Auf dem Weg durch den Körper - Ausbreitung und Wirkungen von feinen und ultrafeinen Partikeln im menschlichen Organismus

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1 Auf dem Weg durch den Körper - Ausbreitung und Wirkungen von feinen und ultrafeinen Partikeln im menschlichen Organismus Holger Schulz Institut für Ingolstädter Landstraße 1 D Neuherberg/München

2 Teilchendeposition im Atemtrakt Teilchendeposition Atemtrakt Mundhöhle - Rachenraum große Bronchien kleine Bronchien Alveolen - Lungenblässchen Feine und ultrafeine Teilchen belasten die kleinen Bronchien und den gasaustauschenden Bereich der Lunge Teilchendurchmesser (µm) GMC Holger Schulz

3 Staubbelastung und spezifische Mortalität Atemwegs- und Lungenerkrankungen Gesundheitliche Auswirkung Geschätzte Risikozunahme (%) pro 10 µg/m 3 PM10 (95% CI) Anzahl der Studien für f r die Meta-Analyse Mortalität insgesamt 0.6 % ( %) 33 Atemwegserkrankungen 1.3 % ( %) 18 World Health Organization. Meta-analysis of time-series studies and panel studies of particulate matter (PM) and ozone (O3). Copenhagen, WHO Regional Office for Europe, 2004 Institut für

4 Staubbelastung und Lungenerkrankungen - Morbidität Krankenhauseinweisungen aufgrund von Lungenerkrankungen Asthma COPD Lungenentzündung Geschätzte Risikozunahme (%) pro 50 µg/m 3 PM10 (95% CI) PM-EPA-2004-Part II-Air Quality Criteria for Particulate Matter, 2004 Institut für

5 Exposition mit Concentrated Ambient Particles - CAPs Gesunde Probanden - 2 Std. Exposition mit konzentrierter Umgebungsluft Einstrom von Entzündungszellen in die Lunge Entzündungszellen in die Lunge Neutrophile Alveoläre Granulozyten Makrophagen 18 Std. nach Exposition: dosisabhängiger Einstrom von PMN Neutrophilen AM filtrierte Luft µg/m µg/m µg/m 3 keine Symptome Ghio et al., 2000 Institut für

6 Toxizität von ultrafeinen Kohlenstoffpartikeln - Studien an der Maus Bedeutung von Größe - Oberfläche - Gehalt an Organika Organic content (%) organic content [%] a Ptx-G So-H Ptx-90 So-L UFP Range of particle properties Size: nm Surface: m 2 /g Organics: % surface [m2/g] Surface area (m 2 /g) Diesel Exhaust Particles (NIST): SRM-1650a 24 nm Black (DEGUSSA): Printex-G / Printex / 14 nm Flame Soot Particles (CAST, MP4-high/-low): Soot-High / Soot low 12 / 11 nm Spark Generated Soot (PALAS, EC90): ufcp 10 nm Stöger et al. 2006

7 Toxizität von ultrafeinen Kohlenstoffpartikeln Instillation: 5 µg - 20 µg - 50 µg - Lavage nach 24 Stunden Dosis-Wirkungsbeziehung der entzündlichen Reaktion in der Lunge Einstrom neutrophiler Granulozyten 70 BAL - PMNs [%] PMN Control Co H2O Dosis [µg] SRM1650a PrintexG Printex90 Soot-H Soot-L ufcp Stöger et al GMC Holger Schulz

8 Toxizität von ultrafeinen Kohlenstoffpartikeln Bedeutung von Größe - Oberfläche - Gehalt an Organika Größ öße? Organika? Oberfläche? BAL - PMN [%] Dose: 20µg BAL - PMN [%] , BAL - PMN [%] cm Die spezifische Partikeloberfläche charakterisiert das Ausmaß der Entzündung am besten - oxidatives Potential? Die Dosis-Wirkungsbeziehung zeigt bei der Maus für den Einstrom von PMN- Zellen eine Schwellendosis bei 20 cm 3-2% der Lungenoberfläche. Stöger et al GMC Holger Schulz

9 Toxizität: Reaktionen im Bereich der Schwellendosis? Inhalative Exposition: CMD: 50 nm - VMD: 92 nm - 8 x 10 6 cm µg m -3 Endpunkte: BAL, Genexpression in der Lunge (Affimetrix), ICH, ISH BAL - PMN Cell counts [%] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Clean air UFP Stress Antwort nach 4-stündiger Exposition! Gene: heat shock protein, 1A, mouse homlog of hsp70 heat shock protein, 105 kda stress-induced phosphoprotein 1 suppression of tumorigenicity 13 osmotic stress protein 94 0,2 0 4h 24h Stress Antwort nach 24 Stunden abgeklungen André & Stöger et al. 2006

10 Proinflammatorische Antwort nach 24-stündiger Exposition! Inflammation: osteopontin Interleukin 1 beta Inhibin beta-b, - chemokine TGF-β family / cytokine like properties Prostaglandin-endoperoxide synthase 1 - abundantly expressed in lung diseases - secreted by activated macrophages, leukocytes, T lymphocytes spi2 proteinase inhibitor (spi2/eb4) Acute-phase response: Serum amyloid A 3, secreted by activated macrophages PK-120 precursor - pathogenesis of atherosclerosis Extracellular matrix: leucine-rich alpha-2-glycoprotein 1, HEV associated, TIMP-1, EM remodelling Thrombospondin 1 Osteopontin André & Stöger et al. 2006

11 Proinflammatorische Antwort nach 24-stündiger Exposition! Aktivierung von Alveolarmakrophagen - Osteopontinnachweis Clean air UFP Bronchoalveoläre Lavage - OPN [pg/ml] UFP AM 25 µm UFP A µm AM 25µm AM 10µm Control 4h 24h UFP-Exposure André & Stöger et al. 2006

12 Ultrafeine Kohlenstoffpartikel induzieren nach Inhalation eine biphasische, proinflammatorische Antwort in der Lunge stress inflammation Stress Antwort nach 4-stündiger Inhalation Proinflammatorische Antwort nach 24-stündiger Inhalation Implikationen? Zusammenwirken von Partikeln und Allergenen

13 Wirkungsmechanismen Airspace Lunge Unspezifische Stressreaktion Aktivierung der Makrophagen Entzündliche Reaktion mit Zelleinstrom Beeinflussung der angeborenen bzw. erworbenen Immunität GSF-National Research Center for Environment and Health IHB-Institute for Inhalation Biology

14 Was gelangt in den Kreislauf? Was Systemic gelangt effects in den mediated Kreislauf? by Lösliche Komponenten Ultrafeine Translocation Partikel Nanopartikel of particles Inflammatory Entzündungsmediatoren mediators Institut für

15 Translokation von ultrafeinen Partikeln in den Organismus Alveolarwand Alveolarraum Epithelzelle Ultrafeine Partikel Alveolarseptum 1 mm Blutkörperchen rotes Blutkörperchen, 7 µm Kapillare Ultrafeine Partikel Kapillare Blutkörperchen Endothelzelle Partikel 200 nm Epithelzelle Gehr, Takenaka, Kapp et al 2004, Geiser et al GMC Holger Schulz

16 Dosimetrie: Nachweis von Nanopartikeln im Lungengewebe Intubated ventilated WKY rat, TiO 2 NP, 1 hr exposure 22 nm CMD, 10 7 cm -3, 0.1 mg/m³ morphometry h after inhalation Volume density V(v) of lung compartment Particle profiles (% of total lungs) Air spaces on epithelium Intracellular, epithelium 50 nm TiO 2 V(v) 1h 24h mean UFP TiO 2 epithilial. cell vessel UFP Rapid translocation of ~ 20% NP fraction Connective Capillary endothelial cell Volume tissue proportional: tissue stochastic process (diffusion) or protein transport? Geiser et al GMC Holger Schulz

17 Nachweis von ultrafeinen Partikeln im Organismus Ultrafeine Partikel gelangen in lebenswichtige Organe, wie Herz, Niere und Gehirn. Semmler & Kreyling et al. 2004, 2005 GMC Holger Schulz

18 Welche Wirkung haben Partikel auf das Herzkreislaufsystem? Geschätzte Anzahl der Gesundheitliche Risikozunahme (%) pro Studien für f r die Auswirkung 10 µg/m 3 PM10 (95% CI) Meta-Analyse Mortalität insgesamt 0.6 % ( %) Staubpartikel und 33 Herzinfarkte in Augsburg Herz-Kreislauf- Erkrankungen 0.9 % ( %) 17 Peters et al. World Health Organization. Meta-analysis of time-series studies and panel studies of particulate matter (PM) and ozone (O3). Copenhagen, WHO Regional Office for Europe, 2004

19 Welche Wirkung haben Partikel auf das Herzkreislaufsystem? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration GMC Holger Schulz

20 Carbon Black Exposure - Effects on the Autonomic Nervous System Exposure for 24h Baseline Exposure Recovery 24 h 24 h 96 h Carbon black (spark discharging) 38 nm 180 µg m - ³ cm -3 Heart rate: RR-Intervall SDNN (ratio) Heart rate (ratio) Young & healthy rats Exposure Recovery Air NP Air NP Air NP Air NP Heart rate variability: Increased heart rate and reduced heart rate variability during exposure Ttime domain: SDNN suggest a sympathetic stress response. GSF-National Research Center for Environment and Health member of the Helmholtz Association Harder et al IHB-Institute for Inhalation Biology

21 Was macht es dort? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration

22 Carbon Black Exposure in Hypertensive Rats HR (1/min) B E R1 R2 R3 R4 * * Heart rate Spontaneous Hypertensive Rats (SHR) Adult: 6 months Control, n=7 300 SHR, n=7 Diastolic BP (mmhg) * * Blood pressure Time (days) Parameters: - heart rate - diastolic blood pressure *: p < 0.01 GSF-National Research Center for Environment and Health member of the Helmholtz Association Harder et al IHB-Institute for Inhalation Biology

23 Was macht es dort? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration

24 Effect of Particulate Pollutants on Spontaneous Arrhythmias in Aged Rats Exposure Fischer 344 rats, aged 18 month Concentrated Ambient Particles (CAPS) Tuxedo, NY, in August 2000 (8 µg/m 3 ) 4 h exposure: air vs. CAPS (cross-over design) Delayed and irregular beats Premature ventricular beats Concentration: µg/m 3 Delayed & irregular beats Premature beats GSF-National Research Center for Environment and Health Nadziejko et al IHB-Institute for Inhalation Biology

25 Was macht es dort? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration

26 Thrombogenesis by Nanoparticles Prothrombotic Effects on the Microcirculation in Mice In Vivo Ultrafine Nanoparticles Lung Ultrafine particles Adherent Platelets [1/mm 2 ] arterioles venules sinusoids * * * * mean +/- SEM, n = 6 *p < 0.05 vs. control Liver Organs 0 Control np-cb 1x10 7 Glycoprotein IIb/IIIa inhibition by Tirofiban np-cb np-cb 5x10 7 5x Tirofiban GSF-National Research Center for Environment and Health Khandoga et al IHB-Institute for Inhalation Biology

27 Thrombogenesis by Nanoparticles Prothrombotic Effects on the Microcirculation in Mice In Vivo Ultrafine Nanoparticles Immunostaining for fibrin(ogen) Control Exposed x 200 x 200 Lung Ultrafine particles x 400 x 400 Liver Organs Plasma concentrations Sham 746 ± 219 µg/ml np-cb 1493 ± 256 µg/ml, p = GSF-National Research Center for Environment and Health Khandoga et al IHB-Institute for Inhalation Biology

28 Was macht es dort? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration

29 Ambient Air Pollution and Atherosclerosis in Los Angeles Spatial distribution of PM 2.5 PM - Carotid intima-media thickness participants > 40 years, no clinical signs for CVD - annual PM 2.5 : µg/m 3 carotid intima-media thickness measure of subclinical atherosclerosis Subjects with lipid-lowering treatment may be at higher risk GSF-National Research Center for Environment and Health Künzli et al, 2005 IHB-Institute for Inhalation Biology

30 Six Months Air Pollution Exposure caused Acceleration of Atherosclerosis and Vascular Inflammation Exposure Apolipoprotein E -/- mice Abdominal aortic section concentrated fine ambient particles (Tuxedo, NY) 6h/day, 5 days/week, 6 month 85 µg/m 3 normal or high-fat chow atheroslerotic plaques vascular inflammation vasomotor tone Filtered air PM 2.5 Plaque area (%) Filtered air PM2.5 Normal chow p < Hight-fat chow In the ApoE -/- mouse model, long-term exposure to low concentration of PM 2.5 altered vasomotor tone, induced vascular inflammation, and potentiated atherosclerosis. GSF-National Research Center for Environment and Health Sun et al IHB-Institute for Inhalation Biology

31 Wirkungsmechanismen Lunge Unspezifische Stressreaktion Aktivierung der Makrophagen Entzündliche Reaktion mit Zelleinstrom Beeinflussung der angeborenen bzw. erworbenen Immunität Systemische Effekte Störung des vegetativen Gleichgewichtes Direkte Wirkung auf Organe durch Herzrhythmusstörungen Überwindung der Luft-Blut- Durchblutungsstörungen Schranke Herzinfarkt Freisetzung von entzündlichen Herzversagen Botenstoffen Airspace Systemic effects mediated by Autonomic Translocation Inflammatory nervous system of particles mediators signals Heart Ischemia Arrhythmia (Micro)vascular system Endothelial dysfunction Thrombosis Atherosclerosis Liver Acute phase response Prothrombotic factors GSF-National Research Center for Environment and Health IHB-Institute for Inhalation Biology

32 Was macht es dort? Kardiovaskuläres System - Störung des vegetativen Gleichgewichtes - Stressantwort - Störung der Gefäßmotorik - Vasokonstriktion - Herzrhythmusstörungen - Systemische Entzündungsreaktion - Gerinnungsfördender Status - Endotheliale Dysfunktion - Verstärkung atherosklerotischer Prozesse => Herzinfarkt - Herzversagen Zentrales Nervensystem - Entzündung / Neurodegeneration

33 Six Months Exposure to Concentrated Ambient Particles - Exposure Degeneration of Dopaminergic Neurons in ApoE -/- Mice Apolipoprotein E -/- mice concentrated fine ambient particles (Tuxedo, NY) 6h/day, 5 days/week, 6month 85 µg/m 3 normal or high-fat chow dopaminergic neurons from substantial nigral nucleus compacta number of astrocytes Midbrain sections Tyrosine hydrolyse stained neurons of nucleus compact region Air-control CAPs-control Air-ApoE -/- CAPs-ApoE -/- Area of dopaminergic neurons In the ApoE -/- mouse model, long-term exposure to low concentration of PM 2.5 reduced dopaminergic neurons of the nucleus compacta - Parkinson disease? GSF-National Research Center for Environment and Health Veronesi et al IHB-Institute for Inhalation Biology

34 Wirkungsmechanismen Lunge Unspezifische Stressreaktion Aktivierung der Makrophagen Entzündliche Reaktion mit Zelleinstrom Beeinflussung der angeborenen bzw. erworbenen Immunität Systemische Effekte Störung des vegetativen Gleichgewichtes Direkte Wirkung auf Organe durch Herzrhythmusstörungen Überwindung der Luft-Blut- Durchblutungsstörungen Schranke Herzinfarkt Freisetzung von entzündlichen Herzversagen Botenstoffen Airspace Autonomic nervous system ZNS Heart Ischemia Arrhythmia Systemic effects mediated by Translocation of particles Entzündung (Micro)vascular system Endothelial dysfunction Thrombosis Atherosclerosis Oxidativer Stress Inflammatory mediators signals Liver Acute phase response Prothrombotic factors Degeneration von Nervenzellen GSF-National Research Center for Environment and Health IHB-Institute for Inhalation Biology