HTBLVA Dornbirn. Höhere Lehranstalt für Chemieingenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Chemische Betriebs- und Umwelttechnik DIPLOMARBEIT

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1 HTBLVA Dornbirn Höhere Lehranstalt für Chemieingenieurwesen Ausbildungsschwerpunkt Chemische Betriebs- und Umwelttechnik DIPLOMARBEIT Tierversuchsfreie Prüfung der Hautkorrosivität bei stark sauren und alkalischen Chemikalien In Zusammenarbeit mit RALA Hygiene, Schlins SONAL Waschmittel, Dornbirn Institut für Umwelt und Lebensmittelsicherheit des Landes Vorarlberg, Bregenz Durchgeführt im Schuljahr 2007/08 von Mirjam Gabler 5aCB Sabrina Großsteiner 5aCB Deniza Mujic 5aCB Betreuer/Betreuerin Eugen Anwander Barbara Griehser Dornbirn, am 30. April 2008

2 Teile dieser Diplomarbeit wurden als Projekt J beim Wettbewerb Jugend Innovativ in der Kategorie Science im Schuljahr 2007/2008 unter dem Titel OHNE TIERLEID: Wie ätzend sind Chemikalien? (siehe dazu die Darstellung der Titelseite des Projektberichtes auf der Folgeseite) mit dem 5. Preis prämiert. 2 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

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4 Zusammenfassung In Österreich sind Händler und Importeure dazu verpflichtet ihre Chemikalien mit deren gefährlichen Eigenschaften zu kennzeichnen.um im Speziellen die Einstufung als ätzend und reizend zu erhalten, gelangten bis jetzt großteils nur Tierversuche oder Berechnungsverfahren zum Einsatz. Diese Methoden beinhalten zahlreiche Nachteile, weswegen in der Arbeit von J.R. Young 1988 eine neuartige Methode entwickelt wurde: Er nutzte den ph-wert und die Pufferkapazität der Chemikalie und entwickelte damit Formeln aus denen die Einstufung als ätzend, reizend oder unbedenklich auf die Haut ermittelt werden konnte. Die Firmen Rala und SONAL und das Institut für Umwelt und Lebensmittelsicherheit des Landes Vorarlberg schlugen uns als Diplomarbeit vor, diese Methode zu erproben und sie dann mit den bereits vorhandenen Einstufungen der Reinigungsmittel-Produkte der Firmen zu vergleichen und daraus eine genaue Laborvorschrift zu entwickeln, welche es möglich machen soll, diese Methode in jedem Standard-Labor anzuwenden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das klassische Berechnungsverfahren die Chemikalien immer gefährlicher Einstuft, als sie wirklich sind. Die Einstufungsmethode nach J.R. Young ergibt darum in den meisten Fällen ein genaueres Ergebnis als die Berechnungsverfahren und ergibt daher ein zu den Tierversuchen gleichwertigeres Ergebnis. Abstract In Austria traders and importers are obliged to classify their chemicals and to describe their dangerous properties. To classify a chemical as corrosive or irritant animal tests or a calculation method can be used. These two are the two mostly used methods, but show many disadvantages. This is why the publication of J.R. Young developed a new method in 1988: He connected the ph-value with the acidic or alkali reserve of a chemical and developed a formula, so that the classification as corrosive, irritant or non-dangerous for the skin can be deduced. The producers Rala and SONAL and the Institute for Environment and Food Safety of Vorarlberg have asked us to test this method and later on to compare it with classifications of cleaning agents of the companies. We have written a detailed laboratory operation procedure, which should make it possible to use this method in every standard laboratory. The results demonstrate that the classical calculation method classifies the chemicals as more dangerous than they really are. In most cases the classificationmethod of J.R. Young figures a more exact result than the calculation-method and is therefore quite equal to the methods using animal tests. 4 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

5 Danksagung Tierversuchsfreie Prüfung der Hautkorrosivität bei stark sauren und alkalischen Chemikalien Als erstes möchten wir uns bei unseren Betreuern Herr Prof. Dr. Eugen Anwander und Frau Prof. Mag. Barbara Griehser bedanken die uns dieses Projekt ermöglichten. Sie zeigten selbst großes Interesse und waren uns eine große Unterstützung, denn Herr Anwander und Frau Griehser waren immer sehr angagiert. Unsere Betreuer haben sich immer die Zeit dafür genommen uns bei unseren Fragen und Problemen zu helfen. Weiters möchten wir uns beim Umweltinstitut des Lands Vorarlbergs bedanken, weil sie es uns ermöglichten die praktischen Arbeiten dort durchzuführen. Die Chemikalien die wir für unser Projekt benötigten, bekamen wir von ihnen zur Verfügung gestellt. Bei der HTL-Dornbirn möchten wir uns ebenfalls bedanken, weil die Schule uns die Möglichkeit geboten hat eine Diplomarbeit durchzuführen und da wir in den Labors ebenfalls praktische Arbeiten durchführen konnten. Auch die Mitarbeiter des Umweltinstitutes waren sehr freundlich und immer für unsere Fragen da. Wir bedanken uns speziell bei Herrn Dr. Christoph Scheffknecht und Frau Monika Schmieder. Unser Projekt haben wir in Zusammenarbeit mit der Firma Rala Hygiene (Schlins) und der Firma SONAL Waschmittel (Dornbirn) durchgeführt. Diese zwei Firmen haben uns Wasch- und Reinigungsmittel zu Verfügung gestellt und uns somit die Möglichkeit gegeben, mit realen Proben zu arbeiten. Wir bedanken uns bei unserem Betreuer Herrn Dr. Klaus Ritter seitens der Firma Rala Hygiene und Herrn Wolfgang Winter seitens der Firma SONAL Waschmittel. Bei unserer Deutsch-Professorin möchten wir uns für die mühevolle Textkorrektur bedanken. Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 5

6 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Theorie Biologie der Haut Histologie und Dermatologie Epithelgewebe Die Haut Aufbau von Membranen Korrosionswirkungen auf die Haut Wirkung auf die Haut Gefahreneinstufung von Chemikalien für Hautätzend Rechtliche Instrumente Ermittlung von Daten, Prüfung Bewertung der Gefahren, Einstufung Berechnungsverfahren Zukünftiges Einstufungsschema GHS Prüfmethoden zur Gefahreneinstufung Hautätzend Tierversuche In-vitro-Test Gefahreneinstufung nach J.R. Young Messmethodik Berechnung Erläuterung/Interpretation der Daten ph-messung ph-wert ph-wert-messung: Steigung des elektrochemischen Messsignals Asymmetrie des elektrochemischen Messsignals Kalibrierung Säure-Base-Titration/Pufferkapazität Praktische Arbeiten Methode, Geräte- und Chemikalienauswahl Anwendung der optimierten Chemikalieneinstufungsmethode nach J.R. Young Ergebnisvergleich mit Daten von J.R. Young et al Ergebnisvergleich mit Literaturgrenzwerten 46 6 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

7 3.2.3 Ergebnisvergleich mit den Einstufungen der Wasch-/Reinigungsmittel Versuch der Vereinfachung der Methode Automatisierung der Methode (Autotitrator) Ersatz der ph-elektrode durch Indikatoren Erstellen eines SOP-Dokument Ergebnisse Validierung der ph-messung Validierung der titrimetischen Ermittlung der Pufferkapazität Ergebnisvergleich mit Daten von J.R. Young et al Ergebnisvergleich mit den Literaturgrenzwerten Ergebnisvergleich mit den Einstufungen der Wasch-/ Reinigungsmittel Projektablauf Literaturverzeichnis Anhang Projekttagebuch Messdaten Tabellen SOP-Dokument mit Anhängen 96 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 7

8 Firmen und Institution RALA Hygiene Die Firma Rala ist Produzent von Wasch- und Reinigungsmittel-Bedarf und stellte uns eine Vielzahl von Reinigungsmittel zur Verfügung. Firmensitz: Schlins, Vorarlberg Betreuer: Dr. Klaus Ritter Firma SONAL Waschmittel Die Firma SONAL besteht nur aus wenigen Mitarbeitern und produziert ebenfalls Wasch- und Reinigungsmittel im geringen Ausmaß. Auch sie hat uns ihre Produkte zur Verfügung gestellt. Firmensitz: Dornbirn, Vorarlberg Betreuer: Wolfgang Winter Institut für Umwelt und Lebensmittelsicherheit Das Umweltinstitut hat folgende Tätigkeiten: Beobachtung des Zustandes der Umweltmedien(Luft, Wasser, Boden), Lebensmittelkontrolle, Umweltschutz, Durchführung chemisch-physikalischer und biologischer Untersuchungen mit Labor- und Messeinrichtungen, Beratung und Unterstützung der Landesregierung etc. Sitz: Bregenz, Vorarlberg Betreuer: Dr. Christoph Scheffknecht, Monika Schmieder 8 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

9 EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche erkenntlich gemacht habe. Dornbirn, am... Verfasserin: Mirjam Gabler Unterschrift Dornbirn, am... Verfasserin: Sabrina Großsteiner Unterschrift Dornbirn, am... Verfasserin: Deniza Mujic Unterschrift Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 9

10 1. Einleitung Problemstellung: Die Beurteilung gesundheitsschädigender Eigenschaften von Chemikalien ohne Anwendung von Tierversuchen ist während der letzten 25 Jahre ausschließlich in Form einer näherungsweisen Berechnung auf Basis der Stoffzusammensetzung erfolgt. Für die hautätzende Wirkung von stark sauer oder alkalisch reagierenden Chemikalien soll nun statt der herkömmlichen Berechnungsmethodik ein Laborschnelltestverfahren zur Anwendung gelangen, das die Ätzwirkung besser wiederzugeben imstande ist. Ein solches Verfahren hat der Wissenschaftler J.R. Young 1988 veröffentlicht. Für dieses Laborverfahren ist jedoch keine Normierung erfolgt und es gibt auch keine detailliert ausgearbeiteten Laborarbeitsvorschriften für die erforderliche ph-messung und Titrimetrie. Die Zielsetzung, der Ablauf, die Ergebnisse und die Verwertbarkeit dieser Diplomarbeit ergeben sich daher wie folgt.: Zielsetzung: Erprobung der erforderlichen Analysenmethoden (ph-messung, Titrimetrie) Dokumentation der erarbeiteten Laborarbeitsvorschriften (SOP) zur Beurteilung der Hautkorrosivität Anwendung der Methoden auf Produkte von Vorarlberger Reinigungsmittelherstellern Vergleich der Ergebnisse mit den Daten aus herkömmlichen Beurteilungsmethoden. Ablauf: Literaturrecherche (Ätzwirkung, Testmethoden, Analysenvorschriften) Implementierung und Erprobung der Analysenmethoden Dokumentation der Laborarbeitsvorschrift (SOP) Analytik und Beurteilung bei Herstellerproben Schriftliche Dokumentation in der Diplomarbeit Ergebnis: Praxiserfahrung mit der Labormethode bei realen Proben Laborarbeitsvorschrift (SOP) Vergleich herkömmlich berechneter und labortechnisch ermittelter Hautkorrosivitäten bei verschiedenen Herstellerprodukten Verwertbarkeit: praxistaugliche Laborarbeitsvorschrift zur Testung der hautätzenden Wirkung von Produkten Erfahrungen zur Vergleichbarkeit herkömmlich berechneter und labortechnisch ermittelter Hautkorrosivitäten auf Basis ausgetesteter Produkte 10 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

11 2. Theorie 2.1 Biologie der Haut Literatur: Eckert R et al., 2000, Fuhrmann G.F,2006 Heinzellert T.Carl M. Büsing, 2001 Lüllmann-Rauch R., 2006 Wachter F., Zum Verständnis der hautkorrosiven Wirkung von Chemikalien ist es notwendig, die biologischen Strukturen der Haut zu beschreiben (Zellen, Membranen, Gewebe, Funktionen wie z.b. der Transport, etc.) Histologie und Dermatologie Epithelgewebe Das Epithel ist die Gewebeschicht, die äußere und innere Oberflächen des Körpers oder von Hohlorganen beim Menschen bedeckt (Ausnahme: Gelenkkapsel und Schleimbeutel). Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Oberflächenepithel, Drüsenepithel, Sinnesepithel und Flimmerepithel. Abb.1: Klassifizierung von Oberflächenepithelien Quelle: Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 11

12 Oberflächenepithel Die Klassifizierung des Oberflächenepithels erfolgt über die Zahl der Zellschichten und ihrer Anordnung. Es wird daher zwischen einschichtigen und mehrschichtigen Epithelien unterschieden: A. Einschichtige Epithelien Die einschichtigen Epithelien liegen auf der Basalmembran. Dies ist eine Art Teppich aus Extrazellulärmaterial (Lüllmann-Rauch 2006, S. 94), die sie vom darunterliegenden Bindegewebe trennt. Sie haben direkten Kontakt zur Umgebung und erfüllen daher auch eine Schutzfunktion vor physikalischen, chemischen und mikrobiellen Stoffen.Sie bieten eine Diffusionsbarriere, haben aber auch z.b. die Aufnahme von Nährstoffen in das Blut zur Aufgabe. Die Zellen des einschichtigen Epithels sind ohne Zwischenräume aneinander angeordnet. Bei den einfachen Epithelien gelangt jede Zelle an die Oberfläche, nicht so wie bei den mehrreihigen. Abb.2: Formen von Ekpithelien Quelle: Mehrschichtige Epithelien Bei einem mehrschichtigen Epithel sind die Zellen in mehreren Schichten übereinander gelagert. Das Plattenepithel kann in einer verhornten oder einer unverhornten Form vorliegen. Das unverhornte mehrschichtige Plattenepithel tritt an Stellen, wie z.b. der Mundhöhle auf, das verhornte in der Haut. 12 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

13 Das mehrschichtige verhornte Plattenepithel muss auch die Funktionen einer Diffusionsbarriere erfüllen. Dies gelingt über den Lipidverschluss und die tight junction. - Lipidverschluss: Versiegelung der Interzellulärspalten mittels polarer Lipide (Lüllmann-Rauch, 2006, S. 102) - Tight junction: das sind schmale Bänder aus Membranproteinen, die mit den Bändern der Nachbarzellen eng in Verbindung stehen. Auf diese Weise schließen sie den Zellzwischenraum und bilden die Diffusionsbarriere, die den Fluss von Molekülen über das Epithel kontrolliert. Außerdem haben sie die Aufrechterhaltung der Polarität der Epithelzellen zur Aufgaben (Wikipedia, ). Der Zellumsatz des Oberflächenepithels wird über Zellvermehrung, Zelldifferenzierung und programmierten Zelltod (Apotose) reguliert. Dies führt zu einer ständigen Erneuerung der Zellen. Das prismatische Epithel tritt z.b. an Stellen der Nierenpapillen auf. Es hat die Funktion ungeregelten, hohen Wasserverlust zu vermeiden. Das prismatische Epithel tritt auch in einschichtigen Epithelien auf. B. Mehrschichtiges verhorntes Plattenepithel Die Hauptaufgabe des verhornten Plattenepithels der Haut besteht darin mechanischen, physikalischen (z.b. Strahlung) und chemischen Schutz zu bieten. Zusätzlich soll es die Wasserverdunstung der Haut verringern. Diese Epithelzellen werden als Keratinozyten bezeichnet. Sie werden durch Desmosome (Haftverbindungen zwischen benachbarter Zellen des Plattenepithels) verbunden. Das mehrschichtige verhornte Plattenepithel besteht aus fünf Schichten, die über einer Basalmembran angeordnet sind: Basalschicht (Stratum basale) Stachelzellschicht (Stratum spinosum) Körnerschicht (Stratum granulosum) Glanzschicht (Stratum lucidum) Hornschicht (Stratum corneum) Abb.3: Schematische Darstellung der fünf Schichten der Epidermis und der Basalschicht Quelle: Die Zellen der Schichten durchlaufen eine Reifung (Differenzierung) auf ihrem Weg zur Oberfläche. Direkt über der Basalmembran sind zylindrische Zellen, je näher sie der Oberfläche kommen, umso flacher werden sie. Basalschicht (Stratum basale). Die Basalschicht ist die unterste Schicht des mehrschichtig verhornten Plattenepithels und sitzt direkt auf der Basalmembran. Die Basalzelle wird auch als Mutterzelle der Oberhaut bezeichnet, da sie für die Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 13

14 kontinuierliche Erneuerung der Haut durch Zellteilung sorgt. Die Tochterzellen werden durch die dauerhaft starke Zellteilung weiter zur Oberfläche gedrückt. Auf ihrem Weg dorthin durchlaufen sie mehrere Entwicklungsstadien. Stachelzellschicht (Stratum spinosum). Sie ist die Folgeschicht der Basalschicht. In dieser Schicht werden die sogenannten Keratinozyten sichtbar. Sie enthalten die scheibenförmig angeordneten Doppellipidmembranen. Diese sind die Vorläufer der Lipide der Hornschicht. Körnerschicht (Stratum granulosum). In dieser Schicht beginnt die Verhornung der Keratinozyten. Die Anwesenheit eines Gemisches aus kleinen Proteineinheiten (Keratohyalingranula), die wie kleine Körnchen aussehen, gab dieser Schicht ihren Namen. Glanzschicht (Stratum lucidum). Die Zellen dieser Schicht sind bereits sehr abgeplattet und liegen sehr dicht beieinander. Daher sind sie auch sehr stark lichtbrechend. Hornschicht (Stratum corneum). Die Stratum corneum ist die oberste Schicht. Zwischen den Zellen befinden sich hier die epidermalen Lipide. Die Hornschicht besteht aus kernlosen, nicht mehr vitalen Hornzellen, die die eigentliche Schutzbarriere gegen exogene Einwirkungen/Faktoren der Haut bilden. 14 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

15 Die Haut Die Haut ist aus der Epidermis (Oberhaut), Dermis (Lederhaut) und der Subkutis (Unterhaut) aufgebaut. Die Epidermis und die Dermis bilden zusammen die Kutis. Abb.4: Hautmodell mit den drei Schichten Quelle: A. Epidermis (Oberhaut) Die Epidermis, als äußerster Teil der Haut, erfüllt wichtige Aufgaben, wie den Schutz vor Verdunstung und den Schutz vor äußeren Einwirkungen. Die Epidermis besteht aus dem mehrschichtigen verhornten Plattenepithel. Die oberste Schicht bildet die Hornschicht, deren Hornzellen sind das eigentliche Ziel der Differenzierung (und nicht etwa das Abfallprodukt), da sie aus nicht mehr intakten Zellen bestehen und daher die Schutzfunktion erfüllen und damit die mechanische und chemische Widerstandsfähigkeit aufrecht erhalten. Die Hornschicht schützt außerdem, dank des chemisch widerstandsfähigen Keratin in den Hornzellen, gegen Säuren, allerdings nicht so sehr gegen Laugen (siehe Korrosionswirkungen auf die Haut). Neben den Keratinozyten besteht die Epidermis aus Melanozyten, Langerhans schen Zellen und Merkel-Zellen. Melanozyten befinden sich in der Basalschicht und sind verantwortlich für die Entwicklung des Melanin. Das Melanin liegt kugelförmig vor und befindet sich um Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 15

16 den Zellkern. Es ist ein Schutz gegen UV-Strahlung. Es wird jedoch in den oberen Lagen des mehrschichtigen verhornten Plattenepithel abgebaut. Langerhans sche Zellen befinden sich in der Stachelzellschicht. Ihre Aufgabe ist die Erkennung von Antigenen, die in die Haut von Außen eingedrungen sind. Merkel-Zellen liegen unter der Basalschicht und sind sehr empfindliche Zellen, da sie Kontakt zu den Nervenzellen haben. B. Dermis (Lederhaut) Bei der Dermis unterscheidet man zwei Etagen, die papilläre Dermis und die retikuläre Dermis. Papilläre Dermis. Sie besteht aus Kollagen (elastische Fasern) und u.a. Zellen der Abwehr, aber auch gewebebildende Zellen. Jede Papille besitzt Nervenbindungen, welche Schmerz- und Juckempfindungen vermitteln. Sogenannte Mastzellen schütten Histamin und andere Wirkstoffe aus und diese sind dann verantwortlich für akute Entzündungsreaktionen. Retikuläre Dermis. Ist ein geflechtartiges Bindegewebe das zwar reißfest ist, aber reversibel dehnbar. Die Dehnbarkeit wird auf seine elastischen Fasern rückgeführt. Diese Dermis ist von Blutkapillaren durchzogen und bildet den Ursprung von Talgund Schweißdrüsen. C. Subkutis (Unterhaut) Durch die Subkutis verlaufen die Blutgefäße und Nervenbahnen. Sie besteht aus einem lockeren Bindegewebe und Agglomerationen von Fettgewebe, deren Menge je nach Region variiert. Das Fett dient, ebenfalls je nach Region, als Druckpolster (z.b. Fußsohle) oder als Energiespeicher und Wärmeisolator. Bei einem zu großen Anteil an Fettgewebe im Köper kann die Beweglichkeit der Haut, und damit ihre Verschiebbarkeit, beeinflusst werden. In verschiebbare und lockere Subkutis ist die Verbreitung von Flüssigkeiten sehr einfach (Gefahr der Ödembildung) Aufbau von Membranen und Transport Zellen sind an ihrer Oberfläche von Plasmamembranen umhüllt. Das sind außerordentlich dünne, komplex aufgebaute und lipidhaltige Strukturen, die das Cytoplasma mit den Organellen nach außen hin begrenzen. Primär sind Membranen Diffusionsbarrieren. Die Kommunikation mit dem Extrazellularraum und mit anderen Zellen wird durch Membranproteine, die einen Signalfluss über die Plasmamembran ermöglichen, vermittelt. 16 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

17 A. Membranzusammensetzung Alle biologischen Membranen besitzen als Grundstruktur eine Lipiddoppelschicht, die für die meisten wasserlöslichen und polaren Moleküle praktisch undurchlässig (impermeabel) ist. Die Doppelschichtstruktur der Membranen beruht auf den chemischen Eigenschaften der Lipide, von denen drei Klassen unterschieden werden: Glycerophosphatide, gekennzeichnet durch ein Glycerol Molekül als zentralen Baustein, (z.b. Lecithin) Sphingolipide, sind charakterisiert durch einen Sphingosin Baustein Steroide, z.b. Cholesterin, sind polyzyklische unpolare und daher schlecht wasserlösliche Moleküle Die ersten beiden Klassen von Lipiden sind amphipatisch, d.h. sie haben polare Köpfe und unpolare Schwänze. Diese Eigenschaft ist wesentlich für die Organisation der biologischen Membran, denn die polaren Köpfe dieser Moleküle suchen die Nähe des Wassers, während ihre unpolaren Schwänze durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander interagieren. Diese Moleküle bilden daher in wässriger Lösung eine Doppelschicht. In der Mitte der Membran befindet sich eine nicht wässrige Lipidumwelt. Außen befinden sich die wässrigen intra- und extrazellulären Phasen, die mit beiden Membranoberflächen in Kontakt stehen. Diese werden von den hydrophilen Lipidköpfchen gebildet. Die hydrophoben Eigenschaften sind verantwortlich für die geringe Permeabilität der Membranen für polare Stoffe. In die Lipiddoppelschicht sind globuläre Proteine sowie Ionenkanalproteine integriert, welche die Kommunikation und den Stofftransport durch die Membran ermöglichen. Die Glykoproteine tragen Oligosaccharid-Seitenketten und sind wichtig für Zellerkennung und Zellkommunikation. Abb.5: Flüssigmosaikmodell einer Membran Quelle: Eckert, 2000 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 17

18 B. Funktionelle Konsequenzen der Membranstruktur Eine reine Phospholipidmembran ist eine Trennschicht zwischen Kompartimenten (z.b. intrazellulär/extrazellulär). Nur Gase (O 2, N 2, CO 2 ) und einige unpolare Stoffe können passiv durch die Lipiddoppelschicht diffundieren. Dennoch können Ionen und polare Moleküle passieren, allerdings nur mit Hilfe von in die Membran eingelagerten Proteinen. Drei Klassen von Proteinen sind dabei von entscheidender Bedeutung: Ionenkanäle, Transporter und Membranpumpen. Die Permeabilität einer Zellmembran für Ionen und polaren Substanzen hängt wesentlich von der Ausstattung der Zelle mit Ionenkanälen und Transportern ab. Passiver Transport Passiver Transport findet statt, wenn die Konzentrationen auf den beiden Seiten der Membran nicht im Gleichgewicht sind. Diffusion durch die Lipiddoppelschicht: Unpolare Moleküle diffundieren direkt über die Phospholipidmembran. Die Permeabilität für unpolare Moleküle hängt von den molekularen Eigenschaften, insbesondere ihrer Lipidlöslichkeit ab. Um die wässrige Phase zu verlassen und in die Lipidphase eintreten zu können muss ein gelöster Stoff vor allem seine Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser lösen. Die Moleküle mit den wenigsten Wasserstoffbrücken mit Wasser können daher am leichtesten in die Lipiddoppelschicht eintreten. Diffusion durch Membrankanäle: Ionen und Wassermoleküle können durch Poren diffundieren. Diese aus einer oder mehreren Proteinuntereinheiten gebildeten Poren in einer Lipiddoppelschicht sind für bestimmte Ionensorten selektiv permeabel. Diese Poren werden als Ionenkanäle bezeichnet. Steuerung der Ionenkanäle Ionenkanäle sind essentiell für die Signalverarbeitung an Zellmembranen. Der Porendurchmesser und damit die Permeabilität der Kanäle kann auf vielfältige Weise moduliert werden: Neurotransmitter oder Hormone, intrazellulären Botenstoffe, intrazellulärer Phosphorylierung, Membranspannung, etc. Für die relativ hohe Permeabilität der Membran für Wasser sind eine eigene Gruppe von Poren die Wasserkanäle verantwortlich. Transporter: Neben der Diffusion unpolarer Moleküle durch die Membranen und der Diffusion von Ionen durch Ionenkanäle können Moleküle durch Transportprozesse über eine Membran gelangen. Transporter (=Carrier) befördern Monosaccharide, Aminosäuren, Nukleotide, etc. durch die Membran. Diese Proteine, die durch aufeinanderfolgende Konformationsänderungen Moleküle auf einer Seite der Membran binden (Assoziation), schleusen diese durch die Membran und koppeln die Substanz dann auf der anderen Seite der Membran wieder ab (Dissoziation). 18 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

19 Aktiver Transport Unter einem aktiven Transport versteht man die Bewegung eines Substrats durch die Membran gegen seinen Konzentrationsgradienten. Dies ist nur unter Energieaufwand sowie durch Interaktion mit einem passendem Transportermolekül (= Membranpumpe) möglich. ATP abhängige Transporter spalten ATP und transportieren mit Hilfe der freigesetzten Energie Ionen gegen die Gradienten durch Membranen. Konzentrationsgradienten-abhängige Transporter benutzen den Gradienten eines Ions, meist Na + oder H +, als Energiequelle zum Transport anderer Teilchen. Zell-Zell-Verbindungen Die meisten Zellen sind in Geweben organisiert, wobei ihre Membranen auf spezifische Arten interagieren und zusammengehalten werden. Der schmale Spalt zwischen den Zellen ist mit extrazellulärer Flüssigkeit gefüllt. Bei vielen Geweben (z.b.: Herzmuskel und Epithelgewebe) sind die Zellen mit ihren Nachbarzellen durch Spezialisierungen der betreffenden Oberflächenmembran verbunden. Von diesen Spezialisierungen gibt es zwei Haupttypen: Gap junctions. Dies sind Poren, die einen Fluss von Teilchen(niedermolekularen Substanzen) von einer Zelle in eine andere erlauben, da sie in den Membranen beider Zellen vorkommen sowie miteinander eine Verbindung bilden, die eine kommunizierende Röhre ( elektrische Zellkommunikation) zwischen zwei Zellen erzeugt. Tight junctions. Sie kommen am häufigsten im Epithelgewebe vor. Diese Spezialisierung an den Außenflächen der Zellmembran bildet vollständig geschlossene Berührungspunkte zwischen den Zellen. Sie verhindern dass Durchsickern durch den extrazellulären Raum Korrosionswirkungen auf die Haut Um die Wirkung, die starke Säuren bzw. Laugen auf die Haut verursachen können, beschreiben zu können, müssen die Begriffe reizend und ätzend definiert werden: Reizend Eine Reizung ist ein reversibler Vorgang auf der Haut. Die Zellen werden dabei nur soweit geschädigt, dass sie sich wieder regenerieren können. Die einzige Ausnahme ist die Hornhaut des Auges, die sich nicht wieder regenerieren kann. Eine Reizung der Hornhaut führt deshalb zu einer Trübung der Sicht. Die Einstufung einer Chemikalie als reizend erfolgt über einen Tierversuch mit einem Kaninchen (siehe Tierversuche) Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 19

20 Ätzend Im Gegensatz zu der Reizung ist eine Verätzung viel gefährlicher. Eine Verätzung ist eine irreversible Zerstörung der Hautzellen und des Gewebes. Es handelt sich dabei meist um eine lokale Verätzung, die sich aber unter Umständen weiter, in tiefer liegendes Gewebe verbreiten kann (siehe Wirkung auf die Haut). Eine weitere Gefahr ätzender Chemikalien ist, dass sie oftmals giftig für den menschlichen Organismus wirken. Der bei der Verätzung entstehende Flüssigkeitsverlust und die andauernden, starken Schmerzen können zudem zu einem Schock führen. Lebensgefährlich sind Verengungen der Atemwege, die durch Verätzungen des Mund- oder Rachenraums entstehen können Wirkung auf die Haut Starke Säuren und Laugen können das Gewebe angreifen und zerstören. In erster Linie greifen sie die Oberfläche der Haut, das Epithel (siehe Histologie und Dermatologie) an, aber sie können auch in tiefer liegendes Gewebe sowie tief in den Körper eindringen und dabei Stoffwechselvorgänge beeinträchtigen. Besonders gefährlich sind Stoffe, wie zum Beispiel Reinigungsmittel mit einer hohen Fettlöslichkeit. Sie greifen die Zellmembranen an und führen zu Schädigungen der Membran. Dabei wird vor allem das endoplasmatische Retikulum angegriffen. Ätzende Chemikalien führen zu Nekrose. Nekrose ist das Absterben der Zellen und des Gewebes durch äußere Einflüsse. Bei der Wirkung unterscheiden sich Säuren und Laugen voneinander, da sie unterschiedliche Verätzungen verursachen: Säureverätzung Stark konzentrierte Säuren verursachen auf der Haut Nekrosen (= Zell- und Gewebszerstörung), Narben und Keloidbildungen (siehe Abb.6). Säuren haben auf der Haut eine proteinkoagulierende Wirkung (= Eiweißfällung), diese bewirkt die Bildung eines Schorfes (Ätzschorf) an der Oberfläche. Durch die Bildung dieses Schorfes kann das Eindringen der Säure in tiefere, darunterliegende Gewebe verhindert bzw. erschwert werden. Die Ausbreitung wird ebenfalls durch Säureneutralisation und/oder Säurebindung zurückgehalten. Abb.6: Säureverätzung Quelle: Ausnahme ist jedoch Flußsäure (Fluorwasserstoff), die sehr schnell in tiefe Hautschichten diffundieren kann. Die Verätzungen, die sie hervorruft sind oft tagelang nicht sichtbar, aber trotzdem sehr schmerzhaft. Laugenverätzung Laugen sind grundsätzlich viel gefährlicher als Säuren, da sie keine Eiweißfällung sonder eine Eiweißauflösung und somit eine Verflüssigung des Gewebes verursachen. Die Lauge kann daher tief in das Gewebe eindringen und kann vom Gewebe kaum neutralisiert werden. Die gefährlichsten Laugen sind Natronlauge und Kalilauge. 20 Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic

21 2.2 Gefahreneinstufung von Chemikalien für Hautätzend Literatur: Chemikaliengesetz 1996 Chemikalienverordnung 1999 Vorschlag der Kommission der Europäischen Gemeinschaft 2007 Öesterreichisches Umweltbundesamt 2008 Öesterreichische Stoffliste, 2004 Die Ätzwirkung ist nur eine von verschiedenen gefährlichen Eigenschaften von Chemikalien. In der EU werden z.b. 15 Gefahren unterschieden. Diese Gefahren werden durch Tests an den Chemikalien ermittelt und anhand der Testergebnisse erfolgt die Gefahrenzuordnung (Einstufung) gemäß fix festgelegter Zuordnungskriterien (z.b. Entzündlichkeitseinstufung mit dem Flammpunkt) Rechtliche Instrumente Gesetzliche Definitionen In der europäischen Vorschrift über gefährliche Chemikalien (Stoffrichtlinie, Zubereitungsrichtlinie), in welcher auch die Einstufung der Gefährlichkeiten festgelegt ist, werden folgende Begriffe definiert: Hautreizung: ist das Auslösen einer reversiblen Hautschädigung nach Applikation einer Prüfsubstanz für die Dauer von bis zu 4 Stunden. Hautverätzung: ist das Auslösen einer irreversiblen Hautschädigung, d. h. einer sichtbaren, bis in das Corium reichenden Nekrose der Epidermis nach Applikation einer Prüfsubstanz für die Dauer von bis zu 4 Stunden. Verätzungsreaktionen sind gekennzeichnet durch Geschwüre, Blutungen, blutige Verschorfungen und am Ende des Beobachtungszeitraums von 14 Tagen durch eine auf ein Ausbleichen der Haut zurückzuführende Verfärbung, komplett haarlose Bereiche und Narben. Chemikaliengesetz In Österreich sind die EU-Vorschriften über gefährliche Chemikalien im Chemikaliengesetz enthalten. Inhalte des Chemikaliengesetzes sind unter anderem auch die Pflicht zur richtigen Einstufung der gefährlichen Eigenschaften von Chemikalien. Anmeldepflicht für Neue Stoffe. Um einen Neuen Stoff in Verkehr zu setzen zu dürfen, bedarf es einer verpflichtenden Anmeldung, die beim Bundesminister für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (Anmeldebehörde) erfolgt. In den Anmeldungsunterlagen müssen wichtige Informationen über schädliche Wirkungen des Stoffes auf den Menschen oder die Umwelt vorhanden sein und für Diplomarbeit Gabler, Großsteiner und Mujic 21

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