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Risiken von Nanomaterialien für den Menschen

Bis heute ist wenig darüber bekannt, bei welchen Prozessen und an welchen Orten synthetische Nanopartikel entstehen und freigesetzt werden. Auch über das Verhalten in der Umwelt, den Eintrag in die einzelnen Umweltkompartimente wie die Luft sowie über die Exposition des Menschen liegen so gut wie keine Erkenntnisse vor. Generell sind im gesamten Lebenszyklus der Nanomaterialien Emissionen, Immissionen und auch eine Exposition des Menschen gegenüber synthetischen Nanopartikeln denkbar. Hierbei muss zwischen freien und gebundenen Nanopartikeln unterschieden werden. Sind die Nanopartikel in einem Produkt bzw. in der Feststoffmatrix gebunden, ist nicht mit einer Exposition des Menschen zu rechnen. Bei gebundenen Nanopartikeln stellt sich aber die Frage nach der möglichen Freisetzung der Nanopartikel.

Es wird allerdings befürchtet, dass synthetisch hergestellte Nanomaterialien für den Menschen nach inhalativer Aufnahme gesundheitsschädlich sein können, zumal sich feine und ultrafeine Partikel aus anthropogenen Verbrennungsprozessen bereits als ein bedeutsames Gesundheitsrisiko herausgestellt haben. Das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz hat daher den Erkenntnisstand zu den gesundheitlichen Wirkungen durch Nanomaterialien, die über die Atmung in den Körper gelangen können, erhoben und in einem LANUV-Fachbericht dargestellt.

In Analogie zu den ultrafeinen Partikeln (Stäube der Außenluft mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 100 nm) ist zu erwarten, dass die Verweilzeit für neuartige synthetische Nanopartikel in der Atmosphäre sehr hoch ist und diese auch weit verfrachtet werden können. Allerdings dürften die meisten synthetischen Nanomaterialien unter natürlichen Bedingungen sehr schnell aggregieren bzw. agglomerieren. Unklar ist allerdings, ob und inwieweit es zur Deaggregation und somit zur Freisetzung von Nanopartikeln kommt. Für verschiedene Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Quantenpunkte gibt es erste Hinweise, dass diese in der Umwelt sehr persistent sind.

Toxikokinetik

Inwieweit Nanomaterialien vom Menschen aufgenommen und im Körper verteilt, verstoffwechselt und aus diesem ausgeschieden werden, ist kaum bekannt. Prinzipiell können in der Umwelt vorhandene synthetische Nanopartikel inhalativ, oral und dermal aufgenommen werden. In Analogie zu den ultrafeinen Partikeln ist auch für Nanomaterialien davon auszugehen, dass für den Menschen die inhalative Aufnahme am bedeutsamsten ist.
Studien, in denen radioaktive Nanopartikel verwendet wurden, haben gezeigt, dass Nanopartikel von der Lunge in das Blut gelangen und somit der Übertritt in die Blutzirkulation möglich ist.
In Untersuchungen an Ratten konnte festgestellt werden, dass bestimmte Nanopartikel nach Inhalation über das zentrale Nervensystem bis in das Gehirn vordringen können. Der genaue Mechanismus ist bislang unklar. Für ultrafeine Manganoxid-Partikel konnte bei Ratten nach inhalativer Exposition ein Transport über den Geruchsnerv in das zentrale Nervensystem festgestellt werden.

In Tierversuchen konnte ferner gezeigt werden, dass modifizierte Goldpartikel nach intravenöser Injektion imstande waren, verschiedene Membrane wie die Magen-Darm-Wand und die Plazenta von trächtigen Ratten zu passieren. Für C60-Fullerene und Quantenpunkte konnte nach intravenöser Verabreichung eine systemische Verteilung und die Akkumulation in Organen und Geweben festgestellt werden.

Toxizität

Inwieweit Nanomaterialien die menschliche Gesundheit beeinträchtigen, ist bislang nur ansatzweise geklärt. Die Ergebnisse der wenigen durchgeführten toxikologischen Untersuchungen sind uneinheitlich. So konnten in verschiedenen Studien schädliche Reaktionen (Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies, Entzündungsreaktionen, zelltoxische Effekte) nachgewiesen werden, in anderen zeigten sich dagegen keine nachteiligen Wirkungen. Darüber hinaus sind aufgrund unterschiedlicher Versuchsbedingungen und herstellungsbedingter Unterschiede des Nanomaterials die Ergebnisse nicht bzw. nur eingeschränkt miteinander vergleichbar.

Aus verschiedenen Untersuchungen liegen Hinweise vor, dass bei gleicher Massenkonzentration Single Walled Carbon Nanotubes toxischer sind als Multi Walled Carbon Nanotubes und diese wiederum mehr adverse Effekte auslösen als C60-Fullerene.

Für Nanoröhren ist bislang nicht geklärt, ob und in welchem Maße die beobachteten schädlichen Effekte den Nanoröhren selbst oder den in diesen enthaltenden Verunreinigungen (Metalle usw.) zuzuschreiben sind.

Als wichtigste Eigenschaft von Nanomaterialien in Bezug auf die Toxizität kann – analog zu ultrafeinen Partikeln - vor allem die geringe Größe und die sich hieraus in Abhängigkeit von der Anzahl ergebende sehr große Oberfläche angesehen werden. Zusätzlich dürfte aber eine ganze Reihe von  physikochemischen Eigenschaften wie die chemische Zusammensetzung, Struktur, Konzentration, Beladung, Oberflächenchemie sowie mögliche Verunreinigungen in den Nanomaterialien (z.B. Metalle in Nanoröhren) die Toxizität bestimmen. Die neuartigen physikochemischen Eigenschaften der Nanomaterialien lassen aber – im Vergleich zu ultrafeinen Partikeln – eine anders- bzw. neuartige Toxizität erwarten.

Risikoabschätzung

Eine Abschätzung der gesundheitlichen Risiken durch Nanomaterialien nach inhalativer Aufnahme ist bislang nicht möglich, da die gegenwärtige Datenlage hierfür nicht ausreicht. Es fehlen vor allem konkrete Erkenntnisse zur Freisetzung, zum Verhalten in der Umwelt, zum Vorhandensein und Ausmaß der Exposition, zur Aufnahme in den Organismus und zur Wirkung auf den Menschen. Es ist allerdings abzusehen, dass die Risiken durch neuartige synthetische Nanopartikel sowie die unterschiedlichen Risiken derselben chemischen Substanz im Nanoformat und im Nicht-Nanoformat in den aktuellen Rechtsgrundlagen und insbesondere im Chemikalienrecht nicht adäquat berücksichtigt sind. Daher müssten chemikalien- und immissionsschutzrechtliche Regelungen hinsichtlich der zusätzlichen Anforderungen, die sich aus den besonderen Eigenschaften der Nanomaterialien ergeben, weiterentwickelt werden.

Forschungsbedarf

Im Hinblick auf ein mögliches gesundheitliches Risiko durch Nanomaterialien besteht ein beachtlicher Forschungsbedarf. Für den Bereich der Nanotoxikologie lassen sich die folgenden wichtigen Forschungsziele angeben:

  • Entwicklung von standardisierten Referenzpartikeln für toxikologische Untersuchungen
  • Identifizierung der bedeutsamen Partikeleigenschaften und deren Messmethoden
  • Erarbeitung des Einflusses der verschiedenen physikochemischen Eigenschaften (Größe, Form, Zusammensetzung, Beschichtung, Metalle, Aggregierungszustand usw.) auf die Toxizität sowie die Entwicklung von entsprechenden in vitro-Tests
  • Bestimmung der Kurz- und Langzeiteffekte nach inhalativer, oraler und dermaler Aufnahme von neuartigen synthetischen Nanopartikeln
  • Bestimmung der schädlichen Effekte auf den Respirationstrakt und andere Zielorgane wie z.B. Gehirn, Milz oder Leber, auf das kardiovaskuläre System, auf das Knochenmark, auf die Funktion und die immunologische Homöostase des Darms und auf die Plazenta und den Fötus
  • Erarbeitung der entsprechenden Wirkmechanismen und der Dosis-Wirkungsbeziehungen
  • Erarbeitung der Bedeutung des Längen/Durchmesser-Verhältnisses und  der Zusammensetzung von Nanoröhren auf deren Toxikologie und Überprüfung der Übertragbarkeit von Erkenntnissen zur Toxizität von faserförmigen Partikeln (Asbest) auf Nanoröhren
  • Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Erkenntnisse zu ultrafeinen Partikeln (gesundheitliche Effekte, ursächliche Wirkmechanismen wie z.B. oxidativer Stress und ursächliche Partikeleigenschaften wie z.B. Größe) auf neuartige synthetische Nanopartikel