Wie kommen Nanopartikel in den menschlichen Körper und was verursachen sie dort?

Institut für Technikfolgen-Abschätzung der
Österreichischen Akademie der Wissenschaften Nr. 003 • Mai 2008
Abbildung 1:
Aufbau der menschlichen Haut1
Haare
Öffnung einer
Schweißdrüse
Blutgefäße
Talgdrüse
Haarmuskel
Nervenfaser
merokrine
Schweißdrüse
Led
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1
Wie kommen Nanopartikel in den
menschlichen Körper und was
verursachen sie dort? M. Simkó*, M. Nentwich, A. Gazsó, U. Fiedeler
Einleitung
Die Nanotechnologie und die mit ihr ver-
bundenen Nanomaterialien werden im Be-
reich der Forschung aber auch schon in vie-
len auf dem Markt erhältlichen Gebrauchs-
gütern eingesetzt. Das heißt, dass die all-
gemeine Bevölkerung bereits mit Nano-
materialien in Kontakt kommt. Es stellt sich
daher die Frage, ob die verwendeten Na-
nomaterialien in den menschlichen Körper
eindringen und ob sie dort gesundheitli-
che Schäden auslösen können. Die mög-
lichen gesundheitlichen Risiken von Nano-
partikeln sind erst wenig erforscht. In ver-
schiedenen Untersuchungen wurde gezeigt,
dass ungebundene Nanopartikel aufgrund
ihrer geringen Größe mit der Atemluft bis
in die feinsten Strukturen der Lunge vordrin-
gen, dort Entzündungsreaktionen verursa-
chen und weiter ins Blut gelangen können.
Über den Blutkreislauf können sich Nano-
partikel im Körper verteilen und in andere
Organe eindringen. Es wurde weiterhin ge-
zeigt, dass bestimmte Nanopartikel von Zel-
len aktiv oder passiv aufgenommen wer-
den, wobei eine schädigende Wirkung nicht
ausgeschlossen werden kann. Dabei ist ih-
re biologische Wirkung nicht nur von der
chemischen Zusammensetzung, sondern
auch von Größe, Form, Oberflächenbe-
schaffenheit, Aggregationszustand und
Oberflächenladung des Nanopartikels ab-
hängig. Das vorliegende Dossier beschäf-
tigt sich mit den möglichen Eintrittspforten
von Nanopartikeln in den menschlichen
Körper und beschreibt einige biologische
Effekte, die Nanopartikel im Körper her-
vorrufen.
Eintrittspforten in den
menschlichen Körper
Nanomaterialien können direkt über die
Körperöffnungen in den Körper aufgenom-
men werden, so z. B. durch Einatmen oder
durch Verschlucken. Darüber hinaus wird
auch diskutiert, dass sie indirekt durch die
Hautporen aufgenommen werden können.
Die menschliche Haut, der Magen-Darm-
Trakt und die Lungen sind immer in direk-
tem Kontakt mit der Umwelt. Während die
Haut als eine Barriere dient, erlauben der
Magen-Darm-Trakt und die Lunge auch den
Transport (passiv und/oder aktiv) der ver-
schiedenen Substanzen wie Wasser, Nähr-
stoffe oder Sauerstoff. Es erscheint wahr-
scheinlich, dass die Aufnahme der Nano-
materialien in den menschlichen Körper
über diese Wege erfolgt. Aufgrund ihrer ge-
ringen Größe sind Nanopartikel in der La-
ge, die Zellmembran zu durchdringen und
so auf subzellulärer Ebene zu agieren. Wie
dies passiert, wird gegenwärtig erforscht.
Die Haut
Die menschliche Haut ist eine echte Bar-
riere zur Umwelt (ausgenommen die Son-
nenstrahlung, die für die Vitamin-D-Pro-
duktion notwendig ist), über die keine es-
sentiellen Elemente aufgenommen werden.
Zusammenfassung
Durch die vielfältigen Anwendungsmög-
lichkeiten von Nanomaterialien kom-
men die Menschen auf unterschiedliche
Weise mit ihnen in Kontakt. Daher ist es
wichtig zu analysieren, inwiefern Nano-
partikel in den menschlichen Körper ein-
dringen und welche gesundheitlichen
Auswirkungen sie dort verursachen kön-
nen. Derzeit verdichten sich die Hinwei-
se darauf, dass die toxische Wirkung von
Nanopartikeln umso größer ist, desto
kleiner sie sind. Neben der Größe sind
auch die Form und die chemische Be-
schaffenheit der Nanomaterialien für ih-
re biologische Wirkung von Bedeutung.
Es ist bekannt, dass Nanopartikel Ent-
zündungsreaktionen in der Lunge ver-
ursachen können und vereinzelt wurde
auch über Lungenfibrosen berichtet. Es
gibt Hinweise darauf, dass Nanoparti-
kel in Gefäßwände eindringen und so-
mit bestimmte Dysfunktionen hervorru-
fen bzw. das Herz-Kreislaufsystem be-
einflussen können. Eine neue Studie zeigt
sogar, dass nadelförmige, asbestfaser-
ähnliche Nanoröhrchen im Tiermodell
chronische Entzündungen auslösen kön-
nen. Nur wenige Daten gibt es über die
Wirkungen im Verdauungstrakt und im
Nervensystem sowie über die Aufnah-
me von Nanopartikeln über die Haut ins
Blut. Daher werden hier die möglichen
Aufnahmewege von Nanopartikeln in
den menschlichen Körper vorgestellt und
die wichtigsten Daten diskutiert.
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* Korrespondenzautorin

Nr. 003 • Mai 2008
Die Fläche der menschlichen Haut beträgt
im Durchschnitt 1,5–2 m2, wobei die erste
Schicht der Haut aus einer relativ dicken
Schicht toter Zellen (so genannte keratini-
sierte Zellschicht, 10 µm) besteht (Abb. 1)1.
Nanopartikel aus Titan- oder Zinkoxiden
werden bereits in großem Umfang in unter-
schiedlichen kosmetischen Pflegeprodukten,
wie etwa in Sonnencremes, als sehr effekti-
ver UV-Absorber eingesetzt. Die Frage stellt
sich, ob diese Produkte bzw. die Nanoma-
terialien die oberen Hautschichten überwin-
den und sie so in das tiefer gelegene Ge-
webe gelangen können. Bisher wurde dies
nicht eindeutig nachgewiesen. Es gibt je-
doch Hinweise, dass sich Teilchen zumindest
in den Hauttaschen von Haarwurzeln, den
so genannten Haarfollikeln, anreichern kön-
nen2. Da während des Haarwachstums die
Haarfollikel geöffnet sind, könnten die Na-
nopartikel in die tiefere Schichten eindrin-
gen. Untersuchungen haben gezeigt, dass
die Bestandteile einmassierter partikelfreier
Lotion nach sieben Tagen wieder vollstän-
dig aus dem Haarfollikel entfernt war, wäh-
rend sich die Zahl der Teilchen aus der par-
tikelhaltigen Lotion nur halbiert hatte3;4. Ei-
ne Aufnahme ins Blut (Translotion) über die
gesunde Haut wurde bislang nicht nachge-
wiesen.
Im Gegensatz dazu wurde in Untersuchun-
gen mit gesunder Haut festgestellt, dass ver-
schiedene so genannte Quantum Dots in die
Haut eindringen können5. (Quantum Dots
werden aus Halbleitermaterial hergestellt
und haben die Eigenschaft, Licht bestimm-
ter Wellenlänge zu absorbieren. Sie finden
Verwendung als Biomarker in den Biowis-
senschaften oder in LEDs und Displays).
Ob eine Partikelaufnahme durch die verletz-
te oder durch die erkrankte Haut (Schuppen-
flechte etc.) anderes verläuft, ist Gegenstand
der laufenden Untersuchungen. Man ist sich
jedoch sicher, dass die Barrierefunktion nicht
mehr gewährleistet ist und so das Eindrin-
gen von Nanopartikel möglich ist6.
Der Verdauungstrakt
Der gesamte Magen-Darm-Trakt ist im en-
gen Kontakt mit allen oral aufgenommen Ma-
terialien. Hier werden alle nötigen Nährstof-
fe für den Körper (ausgenommen Gase) auf-
genommen. Die gesamte Fläche des Ma-
gen-Darm-Traktes ist eine komplexe Barrie-
re – doch es ist die wichtigste Pforte für Ma-
kromoleküle, die in den Körper gelangen
müssen. Vom Magen können nur kleine Mo-
leküle durch das Epithel diffundieren. Das
Epithel des Darmes ist in engem Kontakt mit
dem bereits vorverdauten Material. So kön-
nen Nährstoffe direkt aufgenommen wer-
den. Die Nahrung im Dünndarm ist bereits
verdaut und besteht aus einer Mischung von
Molekülen wie Disacchariden, Peptiden, Fett-
säuren und Monoglyzeriden. Diese werden
in den Darmzotten umgewandelt und dann
resorbiert (Abb. 2)7. Um die Oberfläche des
Epithels zu vergrößern sind die Darmzotten
selbst mit kleineren Zotten (Microvilli) be-
deckt. So entsteht eine Fläche von ca. 200 m2
für die Aufnahme von Nährstoffen im Ma-
gen-Darm-Trakt.
Nanoskalige Strukturen können durch Nah-
rungsmittel, aber auch nach dem Einatmen
über den mukoziliären Rücktransport aus
den Bronchien unbewusst verschluckt wer-
den und so in den Magen-Darm-Trakt ge-
langen. Es wird geschätzt, dass eine Person
täglich durchschnittlich 1012 bis 1014 Nano-
und Mikropartikel oral aufnimmt8, wobei es
sich größtenteils um Silikate und Titandioxid
handelt. So passieren 50 bis 100 nm große
Polystyrolpartikel im Tierversuch die Darm-
wand und gelangen ins Lymphsystem9, wo-
gegen Fullerene eher nicht aufgenommen
werden. Andere Studien zeigen hingegen
keine Aufnahme in das Blutgefäßsystem über
dem Magen-Darm-Trakt10,11. Offensichtlich
besteht kein Konsens darüber, wie sich Na-
nopartikel im Magen-Darm-Trakt verhalten.
Eine Studie untersuchte die Aufnahme von
radioaktiv markierten, intravenös verabreich-
ten Fullerenen im Vergleich zur Aufnahme
durch den Magen-Darm-Trakt von Ratten.
Das oral aufgenommene Material wurde zu
98 % ausgeschieden, während das intrave-
nös verabreichte Material nach einer Woche
zu ca. 80 % in der Leber deponiert war12.
Dies könnte ein Hinweis darauf geben,
dass die Aufnahme von Nanopartikeln über
den Darm eher von geringer Bedeutung ist.
Nur wenige Studien haben sich bisher mit
der Aufnahme und dem Verbleib von Na-
nopartikeln im Magen-Darm-Trakt beschäf-
tigt, daher kann noch keine abschließende
Bewertung erfolgen.
Die Lunge
Die Lunge besteht aus zwei unterschiedli-
chen Funktionsbereichen, nämlich aus den
Atemwegen, wo die Luft in die oder aus der
Lunge transportiert wird, und dem Gasaus-
tauschbereich (Bronchien, Bronchiolen, Al-
veolen), wo Sauerstoff und Kohlendioxyd mit
der Umwelt ausgetauscht wird. Die mensch-
liche Lunge besteht etwa aus 2.300 Kilome-
tern Atemwegen und ca. 300 Million Lun-
genbläschen (Alveolen) (Abb. 3)13. Die Flä-
che der menschlichen Lunge beträgt etwa
140 m2 und bietet somit eine gewaltige Ex-
positionsfläche. Die Atemwege fungieren wie
eine verhältnismäßig robuste Barriere aus
einer aktiven Epithelschicht, welche durch ei-
ne zähflüssige Schleimschicht (Mucus) ge-
schützt wird (Luft-Blut-Gewebeschranke).
Im Gasaustauschbereich ist die Barriere
zwischen der alveolaren Wand und den Ka-
pillaren sehr dünn. Die Luft im Inneren (Lu-
men) der Lungenbläschen ist nur einige Na-
nometer entfernt vom fließenden Blut. In
Tierversuchen wurde gezeigt, dass Nano-
partikel in der Lage sind, diese Luft-Blut-Ge-
webeschranke zu überwinden. Somit kön-
nen Nanomaterialien in den Blutkreislauf
des Körpers transportiert werden14. Durch
die große Oberfläche der Alveolen und den
intensiven Luft-Blut-Kontakt sind die Alveo-
len Umwelteinflüssen gegenüber mehr aus-
gesetzt als die Atemwege. Die Bronchien
sind mit einer Flimmerzellschicht (mukoziliä-
ren Schicht) ausgekleidet, um abgelagerte
Partikel aus der Lunge zu entfernen (muko-
ziliäre Clearance). Mit Hilfe der mukoziliä-
2
Abbildung 2: Aufbau des menschlichen Magen-Darm-Traktes (links Gesamtübersicht,
rechts vergrößerte Ansicht der Darmschleimhaut und der Mikrovilli)7
Blinddarm
Wurmfortsatz(Appendix)
Dickdarm
aufsteigender
Ast
Dickdarm
querverlaufender Ast Magen
Kerckringer-Falten
Zotten Krypten
Mikrovilli
Ringmuskeln
Längsmuskeln
Serosa
Zwölffingerdarm(Duodenum)
Dickdarmabsteigender Ast
Leerdarm(Jejunum)
Krummdarm(Ileum)
M+

Nr. 003 • Mai 2008
ren Clearance werden die meisten entlang
der Bronchien abgelagerten Nanopartikel
beseitigt. Dieser Mechanismus ist umso in-
effektiver, je kleiner die Partikel sind. Das be-
deutet, dass Nanopartikel in die Lungen-
bläschen eindringen, sich auf das Epithel
absetzen und danach eine direkte Wechsel-
wirkung mit den Lungenbläschenepithelien
stattfinden kann. Da in den Alveolen kein
mukoziliärer Clearancemechanismus vor-
handen ist, übernehmen so genannte Fress-
zellen (Makrophagen) die Fremdkörperent-
fernung.
Auch hier spielt die geringe Größe der Par-
tikel eine Schlüsselrolle. Dass die üblichen
Reinigungsmechanismen versagen können,
belegt unter anderem die Beobachtung, dass
unlösliche Nanopartikel in Tierversuchen
über Monate bis Jahre in Bronchien und Al-
veolen deponiert werden15. Höhere Abla-
gerungsraten sind bei Patienten mit chro-
nischer Bronchitis und Asthma bronchiale
beobachtet worden, wobei die verminderte
Clearance und die erhöhte Atemfrequenz
bei diesen Patienten als Ursache diskutiert
wird15,16.
Wie lange die aufgenommenen Nanopar-
tikel im Körper verweilen (Kinetik) ist heute
noch unklar. Manche Untersuchungen deu-
ten darauf hin, dass u. a. nach dem Einat-
men der Nanopartikel diese in die Organe
übertreten können. Es wurde gezeigt, dass
eingeatmete Nanopartikel nach 7 Tagen in
der Leber, Milz, Gehirn, Nieren, Herz und
Knochenmark wiederzufinden sind12,17. Ei-
ne Verstoffwechslung (Metabolisierung) auf-
genommener anorganischer Nanopartikel
(z. B. Titandioxid) erscheint eher unwahr-
scheinlich, während organische Nanoma-
terialien (z. B. Fullerene) eher durch meta-
bolische Prozesse verändert werden können.
Ob die Partikel in den Lymph-/Blutkreislauf
übertreten und sich im Körper verteilen und
eventuell anreichern und ob sie das Herz-
Kreislauf-System beeinflussen, ist Gegen-
stand laufender Untersuchungen.
Ebenso wird erforscht, ob während des At-
mens aufgenommene z. B. über den Riech-
nerv ins Gehirn gelangte Partikel im Gehirn
verbleiben und sich eventuell dort anreichern
können18,19. Es wurde nachgewiesen, dass
Nanopartikel über diesen Weg auch zu den
höheren Gehirnzentren vordringen können
(Cortex, Thalamus und Kleinhirn), wobei das
Elektroenzephalogramm ein verändertes
Muster zeigte.
Auswirkungen im
menschlichen Körper
Tierversuche belegen, dass Entzündungsre-
aktionen in den Bronchien und Alveolen
durch Kohlenstoff-, Polystyrol-, Eisen-, Titan-
dioxid- und Iridiumpartikel in Nanometer-
größe ausgelöst werden können17,20. In Ein-
zelfällen wurden Entzündungsreaktionen
bei beruflich exponierten Personen mit na-
noskalierten Indium-Zink-Oxiden21 und Zir-
konium Partikeln aus Schweißrauch beschrie-
ben22.
Es gibt einige Daten über die Wirkungen von
Nanopartikel, wobei ein enger Zusammen-
hang zwischen Oberflächenbeschaffenheit
und biologischer Wirkung besteht. So wur-
de z. B. gezeigt, dass direkt in die Lunge ver-
abreichtes Titandioxid (bzw. Nickel- und Va-
nadiumdioxidpartikel) mit einer Größe von
20 nm bei Ratten und Mäusen mehr Entzün-
dungsreaktionen verursacht als 250 nm gro-
ße Partikel. Diese und andere Befunde zei-
gen, dass die Oberfläche wichtiger für die
Toxizität ist als die Masse12. Weiterhin sind
neben der Größe der Oberfläche auch die
Oberflächeneigenschaften (z. B. Existenz
reaktiver Gruppen an der Oberfläche) aus-
schlaggebend für die Toxizität. Eine neue Pi-
lotstudie zeigt an einem speziellen Mausmo-
dell, dass intraperitoneal (d. h. über den
vom Bauchfell überzogenen Bereich im Kör-
per) verabreichte, lange (ca. 20 µm), nadel-
förmige Nanoröhrchen chronische Entzün-
dung hervorrufen, während kurze und/oder
gekrümmte Nanoröhrchen keine solche Ef-
fekte induzieren. Da diese aufgrund ihrer
Beschaffenheit (Form, Länge und unlöslich)
ähnlich wie Asbestfasern sind, wurde ein ver-
gleichbarer Wirkmechanismus diskutiert23.
Von erheblichem Interesse ist die Frage nach
einer möglichen krebserzeugenden Wirkung
durch eingeatmeten Nanopartikeln. Es wur-
de gezeigt, dass die Verabreichung hoher
Dosen granulärer und biobeständiger Na-
nostäube (inertes Bulk-Material) an Ratten,
mit einer erhöhten Tumorhäufigkeit verbun-
den war24. Es ist jedoch nicht klar, ob es sich
dabei um einen direkten gentoxischen Effekt
der Nanopartikel handelt oder ob es sich um
sekundäre Folgen handelt, wie die Freiset-
zung freier Radikale, was bei chronischen
Entzündungen der Fall ist. Wie sich geringe
Mengen Nanopartikel beim Menschen ver-
halten und ob sie Krebs induzieren können,
kann noch nicht beantwortet werden. Un-
klarheit herrscht auch darüber, was mit den
aufgenommenen Partikeln passiert. Manche
Partikel werden von Epithelzellen aufgenom-
men (internalisiert), wie es u. a. für nanoska-
liertes Titandioxid, Gold, Polystyrol und Zirko-
nium) beschrieben wurde22,25,26. Das zu-
grundeliegende Erklärungsmodell ist, dass
die freigesetzten freien Radikale möglicher-
weise den so genannten oxidativen Stress
auslösen und die Zellen irreparabel schä-
digen (Zytotoxizität). Andere Autoren disku-
tieren die mögliche Anlagerung der Nano-
partikel direkt an die DNA, was zu einer gen-
toxischen Wirkung führen kann20. Aufgenom-
mene Nanopartikel können aus der Lunge
ins Blut übertreten (translozieren)10,14,27,28,
wobei diese Ergebnisse kontrovers diskutiert
werden. Fest steht, dass die Oberflächen-
beschaffenheit wie Ladungsverhalten oder
Beschichtung der Partikel neben der Größe
die biologische Effektivität beeinflussen kön-
nen12,15.
3
Abbildung 3: Aufbau der menschlichen Lunge (links Gesamtübersicht, rechts vergrößerte
Ansicht der Lungenbläschen13
Kehlkopf
Luftröhre
Schlüsselbein
Brustkorb
Lungenwurzel
Bronchien
Alveolen
Lungenfell
(Pleura visceralis)
Rippenfell
(Pleura parietalis)
CO2-reiches Blut
CO2-armes Blut
Lungen-
bläschen

Nr. 003 • Mai 2008
Anmerkungen und Literaturhinweise
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26 Stone, V., Johnston, H. und Clift, M. J., 2007,
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cology: cellular and molecular interactions,
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trafine carbon particles following whole-body
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28 Nemmar, A., Vanbilloen, H., Hoylaerts, M. F.,
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circulation in hamster, Am J Respir Crit Care
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4
Fazit
Die in die Umwelt gelangten Nanopartikel, wie z. B. Partikel aus Kohlenstoff oder Metall-
oxide mit einem Durchmesser bis zu 100 Nanometer, können biologische Wirkungen aus-
lösen, da sie in Zellen eindringen und deutlich reaktionsfreudiger als größere Partikel sind.
Gleichzeitig verbessern sie Kosmetika, ermöglichen neuartige Beschichtungen (z. B. kratz-
feste Autolacke) und gelten als Kandidaten für neuartige und viel versprechende medizi-
nische Verfahren und Therapien. Um das mit der sich ausweitenden Verbreitung von Na-
nopartikeln einhergehende Risiko effektiv abschätzen zu können, bedarf es unbedingt
weiterer Forschung. Besonders wichtig erscheint dabei die Untersuchung der tatsächli-
chen Exposition verschiedener Personengruppen, wie z. B. KonsumentInnen, beruflich
exponierten Personen und PatientInnen sowohl bei der Herstellung als auch bei der
Anwendung der Nanopartikeln. Außerdem sind die Wirkmechanismen der aufgenom-
menen Materialien zu erforschen, um ihre Wirkung besser abschätzen zu können.
IMPRESSUM:
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der Forschungsergebnisse des Instituts für Technikfolgen-Abschätzung im Rahmen des Projekts NanoTrust.
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gestellt: epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/
NanoTrust-Dossier Nr. 003, Mai 2008: epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/dossier003.pdf
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