Luftschadstoffe lösen zelluläre Abwehrmechanismen aus

Der Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Lungenerkrankungen ist seit langem bekannt. Jetzt deckt eine neue USC-Studie einen biologischen Prozess auf, der möglicherweise hinter diesem Zusammenhang steckt – eine Entdeckung, die neue Erkenntnisse über bessere Möglichkeiten zur Behandlung oder Vorbeugung von Krankheiten im Zusammenhang mit der Belastung durch Umweltverschmutzung liefern könnte.

„Wir wissen, dass Krankheiten, insbesondere Lungenerkrankungen, durch Luftverschmutzung entstehen können. Was wir nicht wissen, sind die Mechanismen, durch die das geschieht“, sagte Edward Crandall, Ph.D., MD, Professor für Pathologie, Mitglied der Hastings Center for Pulmonary Research und Direktor des Will Rogers Institute Pulmonary Research Center an der Keck School of Medicine der USC.

Bei ihrer Forschung entdeckten Crandall und sein Team einen wichtigen Schritt auf dem Weg zwischen Luftverschmutzung und Krankheit. Die Exposition gegenüber Nanopartikeln in der Umgebung oder sehr kleinen Schadstoffen in der Luft schränkt die Fähigkeit von Zellen ein, sich gegen andere potenzielle Schäden zu verteidigen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Autophagie-Berichte.

Crandall, der leitende Autor der Studie, und seine Kollegen untersuchten einen zellulären Abwehrprozess namens Autophagie, den Zellen nutzen, um beschädigte oder abnormale innere Materialien zu zerstören. Erstmals stellten die Forscher fest, dass die Autophagie-Aktivität in Zellen bei der Einwirkung von Nanopartikeln offenbar einen oberen Schwellenwert erreicht.

„Die Schlussfolgerung aus diesen Studien ist, dass Autophagie ein Abwehrmechanismus ist, der eine Obergrenze hat, jenseits derer er die Zelle nicht mehr weiter verteidigen kann“, sagte Crandall.

Eine obere Schwelle

Die Forscher führten eine Reihe von Tests mit Lungenadenokarzinomzellen durch. Sie setzten die Zellen zunächst Nanopartikeln aus, dann Rapamycin (eine Chemikalie, von der bekannt ist, dass sie die Autophagie anregt), dann sowohl Nanopartikeln als auch Rapamycin. In jedem Fall erreichte die Autophagieaktivität die gleiche Obergrenze und stieg nicht weiter an.

Folglich fehlt den Zellen möglicherweise die Fähigkeit, die Autophagie weiter zu steigern, um sich gegen andere Gefahren wie das Einatmen von Rauch oder eine virale oder bakterielle Infektion zu verteidigen. Dies könnte erklären, warum Luftverschmutzung das Risiko einer Person für eine Reihe akuter und chronischer Lungenerkrankungen erhöht, darunter Lungenkrebs, interstitielle Lungenfibrose und chronisch obstruktive Lungenerkrankung.

Im Rahmen der Forschung entwickelten Crandall und sein Team auch eine neue Methode zur Untersuchung der Autophagie, die künftige Studien zu diesem Thema unterstützen kann. Sie verwendeten eine Kombination aus fluoreszierenden Farbstoffen und einer leistungsstarken bildgebenden Methode, der sogenannten konfokalen Mikroskopie, um das Ausmaß der Autophagie innerhalb einzelner Zellen zu dokumentieren.

„Das Besondere ist, dass wir jetzt die autophagische Aktivität einzelner lebender Zellen in Echtzeit messen können. Es handelt sich um eine neuartige Methode zur Untersuchung der Autophagie“, sagte Arnold Sipos, MD, Ph.D., Assistenzprofessor für Forschungspathologie an der Keck School of Medizin und Erstautor der Studie.

Weitere Forschung zur Autophagie

Die neuen Erkenntnisse können dazu beitragen, die laufende Forschung zur Autophagie, auch zur Krebsbehandlung, zu unterstützen. Während Autophagie ein Segen für gesunde Zellen ist, erschwert sie die Zerstörung von Krebszellen. Die Entwicklung von Methoden zur Steigerung oder Senkung der Autophagie in Zellen könnte ein wichtiger Weg zum Schutz vor und zur Behandlung von Krankheiten sein.

„Je mehr wir über die Mechanismen wissen, durch die Krankheiten entstehen, desto mehr Möglichkeiten haben wir, Stellen auf dem Weg zu finden, an denen wir eingreifen und die Krankheit verhindern oder behandeln können“, sagte Crandall.

Als Nächstes werden Crandall, Sipos und ihre Kollegen weitere Untersuchungen durchführen, um zu testen, ob die Zugabe von Nanopartikeln zu einer Zelle deren Anfälligkeit für andere Bedrohungen, beispielsweise eine Infektion, direkt erhöht. Sie planen, den Zusammenhang sowohl in gesunden Zellen als auch in Krebszellen zu untersuchen.