Die Exposition gegenüber Quecksilber (Hg) ist in den meisten chemischen Formen äußerst neurotoxisch. Selbst Wissenschaftler, die sich mit Quecksilberverbindungen befassen, sind aufgrund einer möglichen Hg-Exposition gefährdet. Der renommierte Physiker Michael Faraday litt an einer Hg-Vergiftung, weil er über einen längeren Zeitraum Hg-Dämpfen ausgesetzt war, was dazu führte, dass er seine Forschung im Alter von 49 Jahren aufgrund einer sich verschlechternden Gesundheit abbrach. Ein weiteres Beispiel ist die Laborchemikerin Karen Wetterhahn, die durch eine Dimethylquecksilbervergiftung starb, nachdem ein paar Tropfen aus einer Pipette austraten und auf einer ihrer mit Latexhandschuhen behandschuhten Hände landeten.
Zahlreiche Studien haben sich auf die Exposition und Auswirkungen von Hg, insbesondere auf Meeres- und Meereslebewesen, konzentriert. Es ist bekannt, dass Menschen aufgrund des Quecksilbergehalts den Verzehr bestimmter Fische wie Thunfisch einschränken sollten. Es stellt sich jedoch die Frage: Können Quecksilberionen in das Gehirn von Landtieren gelangen?
Dr. Yulia Pushkar, Professorin für Physik und Astronomie am College of Science der Purdue University, war zunächst skeptisch. Seit 2008 unterhält sie ein Programm zur Bildgebung des Gehirns an der Purdue University. Ihre Gruppe verfügt über Fachwissen in den Bereichen Probenvorbereitung, Messungen und Datenanalyse und ist bei Forschern in den USA und weltweit gefragt, darunter auch aus Japan und neuerdings auch aus Australien.
Pushkars Forschungsgruppe wurde damit beauftragt, die Gehirne von Mungos, die auf der Insel Okinawa gesammelt wurden, auf Hg zu untersuchen. Überraschenderweise ergaben Gehirnscans Quecksilber bei diesen invasiven Tieren. Die Forschungsgruppe verfeinerte die Scans und erreichte eine Auflösung von einigen zehn Nanometern, um die betroffenen Gehirnzellen zu beobachten. Ihre gemeinsamen Erkenntnisse wurden kürzlich veröffentlicht veröffentlicht In Briefe zur Umweltchemie.
Das Rätsel, wie Quecksilber in das Gehirn des Mungos gelangt, bleibt ungelöst. Mögliche Quellen sind das Wasser, das sie trinken, Vogeleier, die sie konsumieren, der Kontakt mit Mineralien oder sogar die Luft, die sie atmen. Eines ist jedoch ganz klar: Das ist ein sehr schlechtes Zeichen.
„Hg ist in geringen Konzentrationen sehr giftig, da Hg essentielle Biomoleküle binden und deren Funktion beeinträchtigen kann“, erklärt Pushkar. „Die Effizienz der Entgiftung hängt von der konstanten Aufnahme und Bindung innerhalb der erkannten Ansammlungen und dem möglichen Austreten aus diesen ab, wenn Gehirnzellen absterben. Derzeit gibt es keine bekannte Möglichkeit, diese Aggregate sicher aus dem Gewebe aufzulösen, und es gibt keine Berichte über eine Umkehrung der Hg-Vergiftung.“ Der wichtigste Ansatz, den wir alle verfolgen sollten, besteht darin, jede Exposition zu vermeiden, insbesondere chronische wie im Fall von Faraday.“
Bildnachweis: Research Square
„Ich war skeptisch, ob überhaupt Hg nachgewiesen werden kann. Normalerweise sind neurotoxische Elemente, selbst wenn sie ins Gehirn gelangen, in extrem geringen Konzentrationen vorhanden“, erklärt Pushkar. „Wir brachten diese Proben zur Advanced Photon Source im Argonne National Laboratory, wo Gehirne intensiver Röntgenstrahlung ausgesetzt wurden. Entgegen meiner Skepsis war das Hg-Signal vorhanden.“
Durch das Scannen von Gehirnproben begannen die Forscher, Gehirnbereiche aufzuspüren, die offenbar einen höheren Hg-Gehalt aufwiesen. Nach dreijähriger Studie und fünf Reisen zu zwei nationalen Synchrotronanlagen (Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory und NSLS-II am Brookhaven National Laboratory) können Forscher nun berichten, dass bestimmte Gehirnzellen: Zellen des Plexus choroideus (die die Blut-Liquor-Schranke bilden). ) und Astrozyten der subventrikulären Zone enthalten Hg-reiche Puncta (~0,5–2 Mikrometer groß).
Pushkars Forscherteam glaubt, dass diese Zellen dabei helfen, Hg aus dem Blut und Gehirngewebe zu filtern und mithilfe eines anderen Elements, Selen (Se), zu speichern. Welche besonderen Se-haltigen biologischen Moleküle Hg binden, muss noch entdeckt werden.
Pushkars Team für diese Veröffentlichung besteht aus Pavani Devabathini und Gabriel Bury (beide Doktoranden) sowie dem damaligen Studenten Darrell Fischer (derzeit an der Harvard-Graduiertenschule). Die Daten wurden vom gesamten Team gesammelt und von Devabathini und Fischer analysiert. Nach der Analyse der Daten trug das gesamte Team zum Verfassen der Veröffentlichung bei.
Diese Entdeckung ist von Bedeutung für die Umweltüberwachung bei Landtieren und bietet neue Werkzeuge zur Verfolgung von Hg in Gehirnzellen, was möglicherweise Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Sicherheit hat.
„Durch menschliche Aktivitäten werden jährlich 2.000 Tonnen Quecksilberverbindungen freigesetzt, und wir verstehen nicht ganz, wo all dieses neurotoxische Hg landet“, sagt Pushkar. „Die meisten Studien konzentrierten sich bisher auf Meereslebewesen (Fische und Wale), aber offenbar sind auch terrestrische Arten betroffen. Wir gehen davon aus, dass das menschliche Gehirn durch Interaktionen mit Zellen des Plexus choroideus und Astrozyten auf Hg in ähnlicher Weise reagiert. Wir wissen es jedoch nicht.“ wenn das menschliche Gehirn über genügend Se-haltige Biomoleküle verfügt, um an Hg zu binden.“
Mehr Informationen:
Pavani Devabathini et al., Hochauflösende Bildgebung von Hg/Se-Aggregaten im Gehirn eines kleinen Indischen Mungos, einer wilden Landart: Einblicke in die intrazelluläre Hg-Entgiftung, Briefe zur Umweltchemie (2023). DOI: 10.1007/s10311-023-01666-3