Was die Umweltverschmutzung in unserem Körper anrichtet

Die Verschmutzung von Luft, Böden und Wasser fordert jährlich dreimal mehr vorzeitige Todesfälle als Aids, Tuberkulose und Malaria zusammen. Manche Forschende schätzen sogar, dass weltweit mehr Menschen jährlich an den Folgen von Umweltbelastungen vorzeitig sterben als durch Kriege. Menschen mit niedrigem Einkommen, welche in sich schnell entwickelnden Industrieländern leben, sind am stärksten von Verschmutzungen betroffen. Allein an Feinstaub sterben jedes Jahr 4,2 Millionen Menschen weltweit vorzeitig. Feinstaub ist ein Gemisch aus Russ, Übergangsmetallen, polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen und anderen Substanzen.

Neben Feinstaub und Metallen gelangen vermehrt auch Chemikalien in die Umwelt. In den letzten siebzig Jahren sind 140 000 neue Chemikalien, darunter Pestizide, auf den Markt gekommen, wie Forschende der Lancet Commission on pollution and health schrieben. Rund 5000 dieser Chemikalien sind heute in der Umwelt weit verbreitet. Nicht einmal die Hälfte dieser Chemikalien seien vor der Nutzung adäquat auf ihre Giftigkeit hin untersucht worden, so die Forschenden, strikte Sicherheitsprüfungen seien erst in den letzten zehn Jahren und in wenigen, reichen Ländern eingeführt worden. Wie und ob diese neuen Chemikalien in unserem Körper wirken, ist deshalb weitgehend unbekannt.

Die erste Schutzbarriere

Für die Abwehr toxischer Stoffe und den Schaden, den sie anrichten können, besitzen wir verschiedene Verteidigungslinien im Körper: von der physischen Barriere bis hin zur systemischen Reaktion.

Der erste Kontakt mit Schadstoffen passiert auf der Haut, in der Lunge und im Darm. Diese sogenannten Barriere-Organe dienen als Schranke und bestimmen, was der Körper aufnimmt und was nicht. Denn die drei Organe haben eine speziell undurchlässige äussere Schicht, auch Epithel genannt. Die Zellen des Epithels sind dicht miteinander verbunden und verhindern somit, dass Stoffe eindringen.

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Martin Röösli.

«Unsere Haut hat im Vergleich zur Lunge und dem Darm eine kleine Oberfläche und nur wenige Stoffe passieren diese physische Barriere», erklärt Martin Röösli, Professor für Umweltepidemiologie am Schweizerischen Tropen- und Public Health-Institut in Basel. «Unsere Lungen und der Darm hingegen haben eine relativ grosse Oberfläche, wobei das Darmepithel eine eher dicke Schutzschicht darstellt», sagt er. Auch beim Darm sei es für Stoffe aus der Umwelt deshalb schwer die dicke Wand zu durchdringen. Aufgrund der eher dünnen Barriere in unserer Lunge hingegen, sei es für Schadstoffe dort besonders einfach ins Blut zu gelangen. Vor allem für Gase und kleine Partikelschadstoffe: «Je kleiner die Partikel sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Stoffe durch die Schutzschicht in die Blutbahn eintreten», sagt der Umweltepidemiologe weiter.

Aber auch wenn Schadstoffe die Organ-Barrieren nicht durchdringen, können sie problematisch sein: «Schadstoffe können sich auch im jeweiligen Gewebe anreichern», erklärt Röösli. Zudem können diese Substanzen Schaden am Epithelgewebe anrichten. Feinstaub zum Beispiel greift Zellen in unseren Atemwegen an und kann so zu dauerhaften Lungenerkrankungen führen.

Die zweite Verteidigungslinie

Wenn das Epithelgewebe von den Schadstoffen durchdrungen wird, kann dies die zweite Abwehr auslösen. Diese nächste Reaktion ist systemisch: Unser Immunsystem wird im ganzen Körper aktiviert. Die Partikel werden von weissen Blutkörperchen, darunter Fresszellen, aus dem Verkehr gezogen. Manche Stoffe werden von den Abwehrzellen zerlegt und entsorgt, andere aber in weitere Teile des Körpers transportiert, wo sie sich ebenfalls anreichern können. Blei zum Beispiel kann sich so in Leber und Nieren, sowie in Knochen, Zähnen und Haaren sammeln. «Je nach Schadstoff, kann es Monate und Jahre dauern, bis solche Stoffe wieder ausgeschieden sind», so der Umweltepidemiologe Röösli. Das geschieht zum Beispiel über Kot, Harn oder Husten.

Umweltverschmutzung macht uns schneller alt

Sobald giftige Stoffe in unseren Körper gelangen, lösen sie unerwünschte Reaktionen aus. Generell gilt: Hohe Umweltbelastungen führen in unserem Körper zu ähnlichen Prozessen, wie das Altern. Kann man also sagen, dass die Umweltverschmutzung uns schneller altern lässt? «Ja», sagt Röösli, «Schadstoffe kurbeln Prozesse in unserem Körper an, die gleich sind wie Alterungsprozesse, nur beschleunigen diese den Effekt».

Auch bei Schadstoffen aber gilt: Die Dosis macht das Gift. Ab welcher Konzentration ein Stoff für den Körper aber überhaupt schädlich ist, ist bei jeder Substanz wieder unterschiedlich – und bei vielen unklar. Denn es kommt auf die Eigenschaften der jeweiligen Substanzen an.

Blei zum Beispiel, das durch früher durch Treibstoffe, Farbpigmente und industrielle Tätigkeiten in unsere Umwelt gelangte und dort auch heute noch zu finden ist, ist schon in geringer Menge sehr toxisch. Denn das Schwermetall bindet sehr leicht an Proteine, den Baustoffen im Körper. Zudem hemmt das Metall die Zellen darin, Moleküle aufzunehmen und stört die Freisetzung von Botenstoffen im Hirn. In der Schweiz wird der Umgang mit Blei durch verschiedene Gesetzgebungen geregelt, um
den Einsatz von Blei einzuschränken. Trotzdem sind manche Böden zu stark mit Blei belastet.

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Mancherorts belasten Schwermetalle wie Blei die Böden.

Umweltschadstoffe beeinflussen acht biologische Pfade

Nun hat ein Forscherteam, bestehend aus einer Epidemiologin und zwei Umweltwissenschaftlern, acht Effekte definiert, wie Schadstoffe unseren Körper belasten. Folgende Umwelteinflüsse wurden in dieser Übersichtsstudie miteinbezogen: Feinstaub, Ozonbelastung, Schwermetalle und Chemikalien.

Die acht Reaktionen auf Umweltstress beschreiben zelluläre oder molekulare Prozesse, die zu chronischen Krankheiten führen. Dazu zählen Erkrankungen wie Krebs, Atemwegs-, Herz-Kreislauf-, und Stoffwechselerkrankungen, sowie Schädigungen des Nervensystems.

Die Forschenden haben die acht Effekte mithilfe dreier Kriterien ausgewählt: Ein Kriterium war, dass in den ausgewählten Studien die Effekte im Körper klar durch Schadstoffe ausgelöst wurden. Die zweite Voraussetzung war, dass der Effekt von Schadstoffen im Rahmen von Humanstudien experimentell nachgeprüft wurde. Als letzte Bedingung wählten die Umweltexperten, dass die Veränderungen im Körper, ausgelöst durch die Schadstoffe, eindeutig chronische Krankheiten begünstigen.

• Oxidativer Stress und Entzündungen

In unserem Körper entstehen ständig reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS). Wenn wir eine übermässige Menge von diesen reaktionsfreudigen Verbindungen produzieren, führt dies zu oxidativem Stress. Leidet unser Körper über lange Zeit an oxidativem Stress, wird unser Immunsystem überaktiviert. Unsere Immunzellen lösen eine Entzündungsreaktion aus. Diese Entzündungen können unter anderem zu chronischen Erkrankungen führen.

In unserem Organismus kann aus verschiedenen Gründen ein Überschuss an ROS entstehen. Wenn wir älter werden, laufen in unserem Körper gewisse metabolische Prozesse nicht mehr richtig ab und dabei entstehen reaktive Sauerstoffverbindungen. Zweitens bilden sich diese hochreaktiven Verbindungen, wenn wir gewissen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Zum Beispiel, wenn wir mit Feinstaub in Kontakt kommen.

• Veränderungen des Erbguts und Mutationen

Umweltchemikalien können mutagen sein, das heisst, sie verändern unser Erbgut und führen zu Mutationen. Wie viele Mutationen wir pro Zelle haben, hängt stark von unserem Lebensstil und der Umweltbelastung ab. Nach zwanzig bis dreissig Lebensjahren haben wir bereits mehrere hundert Mutationen pro Zelle in unserer Speiseröhre. Bis wir sechzig Jahre alt werden, klettert die Anzahl auf bis zu 2000 Mutationen pro Zelle an. Konsumieren wir zum Beispiel Wasser, das mit Schwermetallen belastet ist, können diese Umweltmutagene die DNA in unseren Zellen verändern.

Diese Erbgutveränderungen repariert der Körper teilweise wieder, oft bleiben sie aber auch bestehen und häufen sich im Verlauf unseres Lebens an. Denn die Veränderungen werden vor allem in alterndem Gewebe nicht mehr gleich effizient repariert. Je mehr Mutationen sich anhäufen, desto eher entstehen Krankheiten wie Krebs, oder Atemwegs-, Herz-Kreislauf-, und neurologische Erkrankungen.

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• Epigenetische Veränderungen

Epigenetische Veränderungen sind chemische Modifikationen an unserer DNA, welche sich auf die Aktivität eines Gens oder vieler Gene zusammen auswirken. DNA-Bereiche werden dabei markiert oder entmarkiert, womit die jeweiligen Gene abgelesen oder nicht mehr abgelesen werden. Sind wir einer hohen Luftverschmutzung, Metallen wie Kadmium und Nickel, sowie anderen schädlichen Chemikalien ausgesetzt, führt dies zu Veränderungen unseres Epigenoms. Das heisst, Umweltbelastungen können durch epigenetische Modifikationen die Genexpression negativ beeinflussen und das Risiko diverser Erkrankungen erhöhen. Zudem können sie den Alterungsprozess beschleunigen. Sowohl Kadmium als auch Nickel unterliegen in der Schweiz gesetzlichen Grenzwerten.

• Mitochondriale Störung

Mitochondrien sind die Kraftwerke unserer Zellen und stellen uns den grössten Teil der benötigten Energie zur Verfügung. Diese Organellen sind sehr empfindlich gegenüber oxidativem Stress. Sind wir nun zum Beispiel Feinstaub oder toxischen Metallen aus der Luft ausgesetzt, kann dies zu einer Dysfunktion dieser Organellen führen. Wenn unsere Mitochondrien nicht mehr einwandfrei funktionieren, entwickeln wir eher chronische Krankheiten und altern zudem auch schneller.

• Endokrine Disruptoren

Sogenannt endokrin wirkende Chemikalien (EDC) beeinflussen unser Hormonsystem. Sie können an unsere Hormonrezeptoren binden und deren Aktivität ankurbeln oder blockieren. Dadurch können schädliche Umweltstoffe die Herstellung, Ausschüttung und den Transport von Hormonen in unserem Körper beeinflussen.

EDCs verursachen so unter anderem Störungen unseres Immunsystems, beschleunigen den Knochenabbau, kognitive Alterung und Demenz. Zudem können Schadstoffe die Entwicklung eines Fötus stark beeinflussen.

Forschende vermuten, dass heutzutage rund 1500 Chemikalien mit Effekten auf unseren Hormonhaushalt auf dem Markt sind. Vor acht Jahren schätzte die WHO diese Zahl noch auf halb so viele Umweltchemikalien.

Ein bekanntes Beispiel für EDCs sind industriell hergestellte Chemikalien wie polychlorierte Biphenyle (PCB), welche in der Natur äusserst langlebig sind. In der Schweiz sind diese seit 1986 verboten. Trotzdem sind immer noch relevante Mengen von PCB in der Umwelt.

Auch das Pestizid Organochlor-Insektizid, auch DDT genannt, gehört zu den schwer abbaubaren Stoffen, die zu Störungen in unserem Hormonsystem führen. Auch dieses ist verboten.

• Veränderte Kommunikation zwischen den Zellen

Unsere Zellen produzieren Stoffe, um miteinander zu kommunizieren. Ein Beispiel für ausgeschiedene Stoffe sind extrazelluläre Vesikel. Diese Vesikel sind kleine Bläschen, welche über die Blutbahnen in verschiedene Gewebe gelangen und Informationen übermitteln.

Schädliche Chemikalien wie Metalle und Bisphenol A können diese Vesikel modulieren und so den Informationsaustausch zwischen den Zellen stören. Ob diese Wirkung bei Bisphenol A aber zum Beispiel bedenklich für die Gesundheit ist, ist umstritten.

Wenn wir mit Feinstaub und anderen Verschmutzungen aus der Luft in Kontakt kommen, können grosse Mengen dieser Signalvesikel ins Blutsystem ausgeschüttet werden. Diese Massenausschüttung von sekretierten Bläschen kann in den Blutbahnen neue Entzündungsreaktionen auslösen.

• Veränderte Mikrobiom-Gemeinschaft

Das Mikrobiom unserer drei Barriere-Organe setzt sich aus Bakterien, Pilzen und andere Mikroorganismen aus unserer Lebenswelt zusammen. Je mehr Mikroorganismen mit uns in Berührung kommen, desto diverser entwickelt sich unser Mikrobiom.

Es gibt aber auch Umwelteinflüsse, die unser Mikrobiom negativ beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist Arsen. Auch in einigen Teilen der Schweiz sorgte das hochgiftige Metall schon für Schlagzeilen: Im Jahr 2002 lagen die Arsenwerte vor allem in Bergkantonen wie dem Tessin, Wallis und in Graubünden im Trinkwasser über dem Richtwert. Dabei geht es um Arsen natürlichen Ursprungs. Sind wir beispielsweise kleinen Dosen des Metalls über lange Zeit ausgesetzt, kann dies erhebliche Auswirkungen auf unser Darmmikrobiom haben. Folglich kann dies zu chronischen Krankheitsverläufen führen.

• Beeinträchtigte Funktion des Nervensystems

Chemikalien wie Blei, Methylquecksilber und Arsen sind toxisch für die Entwicklung des kindlichen Nervensystems . Aber auch für Erwachsene sind die Stoffe bedenklich. Methylquecksilber zum Beispiel erwies sich in Zellversuchen als giftig für Hirnstammzellen und kann die Genexpression verändern. In der Schweiz gibt es Böden, die mit Quecksilber vorbelastet sind.