Dr. med. Michael P. Jaumann

Das Befinden des Menschen hängt in hohem Maße von seiner Umwelt ab. Heutzutage gibt es mehr denn je zuvor Substanzen, welche Risiken für die menschliche Gesundheit darstellen. Die wissenschaftlichen Berichte über durch Umweltbelastungen ausgelöste Erkrankungen bestätigen, daß die Belastungen an einem kritischen Punkt angekommen sind. Wichtige inhalative Schadstoffe in den Industrieländern sind Stickoxide, Ozon und Kohlenwasserstoffe. Der photochemisch-oxidative Smog enthält in hohen Konzentrationen Ozon, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Aldehyde und saure Aerosole. Ozon ist ein wichtiger Indikator für photochemischen Smog.

Die Folge dieser Belastungen ist, auch wenn zunächst ohne greifbare morphologische Veränderungen, ein signifikanter Anstieg von Erkrankungen des oberen und unteren Respirationstraktes. Dargestellt werden soll das oftmals synergistische Zusammenwirken der toxischen Substanzen mit den Epithelien (Zytoplasmamembranen), den immunrelevanten Zellen, die Interaktion ihrer Mediatoren und die Bedeutung der Zytokine sowie des Komplementsystems. Eine wesentliche Eigenart der allergischen Reaktion ist ihre Auslösung durch Fremdstoffe. Angesichts der Datenlage verwundert es, daß in Deutschland aktuelle Beeinträchtigungen durch z.B. Ozon zwischenzeitlich akzeptiert, die chronischen Schädigungen aber noch immer negiert werden.

 Airway Disease by Sommer Smog (Ozone)

The welfare of menkind depends on the environment. Today there are more than ever before substances endangering health. Scientific reports about environmentally triggered disease prove that we have come to a critical point. Important inhalative toxins in the western industrialized hemisphere are NOx, Ozone and VOC. The photochemically induced oxidative smog contains high amounts of Ozone, NOx, VOC, aldehydes and sour aerosoles. Ozone is the important indicator for photochemic smog.

The sequelae of this air-pollution impact is a significant increase of airway diseases. Shown are the often synergistic effects of toxic substances with the mucosa and its epithelium (cytoplasmatic membranes), the immun-relevant-cells, their mediators’ interaction and the importance of the zytokines and the complement-system.An important fact of allergic reaction is its being triggered by xenobiotics.

Reviewing the data availabe it cannot be understood why in Germany chronic air-way damages are still ignored while acute effects are now accepted.

Schlüsselwörter

Sommer-Smog, Atemwegserkrankungen, Ozon, akute-/chronische Lungenschäden, Allergien, Luftverschmutzung

key word

summer-smog, airway disease, ozone, acute-/chronic damages of lung, allergies, air-pollution

Atemwegserkrankungen durch Sommer-Smog (Ozon)

Dr .med. Michael P. Jaumann

Einleitung

Das Wohlbefinden des Menschen hängt in hohem Maße von seiner Umwelt ab. Heutzutage gibt es mehr denn je zuvor Substanzen, welche die Erde belasten und Gesundheitsrisiken darstellen. Durch das rasante Wachstum unserer Industriegesellschaft kam es zu einer bisher einmaligen Verbreitung neuer Substanzen, mit denen die Menschen und unsere Mitwelt bisher nicht konfrontiert waren. Die zunehmende Anzahl wissenschaftlicher Berichte ^1,2,3,4 über immer mehr Menschen mit Erkrankungen, die möglicherweise bzw. wahrscheinlich durch Umweltbelastungen ausgelöst sind, bestätigen, daß durch die ubiquitäre Anwesenheit dieser Substanzen die Belastungen an einem kritischen Punkt angekommen sind.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert sich schneller als je zuvor in der Geschichte der Menschheit ⁵. Eine sichtbare Art von Luftverschmutzung ist der Rauch, der -je nach Herkunft- viele Bestandteile und verschiedene Gase enthält (Tab. 1).

Saisonal von Bedeutung ist ferner die Bildung photochemischer Oxidantien mit der Leitsubstanz Ozon. Erstmals wurde diese Art sommerlicher Luftverschmutzung in Los Angeles beschrieben. Auf die Bildung des Ozons haben sowohl die Konzentration der Stickoxide als auch der Kohlenwasserstoffe direkten Einfluss. Hohe Belastungen durch photochemische Oxidantien treten insbesondere in Ballungszentren mit hohen Konzentrationen der Vorläufersubstanzen und bei hoher Sonnenscheindauer auf. Neben dem Ozon entstehen eine Reihe anderer, weniger gut untersuchter Substanzen wie Aldehyde, Wasserstoffperoxid, Peroxiacetylnitrat (PAN) und saure Aerosole.

Früher betrug Ozon in der Luft ca. 20-30 µg/m³ . Dies war sowohl für Menschen als auch für Pflanzen unbedenklich. In den letzten Jahren steigen die durchschnittlichen Ozonkonzentrationen kontinuierlich an. Erste Veränderungen bei Pflanzen wurden ab 60 µg/m³ festgestellt ^{6, 7}. Eine deutsche Studie belegt Ertragsverluste bei Kulturpflanzen von bis zu 30 % und eine deutliche Wachstumsschädigung neuer Baumtriebe ^{8, 9, 10}. Die Untersuchungen zeigen auch, daß die Photosynthese in den Blättern ozonbelasteter Waldgebiete um bis zu 70 % zurückgegangen ist. Neue Nadeltriebe wachsen hier etwa 2-3 mal langsamer als in Ozon-unbelasteter Umgebung.

Gesundheitliche Auswirkungen

Die zunehmend bessere Kenntnis des Zusammenwirkens der immunrelevanten Zellen, der Interaktion ihrer Mediatoren und der Bedeutung der Zytokine sowie des Komplementsystems hat zu einem besseren Verständnis der Kooperation des Immunsystems geführt ^{11, 12, 13, 14}. Das Immunsystem ist in der Lage, durch unterschiedliches Zusammenspiel der einzelnen Immunmechanismen verschiedene Immunreaktionen in Gang zu setzen. Eine wesentliche Eigenart der allergischen Reaktion ist ihre Auslösung durch Fremdstoffe, für die der Körper einen humoralen oder zellulären Reaktionspartner entwickelt hat. Die verschiedene Kooperation des Immunsystems und seiner Mediatoren bedingt den Typ der allergischen Reaktion ^14.

Umweltschadstoffe können einerseits selbst antigen und somit Verursacher der allergischen Reaktion sein, andererseits können sie zu einer aggressiveren Allergenität natürlicher Antigene (z.B. Birkenpollen) führen. Dies erklärt, warum die Pollinosis in den Industrie- und Stadtgebieten häufiger ist, als in ländlichen Bereichen, die eine höhere Pollendichte und -vielfalt aufweisen. Umweltfaktoren sind nicht nur Antigen oder beeinflussen die Antigenität anderer Allergene. Sie modulieren darüberhinaus variabel die Immunantwort bis hin zur Inflammation auf nicht-immunologische Weise.

Einflüsse auf das Zellsystem

Fremdstoffe bzw. Chemikalien können auf eine Vielzahl von Zellen, u.a. Mastzellen, Granulozyten, Makrophagen, Monozyten, Lymphozyten und Thrombozyten modulierend einwirken. Dies kann einerseits zum Zelltod, andererseits zur Minderung der Abwehrleistung bzw. zu einer geänderten Bereitstellung der Mediatoren führen ¹⁵. Inhalative Belastungen mit sogenannten Reizgasen bewirkten in vitro auch bei niedrigen Konzentrationen Veränderungen an den Epithelzellen und den Zytoplasmamembranen. Letztere gelten als der primäre Wirkort oxidativer Gase ¹⁶.

Ozon ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und wirkt vor allem an Zellmembranen, wo Enzyme, Coenzyme und Peptide oxidiert werden, aber auch die mehrfach ungesättigten Fettsäuren in Lipiden. Dadurch kommt es zu Veränderungen der Membranstrukturen. Das Ozon kann aber auch direkt mit der DNS reagieren und hierdurch umfangreiche Veränderungen des Zellstoffwechsels auslösen (geno-/immunotoxisch). Da es schlecht wasserlöslich ist, dringt es tief in die Atemwege und entfaltet seine schädigenden Wirkungen insbesondere in den Endverzweigungen des Bronchialbaums, den terminalen Bronchien und Alveolen ^{17, 18}. In diesem Zusammenhang ist von Bedeutung, dass beim Menschen nur 9 % des eingeatmeten Ozons wieder ausgeatmet werden. Molekularbiologische Untersuchungen zeigen deutliche zytotoxische Effekte an der Surfactant-Auskleidung (Phospholipide) der Alveolen bei Ozon-Konzentrationen von 0,5 und 1 ppm ¹⁹. Diese in-vitro-Effekte stützen die in-vivo-Beobachtungen mit Schädigungen des Epithels und das Einwandern von Entzündungszellen ²⁰.

Neueste Erkenntnisse über die Pathophysiologie und Wirkungsweise verschiedener Luftschadstoffe ²¹ zeigen, daß es durch diese am respiratorischen Epithel zu einer Herabsetzung der Zilienschlagfrequenz und Steigerung der Permeabilität ²² des Epithels kommt. Dadurch gelangen sowohl Allergene als auch andere Schadstoffe leichter in das darunterliegende Bindegewebe, wo sich Mastzellen und andere proinflammatorische Zellen befinden. Weiterhin zeigte sich, daß unter Schadstoffeinfluß von den Epithelzellen produzierte Zytokine die Konzentration der Adhäsionsmoluküle auf den Endothelzellen steigerten ²³. Über diesen Mechanismus kommt es ebenfalls zum vermehrten Einstrom von Entzündungszellen in die Bronchialschleimhaut. Ozon und Sommersmog verstärken die virusinduzierte immunologischen Reaktionen der Lunge.

Untersuchungen aus den USA bestätigen, daß langjährige Belastungen mit hohen Ozonwerten zu einer "Voralterung" der Lunge führen ²⁴. Dieselben Veränderungen konnten in Tierversuchen bestätigt werden ²⁵. So kam es bei einer Exposition von 200-300 µg/m³ über einige Tage zu irreversiblen Veränderungen wie Atrophie des Flimmerepithels, Veränderungen der Epithelzellen in den Alveolen und Schädigung der Phagozytose-Aktivität. Bei noch höheren Dosierungen oder längeren Expositionen kam es zum Zelluntergang des Flimmerepithels (Tab. 2), Verdickungen des Bindegewebes im Bereich der terminalen Bronchien und Alveolen im Sinne einer Fibrosierung (Vernarbung). Andauernde Entzündungen dieser Art verändern die Lungenstruktur, indem die Elastizität der Gewebe verloren geht ^{26, 27} (Abb. 1) Eine weitere Bestätigung hierfür sind die Beobachtungen und Untersuchungen an der Universitätskinderklinik Wien ²⁸, daß bei Kindern die in Gemeinden mit hohen Ozon-Belastungen aufwachsen, das Lungenwachstum und die Lungenfunktion vermindert ist ²⁹.

Beim Menschen treten subjektive Beeinträchtigungen, insbesondere bei körperlicher Belastung im Freien und insbesondere bei Kindern, bereits ab 120 µg/m³ auf. Nach der internationalen Literatur werden etwa 10 % der Bevölkerung als "ozonempfindlich" angesehen.

Diese experimentellen und klinischen Befunde zeigen, dass Luftschadstoffe nicht nur entzündliche Veränderungen im Bronchialsystem hervorrufen können, sondern über Jahre hinweg zu einer stetig zunehmenden Schädigung der Lungenbläschen führen. Die immer wieder auftretenden Reizungen bzw. Entzündungen können Wegbereiter für klassische Infektionen darstellen. Fraglich ist, ob ein direkter kausaler Zusammenhang zu Bronchitis, Asthma und bronchialer Hyperreagibilität (Abb. 2) besteht, die in den letzten Jahren erheblich zunehmen (Abb. 3). Der Einfluss von Umweltfaktoren bei diesen Erkrankungen ist sowohl experimentell als auch epidemiologisch weitgehend gesichert ³⁰. Unklar ist noch, wodurch die bronchiale Überempfindlichkeit letztlich entsteht. Die Entzündung der Atemwegsschleimhaut, teils toxisch irritativ, teils infektiös, teils allergisch bedingt, spielt offensichtlich eine zentrale Rolle ³¹.

Untersuchungen über die additiven und synergistischen Kombinationswirkungen von Xenobiotika (Pestiziden) in subtoxischen Konzentrationen auf menschliche Fibroblasten ³² belegten bei vielen Chemikalien nicht nur additive Schädigungen sondern auch vielfache synergistische Effekte (Tab. 3). Und dies bei subtoxischen Konzentrationen (NOEL)! Die teils starken Lipophilitätsunterschiede der kombinierten Substanzen werden als mögliche Ursache der synergistischen Effekte diskutiert ³³.

Im großen Untersuchungsprogramm des National-Toxicology-Program (NTP) des US-amerikanischen Gesundheitsministeriums (US-Departement of Health and Human Services, DHHS) zusammen mit den National-Cancer-Institute (NCI) wurde das toxikologische Potential inclusive karzinogener Aktivitäten von Ozon eingehend untersucht ³⁴ (Tab. 4). Von entscheidender Bedeutung ist, daß hier erstmals, analog bei Rauchern, eine Metaplasie des Flimmerepithels der Schleimhäute der oberen und unteren Luftwege als erste Veränderungen in Folge der Inhalation von Ozon belegt wurde.

Fazit und Ausblick

Die hier dargestellten Sachverhalte zeigen, daß vielfache Interaktionen komplexer Art -durch photochemische Oxidantien und Ozon- akute Atemwegserkrankungen begünstigen und verursachen; längerfristig zu irreversiblen Langzeitschäden in den Atemwegen führen.

Die derzeitige Diskussion in den USA zur Herabsetzung der Staub- und Schadstoffbelastungen der Atemluft (PM 10) sollte auch für uns Europäer Anlaß sein, die Belastungen unserer Atemluft schnellstmöglich und erheblich zu vermindern: Vermeidung und Vorsorge ist besser als spätere Behandlung!

Literatur

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⁴ WÜTHRICH, B. (1990) Epidemiologie atopischer Erkrankungen. Der informierte Arzt-Gazette Medicale, 6a-90:557-566.

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¹⁰ THIEL, A. (1993). Untersuchungen an landwirtschaftlichen Betrieben im Bayrischen Raum (Umweltinstitut München).

¹¹ KÖNIG, W. (1985) Mediatoren der Entzündung - Die Rolle der Prostaglandine und Leukotriene. Allergologie 2:51-62.

¹² KÖNIG, W. (1991) Mechanismen der IgE-Induktion und Modulation. Allergologie 14 (Suppl. 1): 1-23.

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¹⁴ LUGER, T.A., (1991) Das Zytokinnetzwerk. Allergologie 5:185-188.

¹⁵ RING, J., ed (1991) Epidemiologie allergischer Erkrankungen. München: MMV Medizin

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¹⁷ MILLER, F.J., MENZEL, D.B., COFFIN, D.L. (1978). Similarity between man and laboratory animals in regional pulmonary deposition of ozone. Environ Res 17:84-101.

¹⁸ MILLER, F.J., OVERTON, J.H. Jr, JASKEOT, R.H., MENZEL, D.B. (1985). A model of the regional uptake of gaseous pollutants in the lung. I. The sensitivity of the uptake of ozone in the human lung to lower respiratory tract secretions und exercise. Toxicol Appl Pharmacol 79:11-27.

¹⁹ POLZER. G., SEIDEL, A. (1995). Zellmembranveränderungen an Lungenzellen durch umweltrelevante Konzentrationen von Ozon und NO₂: Untersuchungen mittels Atom-Kraft-Mikroskopie, FZKA-PUG 17, 4. Statuskolloquium des PUG am 15. und 16. März 1995 im Forschungszentrum Karlsruhe (Eds. F. Horsch, P. Friebel, A. Seidel, A. Wiebel) pp. 161-173.

²⁰ MOSBACH, M., WIENER-SCHMUCK, M., SEIDEL, A., (1996). Influence of surfactant on cytokyne release from ozone-exposed human and biovine alveolar macrophages in vitro. Inhalation Toxicology, 8:771-81.

²¹ DAVIES, R.J. (1997). S. Bartholomew Hospital, London, England

²² OBERDÖRSTER, G. (1997). Ultrafine Particles: Inducers of acute lung injury? 6th International Symposium Inhalation Toxicology, Hannover.

²³ MENSING, T. (1997). Lubricants cause airway hyperresponsiveness after exposure to cooling lubricants in a rabbit model. 6th International Symposium Inhalation Toxicology, Hannover.

²⁴ SHERWIN, R.P. (1991). Air pollution: The pathobiologic issues. Clinical Toxicology 29 (3):385-400.

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²⁷ BARTLETT, D.J., FAULKNER, C.S., COOK, K. (1974). Effect of chronic exposure on lung elasticity in young rats. J. Appl. Physiol. 37:92-96.

²⁸ FRISCHER, T. (1996). Persönliche Mitteilungen

²⁹ HASCHKE, N., STUDNICKA, M., HORAK, F., VEITER, A., KUEHR, J., GARTNER, C., URBANECK, R., FRISCHER, T. (1997) Persistent lung function decrements following three month summer-time ozone exposure in young children. Pediatric pulmonology (im Druck).

³⁰ SHERWIN, R.P., RICHTERS, V. (1992). Inflammation of the bronchial lamina propria in young adults. In "Tropospheric Ozone and Environment II" (TR20), Air & Waste Management Association, Pittsburgh PA (USA).

³¹ ELTSCHKA, R., HERCEQ, R., MOSELER, M., MATTHYS, H. (1992) Auswirkung der Luftverunreinigung auf spirometrische Meßgrößen, bronchiale Hyperreagibilität, Krankheitsrisiko und Krankheitsverlauf. 1. Statuskolloquium Projekt Umwelt und Gesundheit, Kernforschungszentrum Karlsruhe.

³² WITTE, I., JACOBI, H. und JUHL-STRAUSS, U. (1995). Correlation of synergistic cytotoxic effects of environmental chemicals in human fibroblasts. Chemosphere 31, 4041-4049.

³³ JACOBI, H., LEIER, G. und WITTE, I. (1996). Correlation of the lipophilicity of xenobiotics with their synergistic effects on the DNA synthesis in human fibroblasts. Chemosphere 32, 1251-1259.

³⁴ NTP (1994). National Toxicology Program (No 440): Toxicology and Carcinogenesis, Studies of Ozone.