PARTICULATE MATTER- DIESEL EXHAUST - Universität Wien

PARTICULATE MATTER- DIESEL EXHAUST POLYAROMATIC HYDROCARBONS (PAH)
a.o. Univ.Prof. Dr. Wilfried Bursch
Medizinische Universität Wien
Klinik für Innere Medizin I
Abtl. Institut für Krebsforschung
FE Sicherheit von Chemikalien und
Krebsprävention
Tel. ++43-1-4277 65139
e-mail: [email protected]
1
Staub (Particulate Matter (PM))
Physikalisch-chemisch komplexes Gemisch aus natürlichen
und anthropogenen Quellen:
- primäre, direkt emittierte,
- sekundär gebildete Komponenten.
Zusammensetzung:
organischer Kohlenstoff, mineralische Substanzen
(z.B. Asbest), Sulfate, Nitrate, polyzyklische aromatische
Kohlenwasserstoffe, Dioxine, Schwermetalle, u.a.
2
Wie tief dringt Staub in
die Lunge ein?
Nasen-Rachenraum
5-30 m
tracheo-bronchiale Region
1- 10 m
Lungenbläschen (Alveolen)
<1 m
Teilchen kleiner 0,1 m können über Lymph- oder Blutgefäßsystem in den
Organismus gelangen (nachgewiesen u.a. in Leber, Niere, Gehirn)
3
1
Feinstaub (PM10 und PM2,5) ist sehr gut
lungengängig
(PM = particulate matter)
PM2,5
PM10
(aus MAK-Werte Liste, 2004)
aerodynamischer Partikeldurchmesser
TSP (total suspended particles) = Schwebstaub
ca 1/5 der Dicke eines menschlichen Haares
4
Particulate Matter (PM):
coarse, fine and ultrafine particles
DEFINITIONS
PM10 – PM2,5µm :
:
< PM2,5µm
< PM0,1µm
:
coarse particles (grobkörnig)
fine particles (Feinstaub)
ultrafine(nano-)particles
size: aerodynamic diameter
5
Entfernung von Partikeln
Reinigungsmechanismen
• Blasen, Niesen, Husten
• Zilienbewegung
• Schleimproduktion
(Geschwindigkeit: 0,1 – 1 mm/Minute)
Warnhinweis
6
2
Störung der Reinigungsfunktionen durch
Tabakrauch, Reizgase, virale Infekte:
chronische Bronchitis
7
Was passiert mit den eingeatmeten Partikeln,
die wir nicht aushusten?
Entfernung durch
Makrophagen (Fresszellen)
8
Fresszellen (Makrophagen) bei der
Phagozytose von
... zwei roten Blutkörperchen
... einer Asbestfaser
Aus: Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des
Menschen. Thews, Mutschler, Vaupel, 5.Aufl.,
wvg Suttgart, 1999
(Bruch, In: Pott, Zbl. Bakt. Hyg. B184, 1987)
9
3
O2 – generation by phagocytozing
polymorphonuclear neutrophiles
PHAGOCYTE
Glucose-6- P
O
O
- 
O O- O

NADP
NADP
NADPH
Glucose-6- P -DH
O
O O
O
O
O
O
latex
O O
 O
PAF
IgG
cytokines
Activation of membrane-bound
NADPH-Oxidase
6- P -Gluconolacton
complement factors
Nohl, H. Biologie und Toxikologie des Sauerstoffs.
In : Chirurgische Forschung, 1994, S.59-80
protein fragments
10
Makrophagen im Lungengewebe
%
20
(aus Gehr&Crapo, in Toxicology of the Lung, 1988, S33)
15
10
5
0
Pavian
/Ratte
Lungenresektion
NichtR verm. NR Raucher
Autopsien
11
Inhibition of phagocytosis
by particles
%
150
100
50
0
0.1
V2O5
NaAsO2
Ni3S2
1
ZnO
10
Na2SeO3
100
µg / ml
12
4
Phagozytose:
ein „zweischneidiges Schwert“
Entzündungsreaktion
chronische Staubbelastung:
Fibrose, Herz-Kreislauf-Erkankungen,
13
Krebs
Lunge: Folgen einer chronischen Entzündung
(Histopathologie)
Bronchien,
elastische Fasern in den
Alveolarwänden
Chronische Pneumonie,
mit Granulationsgewebe
ausgefüllte Alveole
Quelle: http://www.kgu.de./zmorph/Lehre/lern/ttpatho/data/re/de/008/a.html
14
Correlation between lung tumor incidence in rats
and chronic inhalation studies with different particle
types and retained particle surface area
Oberdörster, G., Int.Arch.Occup.Health, 74,1-8, 2001
15
5
Effects of PM (EHC93) or diesel exhaust particles (DEP)
on tracheal explant hydroxyproline
measure of collagen content
EHC93: Ottawa Urban Air Particles,
closely to PM10
Particle Toxicology, K. Donaldson, P. Borm (eds), CRC Press 2007
16
Effects of the TGFß1 antagonist, fetuin, on PM-induced
(EHC93) procollagen gene expression in rat tracheal explants
TGFß1 plays a role in
fibrogenesis in this model
EHC=EHC93
EHC93: Ottawa Urban Air Particles,
closely to PM10
MDH: malate dehydrogenase
Particle Toxicology, K. Donaldson, P. Borm (eds), CRC Press 2007
17
Partikelbedingte Pathogenese von Lungenerkrankungen
Staubpartikel
Exposition
Ablagerung
Clearance
Partikel
Makrophage
reaktive
Sauerstoffspezies
18
6
Partikelbedingte Pathogenese von Lungenerkrankungen
Makrophage
reaktive
Sauerstoffspezies
Mutationen
Cytokine
Zellschädigung
Zellproliferation
Hyperplasie
DNA-Reparatur
Initiation
Wachstumsfaktoren
Proteasen
Entzündungen
DNA-Addukte
Aktivierung von
Protoonkogenen
Inaktivierung von
Tumorsuppressorgenen
Promotion
Progression
Initiierte
Zellen
Präneoplastische
Läsion
Maligner Tumor
Fibrosen
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TOXIKOLOGIE VON PARTIKELN
Allgemeine Eigenschaften
Physikochemie:
- Größe (aerodynamischer Durchmesser)
- Volumen
- (Un-)Löslichkeit
Reinigungsmechanismen:
Bronchien: Mukoziliäre Clearance, entfernt beim Gesunden
Partikel innerhalb 24-48 Stunden
Alveolen: „Lungenclearance“ durch alveoläre Makrophagen
(limitierender Vorgang,
Halbwertzeit für unlöslichen Feinstaub: 400 Tage)
20
TOXIKOLOGIE VON PARTIKELN
Allgemeine Eigenschaften
Bestimmend für toxische Wirkung:
- Gesamtbelastung der Lunge (Luftkonzentration und Dauer)
wenn Belastung  Clearance
 Überladung  Abnahme der Clearance
- Chemische Zusammensetzung der Partikel
Akute (bis 5 Tage nach Exposition) Wirkungen:
Beeinträchtigung der Lungenfunktion, Atembeschwerden, bronchitische
Symptome bei Kindern, Asthmatikern, Nicht-Asthmatikern, Anstieg
von Krankenhauseinweisungen und Mortalität infolge Herzkreislaufversagen.
Chronische Belastung (Überladung)  Krebsentstehung
Verstärkung der toxischen Wirkungen
Einwirkung von Reizgasen (SO2, katalytische Bildung von
SO3 an den Partikeloberflächen; NOX etc.)
 Bronchokonstriktion, Übersterblichkeit
21
7
Einige wichtige staubgebundene Schadstoffe
anorganische Verbindungen der Schwermetalle:
 z.B. von Blei, Cadmium, Chrom, Nickel
organische Verbindungen:
 chlorierte Kohlenwasserstoffe, z.B.:
Polychlorierte Biphenyle (PCB)
 Insektizide, z.B.: Pyrethroide, DDT
 Verbrennungsprodukte:
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
PCDD / PCDF
 Weichmacher, z.B.: Phthalate
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TOXIKOLOGIE VON PARTIKELN
Spezifische Eigenschaften
Eigenschaft
Beispiel
Folgen
Cytotoxisch
Be-Stäube
akut:
Fibrinogen
Silikate, Quarz, Fibrose, Staublunge, Asbestose
Asbest
Kanzerogen
(Form: Faser!)
Asbest
Mesotheliom, Bronchialkrebs
Ni, Cr(VI)
Krebs der Nasenhöhle und
Bronchien
Metalldampf-Fieber,
Schleimhaut-Reizungen,
Pneumonie
chron.: granulomat. Proliferationen (Beryllose)
23
Wie gefährlich sind die am Staub anhaftenden
chemischen Verbindungen?
Beispiel:
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
24
8
Struktur und relative kanzerogene Potenz einiger
polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK)
kanzerogene Potenz = log
0
Tumorinzidenz %
mittlere Latenzzeit (Tage)
0
Naphthalin
0
1,38
Benz(a)anthracen
Anthracen
Phenanthren
1,41
Dibenzo(a,h)anthracen
CH3
1,4
1,9
2,18
Benzo(e)pyren
Benzo(a)pyren
7,12-Dimethylbenz(a)anthracen
0
CH3
Pyren
Determinanten der kanzerogenen Potenz:
- „richtige“ Molekülgröße
- „Bucht-Region“
- Entstehung bei Verbrennungsprozessen (Motoren, Hausbrand, Zigaretten),
- Vorkommen: ubiquitär (Umwelt, Nahrungs- und Genussmittel)
(aus Zhang et al.
CBI, 81, 149, 1992)25
Lungentumore: überadditive Wirkung von
Ruß und Benz(a)pyren im Tierversuch
Tiere mit
Lungentumoren
0 %
Kontrolle:
Benz(a)pyren allein:
38,9 %
(46 g/m3)
Ruß allein:
16,7 %
(Printex 90, 6 mg/m3)
Benz(a)pyren plus
Ruß :
88,9 %
(48 g/m3, Ruß 2 mg/m3)
Heinrich et al., VDI-Berichte 888, 71, 1991
26
Partikelbedingte Pathogenese von
Lungenerkrankungen
Staubpartikel
Dieselabgase
Exposition
Dieselruß
Exposition
Deposition
Ablagerung
Desorption
Clearance
Partikel
organische
Gefahrstoffe
spezifisch
für Diesel
Aktivierung
Makrophage
reaktive
Sauerstoffspezies
DNA-Addukte
Entgiftung und
Ausscheidung
27
9
Welchen Anteil hat Benz(a)pyren am Krebsrisiko
durch Dieselmotoremissionen?
Modellrechnung von H. Pott, VDI Berichte 888, 211,1991
(tierexperimentelle Daten)
PAK mit Benz(a)pyren
als Indikator:
unit risk
2000 x 10-5
5 x 10-5
Ruß
Anteil von B(a)P ca. 1%
(Ableitung: unit risk B(a)P 400x höher als für Ruß, bei Berücksichtigung eines
Masseverhältnisses PAK:Ruß in den untersuchten Emissionen von ca.
1:100.000 entfallen ca. 0,4% der kanzerogenen Potenz auf B(a)P;
darüberhinaus zu berücksichtigen: synergistische Wirkung von PAK und
Partikel, möglicherweise aber nicht mehr als Faktor 2, deshalb 0,4% x 2).
28
Was bedeuten diese Erkenntnisse für
den Menschen?
Verminderung der (Fein)staubbelastung
 entscheidende Bedeutung für
Schutz der Gesundheit
Nächste Frage:
Wie groß ist das Gesundheitsrisiko durch Staub?
29
Model to derive number of cases attributable to air
pollution
Reference-scenario (E0) for PM10:
7.5 mg x m-3 (regarded as the
natural background concentration)
Künzli et al. Lancet 2000; 356: 795–801
30
10
PM10 associated mortality:
relative risk
relative risk per 10 g/m3:
1,043
(95% CI 1,026-1,061)
log-lineares
Modell
lineares Modell
For comparison: in average, tobacco
smoking causes a 10fold increase in
relative risk for bronchial cancer.
31
Martuzzi et al., Eur Respir J 2003, Suppl 40 86s-91s
Health endpoints used for particulate matter
health impact assessment
Martuzzi et al Eur Respir J 2003, Suppl 40 86s-91s
32
Effects of exposure to PM10
Endpoint
Mortality
Relative Risk
per 10 g/m3
1,0070
No. of people (per 1 million) affected by a
3-day episode of PM10 at:
50 g/m3
100 g/m3
3,5
7
3
6
4863
10514
5185
11267
(1,0062-1,0086*)
Respiratory hospital
admissions
(1,0048-1,0112*)
Person-days of bronchodilator
use
(1,0201-1,0410*)
cough
1,0084
1,0337
1,0356
(1,0197-1,0518*)
*95% CI
WHO Air Quality Guidelines for Europe, 2000
33
11
Number of attributable cases to air pollution, and
cases attributed to traffic pollution
Künzli et al. Lancet 2000; 356: 795–801
34
EU Air Quality Directive: PARTICULATE MATTER
35
Was bedeuten diese Erkenntnisse für den
Menschen?
Herausforderungen für
Toxikologie und Gesellschaft
Akute und chronische Wirkungen bei derzeit durchschnittlich
auftretenden Staubkonzentrationen nachgewiesen.
Problem: Wirkungen komplexer Gemische,
Rolle einzelner Komponenten nicht geklärt.
Das toxische Potential kleinerer Partikelfraktionen
(z.B. PM2,5, PM1) offensichtlich größer als das von PM10
36
12
Was bedeuten diese Erkenntnisse für den
Menschen?
Herausforderungen für
Toxikologie und Gesellschaft
Bisherige Befunde lassen keine Schwelle erkennen,
unter der mit keiner Wirkung mehr zu rechnen ist.
Exposition großer Teile der Bevölkerung
 auch ein vergleichsweise geringes Risiko hat
hohe gesundheitspolitische Relevanz
37
13

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