Asbest ist ein gängiges Baumaterial und wird verwendet, um eine Reihe natürlich wachsender Mineralien zu beschreiben. Schwere Krankheiten, einschließlich Mesotheliom und Lungenkrebs, können Jahrzehnte nach dem Kontakt mit Asbest auftreten.
Biomedizinische Forscher haben viele Jahre damit verbracht, zu verstehen, wie Asbest Krankheiten verursacht, obwohl mehrere Teile des Puzzles noch unbekannt sind. Ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der University of Pennsylvania verfolgte einen völlig anderen Ansatz und untersuchte stattdessen, wie die Wechselwirkungen das Mineral selbst verändern.
„Viele Studien haben sich mit der Toxizität von Asbest befasst, und wir wollten uns diesem Thema von der anderen Seite nähern und nicht die Auswirkungen auf die Zellen untersuchen, sondern untersuchen, was mit dem Mineral passiert, sobald es sich in der Zelle befindet“, sagt Reto Gieré, a Professor am Penn’s Department of Earth and Environmental Science an der School of Arts & Sciences und leitender Autor der Arbeit, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte.
„Wir haben modernste experimentelle Techniken eingesetzt, die bis in den Nano- und sogar den atomaren Maßstab reichen, um die Umwandlung der Mineralien zu sehen“, sagt Erstautor Ruggero Vigliaturo, jetzt Tenure-Track-Assistenzprofessor an der italienischen Universität Turin, der die abgeschlossen hat Forschung während eines Postdoktorandenstipendiums an der Penn. „Was wir gesehen haben, ist, dass die Mineralien Veränderungen unterliegen, die fast so aussehen, als würden sie sich gegen die Zellen verteidigen.“
Die Forschung entstand aus einer größeren Reihe von Experimenten zu Asbest, die vom Exzellenzzentrum für Umwelttoxikologie von Penn durchgeführt wurden. Obwohl es sich um einen gebräuchlichen Begriff handelt, ist das Wort „Asbest“ kein wissenschaftlicher, sondern wird in der Industrie verwendet, um sich auf eine breite Palette von Mineralien mit unterschiedlichen Strukturen und chemischen Zusammensetzungen zu beziehen. In der aktuellen Arbeit konzentrierten sich Vigliaturo, Gieré und Kollegen auf Amphibolasbest, von dem angenommen wird, dass es gefährlicher ist als andere Sorten.
Während sich viele Untersuchungen zur Toxizität von Asbest darauf konzentriert haben, wie das Körpergewebe auf das Mineral reagiert, wollten die Forscher hier beobachten, wie das Mineral auf die Aufnahme durch menschliche Lungenzellen reagiert. In Zusammenarbeit mit Forschern des Nationalen Instituts für Chemie in Slowenien nutzten Vigliaturo und Gieré eine Bildgebungstechnologie mit extrem hoher räumlicher Auflösung, um die Mineralien zu charakterisieren, nachdem sie zwei Tage in menschlichen Lungenzellen verbracht hatten. Im Gegensatz dazu konzentrierten sich die meisten Asbestforschungen bisher auf die Auswirkungen auf den Körper, wenn lange Asbestfasern in Gewebebereichen außerhalb von Zellen verbleiben.
Mit spezialisierten Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) dokumentierten die Forscher nie zuvor gesehene Veränderungen in den Amphibolmineralien, von denen viele von Zellkompartimenten namens Lysosomen aufgenommen wurden, die typischerweise an der Verarbeitung von Zellabfällen und dem programmierten Zelltod beteiligt sind .
„Bei diesen Lysosomen, die saurer sind als der Rest der Zelle, haben wir beobachtet, dass sich die Oberfläche des Minerals aufzulösen beginnt“, sagt Gieré.
Eine unmittelbare Frage zu diesen relativ eisenreichen Mineralien tauchte schnell auf: „Was war das Schicksal des Eisens?“ er sagt.
Eine verfeinerte Art der TEM-Analyse ermöglichte es den Forschern zu sehen, dass sich der Oxidationszustand von Eisen während dieser Auflösung änderte, Veränderungen, die die Art und Weise beeinflussen könnten, wie das Mineral mit anderen Zellbestandteilen wie Organellen und Zellkernen reagiert.
Auch die mineralischen Oberflächen erfuhren auffällige Veränderungen, darunter die Bildung einer eisenreichen, amorphen Schicht, nachdem sie von den Zellen aufgenommen wurden. Die Schicht erinnerte die Wissenschaftler an Asbestkörper, allerdings mit deutlichen strukturellen und chemischen Unterschieden. Asbestkörper werden eher von Makrophagen im Lungengewebe als in den Zellen gebildet und sind mit einer längeren Exposition gegenüber Asbest verbunden.
„Wenn Sie Proben von Lungengewebe untersuchen, die von Patienten entnommen wurden, die an asbestbedingten Krankheiten erkrankt sind, finden Sie Asbestfasern, die von einer bräunlichen Beschichtung umgeben sind. Das sind Asbestkörper“, sagt Gieré. „Die Beschichtung wird biogen gebildet, und das Eisen wird hauptsächlich durch ein Protein namens Ferritin aus dem Körper geliefert.“
Bei ihren Experimenten mit dem Asbest in den Zellen und nicht im Zellzwischenraum beobachteten die Forscher keine Asbestkörper, sondern eine Eisenschicht auf den Mineralien, die aus dem Mineral selbst stammte. Und im Gegensatz zu Asbestkörpern enthielten diese Beschichtungen keinen Phosphor.
„Warum das passiert, wissen wir nicht“, sagt Gieré. „Es kann sein, dass die Zelle versucht, sich selbst zu schützen, indem sie diese Veränderung im Mineral auslöst, aber es ist zu früh, um das zu sagen.“
Darüber hinaus stellt Vigliaturo fest, dass die eisenreicheren Amphibole unerwarteterweise eine weniger ausgeprägte Auflösung und eine weniger ausgedehnte amorphe Schicht zeigten als die Sorten, die weniger Eisen enthielten. „Das war das Gegenteil von dem, was wir erwartet hatten und was in abiotischen Experimenten berichtet wurde“, sagt er.
Die mineralogischen Veränderungen, sagen die Forscher, könnten sich darauf auswirken, wie der Körper auf die Asbestfasern reagiert und damit umgeht – ein Prozess, der mit der Entstehung von Krankheiten Jahrzehnte später in Verbindung stehen könnte. Sie warnen jedoch davor, dass ihre Experimente über einen kurzen Zeitraum von nur zwei Tagen und in vitro mit Zelllinien und nicht im menschlichen Körper durchgeführt wurden. Sie sagen, dass mehr Arbeit notwendig ist, um zu verstehen, ob sich das, was sie beobachten, in lebenden Menschen widerspiegelt, die Asbest ausgesetzt sind.
Gieré, Vigliaturo und ihre Kollegen erforschen weiterhin die Wechselwirkung von Lungenzellen und Asbest, konzentrieren sich jedoch auf die biochemischen Veränderungen in den Zellen selbst. Sie experimentieren auch mit verschiedenen Arten von Asbest, um besser zu verstehen, wie ihre Ähnlichkeiten und Unterschiede mit der Krankheitslast zusammenhängen können.
Sie hoffen, dass ihre Ergebnisse anderen Forschern helfen, die toxischen und krebserregenden Wirkungen von Asbest zu interpretieren. Und für Vigliaturo, der in Casale Monferrato, Italien, geboren wurde, einer Stadt mit 40.000 Einwohnern und mehr als 3.000 Todesfällen, die auf die Toxizität von Asbest in einer örtlichen Fabrik zurückzuführen sind, ist der Wunsch, mehr über asbestbedingte Krankheiten zu erfahren, ein persönlicher.
„Wir haben Nanowissenschaft, Biologie und Nanomaterialtechnologie genommen und sie zur Mineralogie gebracht“, sagt er. „Wir nutzen unseren spezialisierten Hintergrund, um zur Lösung dieses Teils des Puzzles beizutragen.“
Ruggero Vigliaturo et al, Nanoscale transformations of amphiboles within human alveolar epithelial cells, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-05802-x