Wie sich die Lunge gegen eindringende Nanoteilchen schützt

  • Das zähe Gelgerüst verhindert, dass Nanoteilchen von einer Pore zur nächsten wandert.
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    foto: kirch et al.

    Das zähe Gelgerüst verhindert, dass Nanoteilchen von einer Pore zur nächsten wandert.

Lungenschleim bildet steifes Gelgerüst, das Bewegung der Partikel über Porengrenzen hinweg verhindert

Ein deutsch-französisches Forscherteam hat entdeckt, wie die Lunge sich selbst vor eindringenden Nanoteilchen schützt. Die Wissenschafter fanden heraus, dass im Lungenschleim ein steifes Gelgerüst große, mit Flüssigkeit gefüllte Poren voneinander trennt und die Bewegung der winzigen Partikeln über Porengrenzen hinweg verhindert. Die Ergebnisse vertiefen das Verständnis von Erkrankungen der Atmungsorgane, insbesondere von Infektionen, und unterstützen die Entwicklung neuer Medikamente zur Inhalation.

Schleim überzieht die innere Oberfläche unserer Atemwege. Das zähfließende Gel befeuchtet die Lunge und verhindert, dass Viren oder kleine Partikel wie Dieselruß ungehindert eindringen. Ungeklärt war bisher, wie weit sich solche Nanopartikel durch den Schleim der Lunge bewegen können. Wissenschaftliche Ergebnisse hierzu widersprachen sich. So konnte bisher auch nicht erklärt werden, warum bei der Entwicklung von Medikamenten, die inhaliert werden sollen, Wirkstoff-Nanoteilchen bisweilen nicht am anvisierten Wirkort in den Lungenzellen ankamen, sondern schlicht im Schleim stecken blieben.

Dies haben Pharmazeuten und Physiker jetzt in einer Studie herausgefunden. An der in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Arbeit beteiligten sich Wissenschafter des Helmholtz-Instituts für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), einer Außenstelle des HZI, sowie Forscher der Saar-Uni, der Université Paris-Diderot und von Fresenius Medical Care Deutschland.

Schwammige Strukturen

"Der Mucus der Lunge ist ein besonderes Gel. Er ist völlig anders gebaut als andere Gele", erläutert Claus-Michael Lehr, Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie der Saar-Uni. "Normale" Gele besitzen eine Mikrostruktur, die einem filigranen Spinnennetz aus dünnen, feinsten Fäden gleicht, die kleine Poren umschließen. Beim Blick durchs Mikroskop wirkt der Lungenschleim dagegen wie ein Schwamm: Steife, dicke Gelstäbe trennen große, mit Flüssigkeit gefüllte Poren. "Diese Gerüstproteine werden Mucine genannt", erklärt Lehr. Die Forscher haben jetzt bewiesen, dass Nanopartikel an diesen Strukturen wie an den Gitterstäben eines Käfigs hängen bleiben. Dass in vielen Untersuchungen die Nanopartikel im Schleim als sehr beweglich erschienen, erklärt sich daraus, dass bei diesen Forschungen im Nanometerbereich gearbeitet wurde: Die Partikel bewegen sich innerhalb einer Pore völlig ungehindert; erst wenn sie die einzelnen Poren zu überwinden versuchen, werden sie an den "Stäben" ausgebremst.

"Unsere Ergebnisse helfen uns zu verstehen, wie Infektionskrankheiten der Atemwege entstehen und wie diese besser bekämpft werden können. Sie sind insbesondere eine wichtige Grundlage für die Entwicklung inhalativer Medikamente", erklärt Lehr. Hierbei muss nach den neuen Erkenntnissen berücksichtigt werden, wie die Wirkstoffe das Gelgerüst des Schleims überwinden können. Dafür kommen so genannte mucolytische Verfahren in Betracht, bei denen die Stäbe quasi durchschmolzen werden: Diese lösen sich vor dem Nanopartikel auf, lassen ihn passieren, und schmelzen hinter ihm wieder zusammen.

Optischen Pinzette bewegt Nanoteilchen

Die Experimentalphysiker der Saar-Uni um Christian Wagner untermauerten die Annahme unter anderem mit der Optischen Pinzette. Sie erlaubt es, kleinste Teilchen mit gebündelten Laserstrahlen wie mit einer Pinzette anzufassen und zu bewegen. "Über die Laserstrahlen der Optischen Pinzette können wir die Kraft messen, die erforderlich ist, um das Teilchen im Gel zu bewegen. Das ermöglicht uns, Rückschlüsse über das Medium zu ziehen, durch das die Kugel bewegt wird", erklärt Wagner. "Wir konnten die Kugel mit gleichbleibender Kraft durch die flüssige Phase im Inneren der Pore ziehen - genauso wie in einem normalen Gel. Wenn aber die Kugel gegen die Porenwand, also auf die Gelstäbe des Schleims stieß, konnte der Laserstrahl sie nicht weiter bewegen", erläutert Wagner.

Auch Versuche mit dem Rasterkraftmikroskop und weitere Experimente untermauern die These: So durchdrangen Eisen-Nanopartikel unter dem Einfluss eines magnetischen Kraftfeldes das "normale" Vergleichsgel ohne Schwierigkeiten, den Lungenschleim aber nicht. Strukturanalysen des Schleims wurden mit Hilfe der so genannten Kryo-Elektronenmikroskopie von Wissenschaftern der Fresenius Medical Care Deutschland durchgeführt. Die Erkenntnisse über die spezielle Struktur des Lungenschleims werden - so erwarten die Forscher - die Entwicklung der nächsten Generation von Medikamenten gegen Erkrankungen der Atemwege beeinflussen. (red, derstandard.at, 26.10.2012)

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10 Postings
(Ultra)Feinstaub ist und bleibt stark gesundheitsschädlich

vielleicht auch gerade deshalb weil er in der Schleimschicht fixiert wird und den Körper damit nicht mehr verlässt.

http://www.lungeninformationsdienst.de/praeventi... index.html

Und je kleiner die Partikel desto ausgeprägter dürfte der Staubsaugereffekt der Lunge sein, denn umso weiter können diese vordringen und umso mehr Oberfläche steht ihnen zur Verfügung.

Damit sind insbesondere Verbrennungsprodukte aus moderenen Dieselmotoren und den Triebwerken von Flugzeugen gesundheitlich bedenklich.

Lungenschleim?

Das klingt so wie Fußkrebs :-)

Wie wäre es mit Bronchialschleim gewesen?

Liebe Wissenschaftsredaktion

Ihr sucht euch aber wirklich komplexe Themen aus, deren Funktion ihre dann auch noch schlecht erklärt. Vor allem die klinischen Implikationen die hier angedeutet werden sind, sagen wir mal, nicht unumstritten.
Die muköse Schicht von der hier berichtet wird sitzt auf eine stark beweglichen Unterlage (dem Flimmerepithel) das allen Schleim aktiv zu den oberen Atemwegen hinfächert
http://www.youtube.com/watch?v=R... z8chUYdEc. Das ist der Hauptreinigungsmechanismus der Lunge. Erst wenn diese Funktion erlahmt (Nikotin, Entzündung usw.) ist eine Abwehrfunktion des Mucus gefragt.
Offenbar wurden hier Teilchengrößen von 200-400nm untersucht. So klein ist kaum ein Medikamentenaerosol, der würde sonst gar nicht sedimentieren, sehr fraglicher Einfluß.

Etwas muss zuerst gebunden werden im Schleim bevor es durch ihn abtransportiert werden kann.

Die Teilchen in der Lunge müssen nicht sedimentieren um die Oberfläche zu erreichen (auch wenn Teilchen mit 200-400 nm in den meisten Fällen noch sedimentieren, kommt auf die Dichte an).
Außerdem gehts hier nicht um das Medikamentenaerosol, sondern um den Wirkstoff im Medikamentenaerosol. Es werden Nanopartikel angedacht um die Penetration von Zellen zu verbessern, bzw um daran gebundene Wirkstoffe besser an ein bestimmtes Target zu bringen. Das funktioniert in Zellkultur, injiziiert und oral schon recht gut. Hier war offenbar die Fragestellung warum es eben über den Mukus der Lunge nicht gut geht.

Es muß etwas nicht chemisch gebunden werden um mit dem Mucus mittransportiert werden zu können

Es reicht eine adhesive Auflagerung. Was dann passiert hängt wesentlich von der Löslichkeit (wasser oder fett) ab.
Dann hängt es maßgeblich davon ab wo ich den Wirkstoff deponieren möchte. Einen Bronchodilator in den Alveolarraum zu bringen macht wenig Sinn, eine vasoaktive Substanz werde ich dagegen gerne möglichst rasch capillär deponieren.
Ich finde es problematisch in solchen Überlegungen den Effekt erster Ordnung (die ziliäre clearance) wegzulassen und den Transport in einem statischen Millieu zu testen.
Wie Teilchen die Bronchealoberfläche erreichen sollen ohne zu sedimentieren ist mir unklar. Die Aerosol Dispersion in den Atemwegen ist gut untersucht http://www.jappl.org/content/89/ und ist schwerkraftabhängig.

dajtsche schprach - schwere schprach

ist der Genitiv Plural von "das Partikel" nicht "der Partikel" (ohne -n)?

****
das partikel
des partikels
dem partikel
das partikel

die partikel
der partikel
den partikeln
die partikel
****

hätt ich halt gesagt...

naja

habens imo schon recht aber...
"der partikeler" wäre weit schlimmer ;)

andererseits klingt "der partikeler" schon fast wieder ein bisschen richtig... auf schwedisch oder so...

Nanoteilchen?

Ist damit auch Feinstaub gemeint, oder ist der noch immer böse?

Kommt darauf an

Der Feinstaub aus Pelletsöfen ist unschädlich - schädlich ist nur der Feinstaub, den die Autos verursachen.

Weiß zwar kein Mensch, warum das so ist, es ist aber so - ja ganz sicher, bestimmt!

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