Wenn Radionuklide in unseren Organismus gelangen, sei es durch Einatmen, Verschlucken oder über Wunden, stellen sie ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar. Viele bisherige Studien zur Radionuklidexposition konzentrierten sich hauptsächlich auf Tierversuche. Es liegen jedoch nur wenige Daten zur Toxizität auf zellulärer und molekularer Ebene vor.
Nierenzellen sind von besonderem Interesse, da sie bei Säugetieren eine zentrale Rolle bei der Entgiftung zwei-, drei- und sechswertiger Radionuklide sowie anderer Schwermetalle über die Urinausscheidung spielen.
Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden hat nun ein anderes Bild gefunden. Die Forscher Bericht im Journal Wissenschaft der gesamten Umwelt.
Da radioaktive Schwermetalle auf natürliche Weise in der Erdkruste vorkommen, können sie durch geologische Prozesse wie Verwitterung und Erosion in Wasser, Boden und Luft freigesetzt werden. In den letzten 60 Jahren hat auch die Verwendung von Radionukliden in Industrie, Medizin und Forschung erheblich zugenommen.
Insbesondere im Bergbau, bei Unfällen in Kernkraftwerken und bei Lecks in Sicherheitsbehältern können diese Elemente in die Umwelt gelangen. Ein weiterer, wenn auch weniger bedeutender Faktor, der zur Freisetzung von Radionukliden beiträgt, ist ihre Verwendung in der Diagnostik und Therapie von Krebserkrankungen.
„Eine akute oder chronische Belastung mit radioaktiven Schwermetallen und deren radio- und chemotoxischer Wirkung birgt eine Reihe gesundheitlicher Risiken für Mensch und Tier. Einmal aufgenommen, gelangen sie über die Blutbahn in die Niere. Da die Niere eine Schlüsselrolle bei der Ausscheidung von Schwermetallen spielt, interessieren uns insbesondere die Wechselwirkungen dieser Elemente mit Nierenzellen“, beschreibt Dr. Astrid Barkleit vom Institut für Ressourcenökologie des HZDR den Forschungsschwerpunkt.
Bisherige Studien haben sich hauptsächlich damit beschäftigt, wie sich Schwermetalle in lebenden Menschen und Tieren anreichern und aus ihnen ausgeschieden werden. Mithilfe mathematischer biokinetischer Modelle kann man ihre allgemeine Verteilung im Körper beschreiben, die zugrundeliegenden biologisch-chemischen Prozesse sind jedoch größtenteils unbekannt.
Das Forschungsteam untersuchte daher die Auswirkungen verschiedener Schwermetalle auf Nierenzellen und in welcher chemischen Form die Metallionen vorliegen. Diese Erkenntnisse sind wichtig, um geeignete Dekorporationsmittel zu identifizieren, also Komplexbildner, die versehentlich aufgenommene Metallionen möglichst schonend aus dem Körper entfernen.
„In unserer umfangreichen Studie haben wir die Wirkung von Barium(II), Europium(III) und Uran(VI) auf menschliche und Rattennierenzellen in vitro, also unter kontrollierten Laborbedingungen außerhalb des lebenden Organismus, verglichen. Die Zellexperimente wurden im Zentralen Radionuklidlabor der TU Dresden durchgeführt“, erklärt Dr. Anne Heller von der Professur für Radiochemie/Radioökologie der TU Dresden.
„Sowohl an der TU Dresden als auch in den radiochemisch kontrollierten Bereichen des HZDR stehen hochspezialisierte Analysemethoden zur Verfügung. Sie ermöglichen uns eine einzigartige Kombination aus zellkulturbasierten In-vitro-Untersuchungen und mikroskopischen, analytischen und spektroskopischen Methoden.“
„Dadurch konnten wir die Zelllebensfähigkeit, Zelltodmechanismen und die intrazelluläre Metallaufnahme der exponierten Zellen untersuchen. Zudem konnten wir die Speziation der Schwermetalle bestimmen. Speziation beschreibt die Verteilung verschiedener chemischer Bindungsformen eines Elements im Zellkulturmedium und innerhalb der Zellen.“
Diese Erkenntnisse helfen den Wissenschaftlern, die Wechselwirkungen dieser Schwermetalle auf zellulärer und molekularer Ebene besser zu verstehen.
Sorgfältig ausgewählte Schwermetalle
Die in ihrer Studie verwendeten Metallionen wählten die Forscher mit Bedacht aus. Barium(II) eignet sich gut, da es für die Untersuchung des natürlich vorkommenden radioaktiven Radium(II) einen sicheren Ersatz darstellt.
Chemisch gesehen ist das nicht radioaktive Europium(III) den künstlich erzeugten radioaktiven Elementen Americium(III) und Curium(III) sehr ähnlich. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner hervorragenden Lumineszenzeigenschaften ein ideales Element für spektroskopische Nachweise.
Als natürlich vorkommendes Schwermetall ist das leicht lösliche Uran(VI) von besonderer Bedeutung für die Radioökologie, insbesondere hier in Sachsen, wo die Folgen des Uranbergbaus, insbesondere die Kontamination von Böden und Gewässern, eine große wirtschaftliche und technologische Herausforderung darstellen.
Darüber hinaus ist ein genaues Verständnis des komplexen Verhaltens dieser Schwermetallionen sowohl für allgemeine Aspekte des Strahlenschutzes als auch für die Sicherheit geplanter Endlager für radioaktive Abfälle von entscheidender Bedeutung.
Um die chemische Bindungsform der Schwermetalle im Körper zu untersuchen, gaben die Wissenschaftler wässrige Metalllösungen in die Zellen. Die Schwermetallionen verloren daraufhin ihre ursprüngliche Wasserhülle und wurden von zellulären Molekülen, sogenannten Bioliganden, umschlossen.
Mithilfe spezieller Techniken wie Lumineszenzspektroskopie und chemischer Mikroskopie konnten die Forscher die Verteilung von Europium(III) in den Zellen sichtbar machen. Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurde zudem sichtbar, wie sich die Zellen bei Kontakt mit dem Schwermetall veränderten. Je nach Element schwollen die Zellen an, ihre Membran zersplitterte oder Zellteile lösten sich ab.
Mehr Informationen:
Christian Senwitz et al, Wirkung von Ba(II), Eu(III) und U(VI) auf Ratten-NRK-52E- und humane HEK-293-Nierenzellen in vitro, Wissenschaft der Gesamtumwelt (2024). DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.171374