Thomas Zoller
Dr. med.
Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies durch phagozytierende Zellen. Entwicklung
eines Modellsystems und Abschätzung des Gefährdungspotentials durch künstliche
Mineralfasern
Geboren am 17. November 1970 in Freiburg im Breisgau
Reifeprüfung am 11.05.1990 in Eppelheim
Studiengang der Fachrichtung Medizin vom WS 1991 bis SS 1997
Physikum am 06.09.1993 an der Universität Heidelberg
Klinisches Studium in Heidelberg
Praktisches Jahr Houston (USA), Durham (USA), Heidelberg
Staatsexamen am 02.12.1997 an der Universität Heidelberg
Promotionsfach Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
Doktorvater Prof. Dr. med. W. J. Zeller
Nach heutigem Kenntnisstand wird davon ausgegangen, daß freie Radikale das Sauerstoffs,
freigesetzt durch Alveolarmakophagen, größtenteils für die nach Inhalation von Stäuben wie
z.B. Quarz oder Asbest entstehenden Folgeerkrankungen wie z.B. Fibrose oder Tumoren
verantwortlich sind. Zur Abschätzung des von inhalierten Stäuben ausgehenden Risikos
wurden bisher neben epidemiologischen Studien In-vivo-Experimente, zumeist an Nagetieren,
oder In-vitro-Experimente an von Tieren gewonnenen Alveolarmakrophagen durchgeführt.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein Modellsystem entwickelt, mit welchem
durch Einsatz von zu Makrophagen ausdifferenzierten HL-60-Zellen (eine Promyelozyten-
Leukämie-Zellinie) das Ausmaß der Radikalfreisetzung nach Exposition der Zellen gegenüber
verschiedenen Stäuben quantitativ erfaßt werden kann. Die freigesetzten Radikale werden
mittels der Chemilumineszenz (CL) detektiert. Durch Einsatz von Calcitriol in geeigneter
Konzentration ließen sich Zellen gewinnen, die nach Stimulation mit Stäuben für die
Durchführung der Experimente ausreichende Mengen an Sauerstoffradikalen freisetzten.
Anhand weiterer Untersuchungen wurden folgende Parameter, die für die Optimierung des
Modellsystems wichtig waren, untersucht: Zelldichte im Chemilumineszenz-Reaktionsansatz,
Verwendung von verschiedenen Puffern und Medien im Reaktionsansatz, Einfluß des pH-
Indikators Phenolrot auf die Chemilumineszenz, Art der freigesetzten Sauerstoffradikale,
Ethanolkonzentration während der Ausdifferenzierungsphase der HL-60-Zellen.
Weiterhin wurde die Chemilumineszenz nach Stimulation der ausdifferenzierten HL-60-
Makrophagen (HL-60-M-Zellen) durch eine grobe sowie durch eine feine Quarzstaubprobe
bestimmt; anschließend wurden dieselben Zellen in einem zweiten Versuchsschritt mit
Phorbol-Myristat-Acetat stimuliert, um anhand der erneuten Radikalproduktion eventuelle
Zellschädigungen aufzudecken. Zusätzlich wurde die Viabilität der Zellen nach 3-stündiger
Inkubation bestimmt.
Die gewonnenen Ergebnisse wurden Ergebnissen gegenübergestellt, die mit
Rinderalveolarmakrophagen gewonnen wurden. Eine weitgehende Übereinstimmung der
Ergebnisse bei beiden Zellsystemen konnte festgestellt werden. Die feinkörnige Quarzfraktion
wirkte in beiden Zellsystemen toxischer als die grobkörnige Quarzfraktion.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das entwickelte Modellsystem benutzt, um die
Radikalfreisetzung durch HL-60-M-Zellen nach Exposition gegenüber einer Glaswolleprobe,
drei Steinwolleproben, einer Krokydolithprobe sowie einer Erionitprobe zu bestimmen.
Unmittelbar nach Exposition der HL-60-M-Zellen konnte ein steiler Anstieg der
Chemilumineszenz beobachtet werden, der nach ca. 15 Minuten weitgehend abgeklungen
war. Die höchste Radikalfreisetzung war jeweils nach Exposition der Zellen gegenüber Quarz
zu beobachten. Die HL-60-M-Zellen setzen im Verhältnis zu Quarz (Positivkontrolle, als
100% gesetzt) etwa folgende Mengen an Sauerstoffradikalen (Maximum/Integral der CL-
Kurve) frei: Code A 30%/60%, Code G 30%/50%, MMVF21 34%/55%, HT-N 45%/58%,
Krokydolith 15%/8%, Erionit 60%/38%. Die gleichen Fasern wurden nach einer
Vorinkubation von 3-6 Wochen (i.d.R. 4 Wochen) in physiologischer NaCl-Lösung noch
einmal untersucht. Diese Vorinkubation sollte ggf. Hinweise auf die
Biodurabilität/Biopersistenz der Fasern in vivo liefern. Hier war bei Code A- und Code G-
Fasern ein deutlicher Abfall, bei allen anderen Fasern ein leichter Anstieg der
Chemilumineszenz zu beobachten. Da sich der pH-Wert der NaCl-Lösung während der Dauer
der Vorinkubation ändert, wurden zusätzlich Experimente durchgeführt, bei denen
ausgewählte Faserstäube in pH-gepufferter Lösung bei pH 7,4 und pH 5,5 vorinkubiert
wurden. Die gefundenen Ergebnisse deckten sich qualitiativ mit denen, die mit in
ungepufferter Lösung vorinkubierten Fasern gewonnen wurden. Aufgrund der geringen
beobachten Unterschiede können die Ergebnisse nach Vorinkubation mit einem Veronal-
Puffer pH 7,4 jedoch nur eingeschränkt verwertet werden; ein negativer Einfluß des
verwendeten Puffers auf die Chemilumineszenzbestimmung kann nicht ausgeschlossen
werden.
Viabilitätstests mit HL-60-M-Zellen nach Faserstaubexposition erbrachten keine eindeutigen
Ergebnisse.
Abschließend betrachtet, eignet sich die Methode der Chemilumineszenzbestimmung nach
Exposition der HL-60-M-Zellen gegenüber Stäuben gut als Modellsystem zur schnellen und
einfachen Bestimmung der nach Staubexposition von Makrophagen freigesetzten
Radikalmenge.
Nach Exposition gegenüber KMF wurden Ergebnisse gewonnen, die sich mit den bisher in
der Literatur teilweise vorhandenen Ergebnissen decken. In der vorliegenden Arbeit konnten
darüber hinaus erstmals Unterschiede in der Bioreaktivität von KMF nach Vorinkubation bei
neutralem und anderen pH-Werten beobachtet werden, was erste Hinweise auf die
Langzeittoxizität nach Inhalation der KMF in der Lunge geben könnte. Naheliegend ist
insbesondere der Einsatz des vorliegenden Modellsystems für Screening-Untersuchungen bei
der Entwicklung neuer Fasertypen.
