Wie gefährlich sind Nanoteilchen?

Tausende verschiedener Substanzen werden heute in der chemischen Industrie genutzt. Für die meisten sind die teils giftigen Eigenschaften genau bekannt. Doch gelten diese Daten zur Toxizität oft nicht mehr, wenn die gleichen Substanzen als Nanoteilchen vorliegen. Diese Wissenslücke soll nun Stück für Stück geschlossen werden. Nanowissenschaftler um Charles Chusuei von der Middle Tennessee State University in Murfreesboro untersuchten dazu Nanoteilchen aus Metalloxiden, die schon heute für die Produktion von Katalysatoren, Kosmetika, Enzymen oder digitalen Datenträgern verwendet werden. In der Fachzeitschrift „Chemico-Biological Interactions“ stellen die Forscher ihre systematische Analyse vor, mit der sie den teils tödlichen Auswirkungen der Nanoteilchen auf menschliche Lungenzellen auf den Grund gingen.

„Es ist dringend nötig, den möglichen Einfluss von Nanoteilchen auf die Gesundheit und die Umwelt zu untersuchen“, sagt Ko-Autor Yue-Wern Huang von der Missouri University of Science and Technology. Denn schon heute sind über 2800 Produkte bekannt, die auf Nanoteilchen basieren – für 2017 wird der Weltmarkt für diese Produkte auf knapp fünfzig Milliarden Dollar geschätzt. Zusammen mit seinen Forscherkollegen setzte Huang daher lebende Lungenzellen oft verwendeten Nanoteilchen aus. Insgesamt testete er die Wirkung von sieben Metall-Sauerstoff-Verbindungen, von Titandioxid über Eisenoxid bis Zinkoxid. Als normales, grobkörniges Pulver sind alle diese Substanzen weitestgehend unbedenklich, doch als meist kugelförmige Nanoteilchen mit Durchmessern zwischen 16 und 80 Nanometern ändert sich die Situation deutlich.

Gewebeartige Struktur vor dunklem Hintergrund, die punktuell mit andersfarbigen Flecken durchsetzt ist.
Nanoteilchen in Lungenzellen

So starben über 80 Prozent der Zellen in Gegenwart von Nanoteilchen aus Kupfer- und Zinkoxid ab. Etwa die Hälfte der Zellen in den Laborkulturen überlebten bei der Zugabe von Mangan- und Nickeloxid. Als unbedenklich erwiesen sich in diesen Versuchen Metalloxide aus Titan, Chrom und Eisen. Die gesamte Testreihe ergab eine klare Tendenz: Unabhängig von ihrer Größe wirkten die Nanoteilchen mit steigender Ordnungszahl der Metalle umso tödlicher auf die Lungenzellen. Je weiter rechts sich die Metalle der vierten Nebengruppe im Periodensystem der Elemente befinden, desto eher muss mit einer zellgiftigen Wirkung der Nanoteilchen aus den entsprechenden Metalloxiden gerechnet werden.

Auch die Ursachen für diesen Trend konnten die Wissenschaftler in ihrer Studie näher ermitteln. So drangen die Nanoteilchen unterschiedlich gut in die Zellen ein, zerstörten deren Membranen und führten so zum Zelltod. Diese giftigen Auswirkungen hingen direkt mit der elektrischen Oberflächenladung und den verfügbaren Andockstellen der Nanoteilchen zusammen. Zudem spielte das Eindringen von einzelnen Metallionen in die Zellen – Ionen-Dissolution genannt – eine wichtige Rolle.

Diese Studie gibt allerdings nur erste Hinweise auf die giftige Wirkung von Nanoteilchen auf den menschlichen Organismus. Denn aus der Überlebensrate von Zellen in einer Laborkultur, sogenannten in-vitro-Versuchen, kann nur eingeschränkt auf eine Gefährdung für Mensch und Tier geschlossen werden. Aufschlussreicher wären aufwendige Tierversuche (in vivo), die jedoch deutlich länger dauern. Zudem sind sie teurer und nicht unumstritten. Immerhin ließe sich der Umfang solcher in-vivo-Testreihen dank dieser Vorversuche begrenzen. Bis aber eine verlässliche Datenbank zur Giftigkeit aller verwendeten Nanoteilchen vorliegen wird, muss noch mit jahrelanger Forschung gerechnet werden.