ihres Vorredners.

Nach der Mittagspause wurde die Nachmittagssession von Prof. Charles James Kirkpatrick vom Pathologischen Institut der Universität Mainz eröffnet. In seinem Vortrag zeigte er In-vitro-Ansätze von Nanopartikel-Interaktionen mit Zellsystemen auf. Die Exposition gegenüber Nanopartikel (NPs) erfolgt aus zwei Hauptquellen: Umwelteinflüsse (Rauch, Qualm, Staub, Dämpfe, etc.) und therapeutische Maßnahmen. Letztere unterteilen sich in technische Anwendungen und in die eigentliche Nano-Medizin.

Implantate oder medizinische Schlauchsysteme belasten den Organismus eher unabsichtlich durch Abrieb und Korrosion mit NPs. Nanomedizinisch werden hingegen NPs bewusst als Carrier eingesetzt, um etwa Medikamente durch Grenzflächen zu transportieren. Da in der Nano-Medizin Tiermodelle fehlen muss die nanobiologische Invitro-Diagnostik an Gewebs- und Blutkulturen erfolgen. Die beim Kontakt mit NPs ausgelösten Entzündungsreaktionen werden dabei über IL8 und TNF-α-Messungen erfasst. Im Gewebe lagern sich die NPs an Membranen ab, wie der Referent eindrucksvoll mit Fotos belegen konnte, und führen langfristig zu Gewebsfibrosierungen.

Der Kontakt mit NPs verändert auch die elektrischen Membranpotentiale und führt somit zu Funktionsstörungen.

Nanopathologie und Nanosicherheit sind noch weitgehend ungeklärt. Um insbesondere die Frage nach den cancerogenen Risiken der Nanotechnologie beantworten zu können sind noch viele weitere Studien notwendig. Zur Zeit arbeiten nationale und internationale Institute in ganz Europa an dieser Problematik.

Der via Satellit direkt aus der Harvard School of Public Health in Boston zugeschaltete Vortrag von Prof. Andrea Baccarelli beschäftigte sich mit dem Thema: Auswirkung von Nanotechnologie auf die Epigenetik. In dieser noch jungen Disziplin hat sich die Zahl der Publikationen in den letzten 10 Jahren mehr als verzehnfacht. Methylierungen an der DNA oder an den Histonen verhindern die Ablesbarkeit einzelner Gene oder ganzer Gengruppen und somit die Produktion der darin codierten Proteine. Partikel und Nanopartikel führen zur Hypomethylierung der Genstrukturen und erhöhen so das Erkrankungsrisiko z.B. für cardiovaskuläre Ereignisse durch Dieselruß. NPs führen zu Inflammation und verändern die Aktivität von Methyltransferasen. Die dadurch beeinflusste DNA-Methylierung und Histonmodifikation verstärkt das Krankheitsrisiko v.a. für Neoplasien.

Nanotechnologische Anwendung

Aus der eigenen Betroffenheit heraus berichtete der ehemalige Kripobeamte Hans-Joachim Stelting von der Interessengemeinschaft Tonergeschädigter, Hamburg, über Gesundheitsschäden durch Nanopartikel von Tonern. Weltweit sind etwa 1 Milliarde Laserdrucker in Betrieb, die, da sie sämtlich ohne Filtereinrichtung arbeiten, aus den Tonern heraus Partikel an die Atemluft abgeben, deren Größe das gesamte Spektrum zwischen Grob- und Ultrafeinstaub abdecken. Neben der Gefahr, die die Lungengängigkeit der Partikel mit sich bringt, enthalten diese Tonerstäube auch eine Menge toxischer Stoffe wie VOCs, PAKs, Organozinnverbindungen u.v.m. Zu 50% bestehen sie auch aus Metallverbindungen, v.a. aus Eisen, Aluminium und Nickel. Die Feinstaubbelastung mancher Büros übersteigt die zulässigen Grenzwerte von Innenstadtstrassen. Die Partikel führen über Schleimhautirritationen zu Atemwegserkrankungen bis hin zu Asthma und COPD. Bei fortbestehender Exposition breiten sich die Nanopartikel wegen der fehlenden Barrierefunktion der Membranen im gesamten Organismus aus und führen dann zu den bekannten Symptomen umweltbedingter chronischer Multisystemerkrankungen.

Im zweiten Pulsreferat stellte Dr. Lutz Dehne aus der Abteilung Lebensmittelsicherheit des Bundesinstituts für Risikobewertung - BfR Berlin nanotechnische Anwendungen in Nahrungsmitteln und Bedarfsgegenständen vor. NPs werden in Lebensmitteln vor allem zur Verbesserung von Aussehen und Haltbarkeit eingesetzt. Auch zur Ummantelung fettlöslicher Mikronährstoffe zur Erlangung von Wasserlöslichkeit werden NPs eingesetzt. Ein weiteres Einsatzgebiet der NPs sind Lebensmittelkontaktmaterialien wie Verpackungen, Tuben oder Flaschen. Das Einsatzgebiet von NPs im Lebensmittelsektor ist ein Wachstumsmarkt. Bis 2015 werden die Umsätze weltweit die Rekordmarke von jährlich 1 Trillion US$ erreichen.

Nach umfangreicher Diskussion vertagte sich der Kongress. Während eines gemeinsamen Abendessens bestand jedoch weitere Gelegenheit, das Gehörte in persönlichen Gesprächen mit Referenten und Teilnehmern zu vertiefen.

Gesundheitliche Folgen durch Partikel aus alloplastischen Materialien

Die oft undankbare Aufgabe des sonntäglichen Weckrufs erledigte Dr. Eckart Schnakenberg vom Institut für Pharmakogenetik und Genetische Disposition Hannover bravourös mit seiner Darstellung des Einflusses von Partikeln auf Suszeptibilität und Vulnerabilität. Auf Grund spezieller chemischer und physikalischer Reaktionsmuster besitzen technisch erzeugte Nanomaterialien völlig neue Stoffeigenschaften. Synthetische Nanoteilchen umfassen so unterschiedliche Stoffgruppen wie Kohlenstoff-Nanotubes, Metalle, Metalloxide Metallsulfide, Halbleiter oder Polymere. Mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm sind NPs 1000 mal kleiner als ein Menschenhaar und 150.000 mal kleiner als eine menschliche Eizelle. Besonders bedenklich ist, dass bisher für NPs in keinem Anwendungsbereich eine Kennzeichnungspflicht besteht.

Neben der Einsparung von Rohstoffen und dem Einsatz in nanoporösen Membranfiltersystemen ist die therapeutische Nutzung als "nanocargos" für Arzneien wesentlich. Die Risiken der Nanotechnologie liegen weitgehend im Dunkeln, lediglich das Risiko für asbestfaserähnliche pathogene Effekte durch Kohlenstoff-Nanotubes scheint gesichert. Der mögliche Einfluss von NPs auf die Suszeptibilität umfasst das ganze genetische Spektrum vom Genom über Epigenom, Transkriptom und Proteom bis hin zum Metabolom. Nach den Erkenntnissen des Referenten sind NPs in der Lage den Fremdstoffmetabolismus bei den Betroffenen nachhaltig zu stören. Aber auch auf der genetischen Ebene liegen über die Auswirkungen der Nanotechnologie bisher nur unzureichende Kenntnisse vor.

Im folgenden Vortrag setzte sich Dr. Volker von Baehr vom IMD Berlin mit der Inflammation durch allopathische Materialien aus einander und stellte die immunologische und immunotoxische Analytik vor. In der bekannten Klarheit zeigte der Referent spezifische und unspezifische Entzündungsreaktionen des Organismus bei Kontakt mit Partikeln auf.

Die spezifischen Reaktionen sind allergischer Natur, das typische zugehörige Effektorzytokin ist das Interferongamma (IFN-γ). Bei unspezifischer Triggerung erfolgt in der Regel eine Phagozytose durch Gewebsmakrophagen, die dabei typischen Effektorzytokine sind TNF-α und IL1-β. Bei Implantaten kann eine durch den Abrieb freiwerdender NPs ausgelöste Inflammation zur Abstoßung des Materials führen. Bei Highrespondern im Zytokinpolymorphismus besteht ein besonders hohes Risiko für einen solchen Implantatverlust.

Phagozytierte Partikel stören die Zellfunktion bis hin zur Apoptose. Im Endothel führen sie zur Expression von Adhäsionsmolekülen (z.B. ICAM-1) und fördern so über die Lipidperoxidation die Bildung atheromatöser Plaques. Der intrazelluläre Spiegel von reduziertem Glutathion und von ATP wird reduziert.

Der diagnostische Nachweis von Belastungen mit Metallpartikeln ist noch im Aufbau begriffen. Effektorzelltypisierung, Titanstimulationstest und Zytokinpolymorphismus bieten gute Ansätze in der Analytik. Auch der Serumspiegel von ICAM-1 sowie intrazelluläres Glutathion und intrazelluläres ATP bieten indirekte Hinweise.

PD Dr. Bernd Baumann von der Schön-Klinik in München berichtete in einer weiteren Präsentation über die Effekte von Abriebpartikeln in der chirurgischen alloplastischen Versorgung.

Die Lebensdauer von Endoprothesen (TEPs) wird von osteolytischen Prozessen begrenzt, die im Regelfall über eine durch Abriebpartikel ausgelöste Entzündung zur Lockerung und somit zum Versagen der TEP führt. Diese periartikuläre Inflammation ist TNF-α getriggert. Zentrale Bedeutung hat auch hier die Aktivität von NF-κB. RANKL (= receptor activator of NF-κB ligand) und RANK (= receptor activator of NF-κB) initiieren dann über die Osteoklastenaktivierung die Osteolyse. Die Problematik korreliert mit dem Ausmaß des Abriebs. Die geringsten Abriebraten weisen dabei Metall/Metall- und Keramik/Keramik-Prothesen auf. Kunststoffabriebe sind Partikel im Mikrometerbereich, Metallabriebe sind echte NPs. Hinsichtlich der Bioaktivität der Abriebpartikel besteht erheblicher Forschungsbedarf. Therapieansätze bestehen in der Entzündungshemmung mit Antiphlogistika oder Biologicals.

Die umweltzahnmedizinischen Aspekte von Partikel induzierter Inflammation stellte ZA Lutz Höhne aus Dirmstein dar. Leider erfüllen die in die Mundhöhle eingebrachten Stoffe nicht immer die in sie gesetzte Hoffnung auf die "Intelligenz des Materials" bezüglich ihrer positiven Eigenschaften. Da dental häufig gleichzeitig unterschiedliche Materialien benützt werden, kommt es auch hier zu chronischen Entzündungen. Auch bei den ca. 1 Mio. jährlich in deutsche Kieferknochen installierten Titanimplantaten kommt es zu Abrieben mit den bekannten Folgen von Osteitis bis Osteolyse. Auch bei Wurzelfüll- und Knochenersatzmaterialien treten Partikel induzierte Inflammationen auf. Neben den lokalen Problemen gelangen Korrosionsprodukte und Abriebe von Kronen als NPs in den Magen-Darm-Trakt und können dort inflammatorische Reaktionen im Sinne eines Leaky-Gut-Syndroms auslösen.

Den Abschlussvortrag hielt in gewohnt brillanter Weise Dr. Kurt E. Müller aus Kempten zum Thema: Partikel verursachte Erkrankungen.

Dr. Müller strich heraus, dass der menschliche Organismus zur Bewältigung neuer Herausforderungen auf Strategien zurückgreifen muss, die er entwicklungsgeschichtlich in der Abwehr von Infektionskeimen gelernt hat. Vergleicht man die Größenordnung verschiedener Umweltbelastungen, so erstaunt, dass selbst Zigarettenrauch und Küchendunst das ganze Spektrum von PM10 bis PM0,1, also auch den Nanobereich abdecken. Bakterien haben Partikelgröße, Viren sind NPs.

Ultrafeine Partikel lösen in den Alveolen drei verschiedene Effekte aus: Inflammation durch Aktivierung der 5-Lipoxigenase, Antiinflammation durch Aktivierung der Cyclooxigenasen und Oxydation durch Bildung freier Radikale (ROS). Welcher dieser Pfade eingeschlagen wird, hängt von der Partikelgröße und der Partikelmenge ab.

Titan z.B. kann in der Peripherie das proentzündliche IL1-β stimulieren, das aber normalerweise nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Die neuronale Stimulation des Sympathikus führt aber sekundär zur Aktivierung von IL1-β im ZNS und damit zur Aktivierung von COX und IL1-β-Rezeptoren. Ein Trigger muss also nicht zwangsläufig ins ZNS eindringen um zentralnervöse Effekte auszulösen. Dies ist besonders in Hinblick auf die Diagnose einer Neuroborreliose von Bedeutung, da somit typische Symptome nicht obligat von einer positiven AK-AG-Reaktion im Liquor begleitet sein müssen.

Zu den diagnostischen Möglichkeiten bei Partikelbelastungen zählte der Referent LTT, Effektorzytokine, Genetischer Zytokinpolymorphismus und Auto-Antikörper-Bestimmungen. Ergänzt werden kann diese Diagnostik durch Untersuchungen genetischer Polymorphismen im Fremdstoffmetabolismus sowie des nitrosativen und des neuroendokrinem Stresses.

Die Therapie umfasst Entgiftungsmaßnahmen, Regulation des Energiehaushaltes, Entzündungshemmung, Regulierung der neuroendokrinen Stressachse sowie Steigerung von Hirnleistung und Koordination.

Nach diesem Parforceritt durch die verschiedenen Aspekte des Einflusses von Partikeln und Nanopartikeln auf die menschliche Gesundheit wurden die noch anstehenden Fragen in einer breit angelegten Diskussion des Plenums mit den Referenten aufgearbeitet. Die einhellige Meinung der meisten Kollegen war, einem exzellenten und runden Kongress erlebt zu haben und mit einer wichtigen Take-Home-Massage nach Hause zufahren.

Fazit

Trotz des inzwischen weitgefächerten Einsatzes der Nanotechnologie in Technik und Medizin, besteht bezüglich des Risikopotentials in den verschiedensten Anwendungsbereichen noch ein enormer Forschungsbedarf. Die Referenten konnten auf diesem internationalen Kongress die Gefahrenstellen der diskutierten Technologie aus verschiedenen Blickwinkeln detailliert darstellen. Mir als Teil des Auditoriums bleibt einerseits nur, den Veranstaltern und den Referenten für ihre exzellente Arbeit zu danken und andererseits meinem Bedauern darüber Ausdruck zu verleihen, dass nicht mehr meiner Kollegen die Gelegenheit ergriffen haben, sich so fachkompetent und kompakt weiterbilden zu lassen. Ich hoffe, dass EUROPAEM trotz der geringen Teilnehmerzahl auch weiterhin solche Kongresse und Workshops anbieten wird.

PS: Im Vorfeld fand am Freitag dem 06.05.2011 ein Workshop zum Thema "Europäische Netzwerkbildung" statt. In zwei parallelen Gruppen wurden Strategien erörtert, um zwischen Selbsthilfegruppen bzw. der Gruppe der Baubiologen auf europäischer Ebene jeweils ein Netzwerk zur Betreuung von Umwelterkrankten aufzubauen.

Kontakt:
Dr. med. Hans-Peter Donate
Facharzt für Allgemeinmedizin-Umweltmedizin-
Stellvertretender Vorsitzender des dbu
Leiter Borreliosezentrum Bayerischer Wald
Leiter Umweltmedizin INUS-Medical Center Furth im Wald
Obere Arndorfer Str. 12
93444 Bad Kötzting
E-Mail: peter.donate@inus.de

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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. 1: Entspannte Atmosphäre vor der Diskussion: Prof. Mariachiara Tallacchini, Wolf Michael Catenhusen, Prof. Charles Vyvyan Howard, Prof. Dr. med. Christoph Alexiou, Dr. Marco Martuzzi

Abb. 2: Hans-Joachim Stelting (Vorsitzender von nano control) stellte das beste Poster