Umweltpanorama Heft 3 (März 2004) zur Liste | home

Zum biologischen Schicksal von Chemikalien

Die Wirkweise von Wirkstoffen ist in verschiedenen Organismen unterschiedlich

Unser gegenwärtiges Leben ist unter anderem auch von naturfremden Stoffen gekennzeichnet, mit denen sich jeder Organismus, auch der des Menschen, auseinandersetzen muss. Chemikalien wurden zu einem Bestandteil der Umwelt und erreichen uns Menschen über Lebensmittel, Kosmetik- und Hygieneprodukte, sowie im produzierenden und verarbeitenden Gewerbe. Auch durch Medikamente werden sie in den Körper geschleust. Ähnlich wie Naturstoffe werden auch jene Xenobiotika verdaut. Das heißt, auch Xenobiotika unterliegen in den Zellen der Organe einem Stoffwechsel. Für die Verdauung der körperfremden, molekularen Substanzen bilden sich, vorwiegend in den Leberzellen, bestimmte Enzyme, die den Fortbestand dieser Moleküle verhindern.

Die Zellen des Immunsystems erkennen diese Xenobiotika nicht, zumindest nicht im Sinne der Abwehr von Mikroorganismen. Die Immunzellen erkennen „nur“ körperfremde Eiweißstoffe, die beispielsweise alle Bakterien mit sich tragen. Jedoch können auch Xenobiotika körpereigene Eiweißstoffe verfremden, sodass diese von den Immunzellen als fremd erkannt und bekämpft werden; wie es etwa bei Kontaktallergenen der Fall ist.

Wenn nun alles glatt ablaufen würde, das heißt durch den Stoffwechselprozess nichts entsteht, das irgendeine Körperzelle attackiert, oder der eingedrungene Stoff selbst nichts anrichtet, gäbe es viele, insbesondere medizinische Fachgebiete nicht. Eines dieser Fachgebiete wäre die Toxikologie, denn etliche Stoffe oder Stoffwechselprodukte (Abbauprodukte, Metaboliten) dieser Xenobiotika attackieren Zellproteine, Zellmembranen oder die Gene, die (organspezifisch) für die Zellfunktionen nötig sind.

Treibt einen die Neugierde für dieses Thema über die Lehrbücher der Toxikologie hinaus, stößt man unwillkürlich auf zwei Fachzeitschriften, die in ihrem Titel und Untertitel genau das ausdrücken, was man wissen will: Die eine, „Xenobiotica – the fate of foreign compounds in biological systems“, betrachtet das Thema von der toxikologischen Seite und die andere, „Drug Metabolism and Disposition – the biological fate of chemicals“, von der pharmakologischen Seite. Beiden gemeinsam ist der Untertitel, frei übersetzt: „Zum biologischen Schicksal körperfremder Stoffe“.

Biotransformation

Das Gebiet der Toxikologie ist umfangreich und soll hier nur für den Bereich des Stoffwechsels auf zellulärer Ebene skizziert werden. Den normalen Weg, den ein xenobiotischer Stoff durch die Zelle geht, beginnt mit dem Durchdringen der äußeren Zellmembran. Er unterliegt dann der Wechselwirkung mit den zelleigenen Eiweißstoffen (Proteine) und verlässt dann wieder, als veränderte Substanz, die Zelle. Die Zufuhr des Stoffes und die Abfuhr dessen Metaboliten erfolgt über den Bereich zwischen den Zellen (interzellulären Raum) und des Blutstromes.

Der Transport durch Zellmembranen spielt eine wichtige Rolle, da die Biotransformation in verschiedenen Zellteilen erfolgt. Dieser Punkt ist aber Gegenstand einer relativ jungen Wissenschaft und daher weit weniger im Detail erforscht als die Biotransformation.

Unter der Biotransformation versteht man im Allgemeinen die Veränderung eines Stoffes zu einem mit dem Urin ausscheidungsfähigen und daher wasserlöslichen Abbauprodukt. Diese unter der Bezeichnung Metabolismus 1) bekannte Überführung erfolgt in zwei Phasen. Die Phase I entspricht einer Oxidation des Stoffes, das heißt, das eingedrungene Molekül wird vermittels Sauerstoff an bestimmten Stellen oxidiert. Chemisch betrachtet entstehen beispielsweise Epoxide, die letztlich in verschiedenartige hydroxidische Verbindungen (also Sauerstoff-Wasserstoff-Gruppen am Molekül) enden.

Benzol-Metabolismus

Abbildung 1: Das Prinzip der Biotransformation am Beispiel des Benzols (siehe Text)

Durch die Oxidationsphase der Metabolisierung sind die Stoffe in der Art präpariert, dass die Metabolisierung in die Phase II, der so genannten Konjugation, übergehen kann. Dabei werden „biologische“ Molekülteile, vermittels so genannter Transferasen, an die oxidierten Moleküle angelagert, sodass letztlich ein Metabolit entsteht, der „gefahrlos“ aus der Zelle, und weiter aus dem Organismus entfernt werden kann.

Beispielsweise wird Benzol, wie in Abbildung 1 illustriert, in der ersten Phase zu Phenol oxidiert und in der zweiten Phase entsteht ein gut wasserlösliches Konjugat durch Glucuronosyltransferase: das Phenyl-ß-D-glucuronid. Über diesen Weg kann also Benzol ausgeschieden und damit entgiftet werden. Andererseits entstehen in der oxidativen Phase des Benzols, die wesentlich komplexer ist als in Abbildung 1 gezeigt, auch reaktive Metaboliten, die unter anderem für die Knochenmarkstoxizität verantwortlich sind.

Einige Metaboliten sind also nach wie vor eine Gefahr. Zum Beispiel dann, wenn sie nicht, oder nicht schnell genug in die zweite Phase der Metabolisierung gelangen oder nicht aus der Zelle heraustreten können, weil bestimmte Trägerproteine (etwa das P-Glycoprotein) den Austritt verhindern.

Details der Phase I

Die Metaboliten der Phase I stellen eine potentielle Gefahr für die inneren Bestandteile der Zelle dar, da sie für den Transport aus der Zelle nicht gut geeignet sind. Für etliche typische Umweltgifte sind die Mechanismen dieser Phase gut aufgeklärt.

Im Gegensatz zur Konjugation, der zweiten metabolischen Phase, die in der Zellflüssigkeit (Zytosol) stattfindet, läuft die Oxidation der ersten metabolischen Phase im endoplasmatischen Retikulum 2) ab. In diesem Teil der Zelle befinden, genauer gesagt bilden sich die Metabolisierungsenzyme, die als Cytochrom P450 in die Literatur eingegangen sind 3) . Die Cytochrom P450-Enzyme, kurz CYP-Enzyme, sind gegenwärtig in 74 Genfamilien (für Wirbeltiere) eingeteilt, von denen 14 Familien mit mehreren Subfamilien in Säugetieren vertreten sind. Mit der Anwesenheit eines Fremdstoffes in der Zelle werden bestimmte Typen einer oder mehrerer CYP-Subfamilien ausgebildet (exprimiert) oder deren Ausbildung verhindert 4) .

Für viele Umweltschadstoffe und Arzneimittel sind die ausgebildeten CYP-Enzyme bekannt. Das heißt, jedes der verschieden geprägten Enzyme „erkennt“ sein vorbestimmtes Fragment am fremden Molekül. Für polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), das sind Umweltschadstoffe wie Benzo(a)pyren, sind unter anderem einige Enzyme der Familie 1 (CYP1A1, CYP1A2) und Familie 2 (CYP2B1, CYP2C9) für deren Metabolisierung verantwortlich. Für Glycocortikoide (Cortison) spielen beispielsweise CYP3A-Enzyme aus der Familie 3 und dessen Subfamilie A, eine wesentliche Rolle bei der Umsetzung dieser Substanz.

Mit der Entdeckung der CYP's und deren Rolle bei der Metabolisierung von Fremdstoffen in Organismen war und ist es möglich, den Mechanismus zur Auslösung von Erkrankungen aufzuklären und sogar vorauszusagen.



Benzo-a-pyren-Metabolismus

Abbildung 2: Zur Entstehung des ultimativen Karzinogens aus Benzo(a)pyren. Nacheinander werden in den Positionen 7,8 und dann 9,10 die epoxidischen (mittels CYP1A1), gefolgt von hydroxidischen (mittels Epoxi.hydroxylase) Substituenten eingefügt. Das 7,8-Dihydrodiol-9,10-epoxi-benzo(a)pyren koppelt über die epoxidische Gruppe an die Base Guanin (eine der vier DNS-Basen). Diese Änderung der genetischen Information führt zu einer abnormalen Zellwucherung (= Krebs). Die in Position 4,5 entstehenden hydroxidischen Metaboliten werden über die Phase 2 entgiftet

Wie in Abbildung 2 in Einzelschritten illustriert, führt die schon lange bekannte Auslösung von Krebs durch Benzo(a)pyren über bestimmte Metabolisierungsprodukte, die letztendlich passen, um Gene zu verändern. Es haben aber nur bestimmte Metaboliten für den Organismus schädliche Eigenschaften. Viele werden durch die Phase II abgefangen und somit vom Körper ausgeschieden. Findet also die Oxidation durch CYP an einer anderen Stelle des Benzo(a)pyren-Moleküls statt, wird das Molekül konjugiert und damit meist keine Möglichkeit mehr an Zellteile anzudocken, womit es wirkungslos bleibt.

Heute stehen Metabolisierungsstudien auf der Tagesordnung der Toxikologen und Pharmakologen. Diese Studien werden in der Regel mit Mikrosomen 5) durchgeführt. Nicht nur aus praktikablen Gründen, sondern auch, weil es in der Zwischenzeit klar geworden ist, dass jede Spezies, ja sogar Individuen einer Spezies andere Metabolisierungsmuster (Art und Häufigkeit aller Metaboliten) von ein und derselben Substanz entwickeln.

Polymorphismus

Schon in den 1950er Jahren wurden Studien veröffentlicht, die eine abweichende Wirkung vom einen zum anderen Menschentyp belegten. Beispielsweise konnte bei kaukasischen Patienten, die mit Isoniazid behandelt wurden, zwei Gruppen von Probanden ermittelt werden, die sich beim Abbau dieser Substanz um den Faktor 4 unterschieden. Die Untersuchungen zeigten, dass genetische Unterschiede die beiden Gruppen charakterisieren.

Ähnlich verhält es sich beispielsweise auch beim Abbau von Alkohol zwischen Japanern und Europäern. Der japanische Menschentyp entwickelt wesentlich weniger Alkoholase, das ist das Enzym, das den Alkohol metabolisiert.

In der Folgezeit wurde versucht, diesen unterschiedlichen Mechanismen auf den Grund zu gehen. Davon erreichten etliche „Klassiker“ die Lehrbücher der Toxikologie. So konnte gezeigt werden, dass verschiedene Chemikalien wie Benzin und Ähnliches, bei für Forschungszwecke gezüchteten männlichen Ratten Nierenschäden (Tumore) hervorrufen, nicht aber bei den weiblichen Ratten oder anderen Versuchstieren einschließlich anderer Rattenzüchtungen und bei Menschen. Der Grund lag darin, dass nur männliche Ratten jenes Züchtungstyps eine körpereigene Verbindung namens a(2u)Globulin inne haben, die zusammen mit den Chemikalien die Nierenschäden verursacht.

Ähnliche Beispiele brachten vor Jahren das Tiermodell, als Testobjekt für Humanmedikamente ziemlich (aber offensichtlich nur vorübergehend) ins Wanken.

Die Ursachen solcher Unterschiede sind vielfältig und in Teilen biochemisch verstanden, also voraussehbar, wie etwa die Verteilung neuer Wirkstoffe in den einzelnen Körperorganen. In entscheidenden Punkten aber, wie beim Metabolismus, beginnt man allmählich zu erkennen, wie unterschiedlich Spezies, Geschlechter, Kinder und Erwachsene eigentlich sind.

Einem wesentlichen Faktor kommen den individuellen Proteinen, Rezeptoren und Enzymen zu, deren Bauplan ja im Erbgut steckt; so auch die Cytochrom P450-Enzyme, die Xenobiotika metabolisieren. Das Erbgut, also die DNS, verleiht jedem Individuum ein Schicksal, das ihm seine Einzigartigkeit beschert. Deswegen reagiert auch jedes Individuum einzigartig, wenn auch manchmal sehr ähnlich, auch auf Xenobiotika.

Im Sinne der individuellen Unterschiede spricht man von Cytochrom P450-Isoenzymen. Mit Isoenzyme werden die genetischen Unterschiede eines CYP-Typs ausgedrückt. Das heißt, dass beispielsweise das CYP1A1 von der Maus anders aussieht als das von der Ratte und das der Ratte wiederum anders als das des Menschen. Und weiterhin unterscheiden sich die gleichartigen CYP1A1-Isoenzyme vom einen zum anderen Menschen.

Die genetische Varianz (Polymorphismus) führt also zu Unterschieden bei der Metabolisierung von Xenobiotika. Im Falle des schon oben erwähnten Benzo(a)pyrens zeigen sich für die Spezies Mensch und Ratte weitgehende Entsprechungen. Allerdings wird das ultimative Karzinogen (Benzo(a)pyren-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid) beim Menschen etwa in 5 mal höherer Konzentration gebildet als das der Ratte. Das 4,5-Dihydrodiol, ein entgifteter, also ein harmloser, ausscheidbarer Metabolit, wird durch CYP1A1 der Ratte etwa 8 mal besser als durch menschliches CYP1A1 gebildet.

Dibenzo-al-pyren-Metabolismus

Abbildung 3: CYP1A1 katalysierter Metabolismus des Dibenzo(a,l)pyrens im Vergleich: Mensch und Ratte. Die Vorstufe des ultimativen Karzinogens des Dibenzo(a,l)pyrens wird in Position 11,12 metabolisiert (analog zu Benzo(a)pyren; siehe Abbildung 2). Die Metabolisierung in der 8,9-Position führt zur Entgiftung. Die Prozentangaben geben die Häufigkeit an, in der die Metaboliten entstehen. Beim Menschen wird also mit 87 Prozent die karzinogene Vorstufe etwa um das zehnfache häufiger gebildet als bei der Ratte (9 Prozent)

Signifikant deutlichere Unterschiede waren bei Dibenzo(a,l)pyren beobachtbar. Ein PAK mit außergewöhnlich hohem karzinogenen Potential. Dieses Beispiel gibt nicht nur ein Bild von der hohen Varianz bei der Metabolisierung durch die CYP-Isoenzyme, sondern lässt auch Rückschlüsse zu, ob die an Versuchstieren erhobenen Befunde für den Menschen verbindlich sind.

Wie in Abbildung 3 illustriert, wird der 11,12-Dihydrodiol-Metabolit, als Vorstufe des karzinogenen Dibenzo(a,l)pyren-Metaboliten, durch das CYP1A1 des Menschen mit einer Häufigkeit von 87 Prozent gebildet und das der Ratte mit nur 9 Prozent. Die konkurrierende Oxidation in der 8,9-Position, die zu einem entgifteten Metaboliten führt, liegt beim Menschen entsprechend bei 13 Prozent und bei der Ratte bei 91 Prozent. Noch deutlicher wird dieser Speziesunterschied beim Abbau des Dibenzo(a,l)pyrens durch die CYP1A2-Isoenzyme. Das menschliche Isoenzym bewirkt keinen Umsatz, hingegen bildet das der Ratte den entgifteten Metaboliten mit einem Anteil von 74 Prozent. Während also das CYP1A2-Isoenzym der Ratte zusätzlich zur Entgiftung beiträgt, findet beim Menschen die Metabolisierung vorwiegend über das CYP1A1-Isoenzym statt.

Solche Untersuchungen werden neuerdings auch vermittels genetisch manipulierter, so genannter rekombinanter Zelllinien verfolgt, bei denen die entsprechenden Gene in die relevanten Chromosomenabschnitte eingefügt werden, die für die Entstehung der CYP's verantwortlich sind. Zelllinien sind bestimmte Zellzüchtungen, die für in vitro Untersuchungen, das heißt Untersuchungen an Zellkulturen und nicht an Tieren, üblich sind.

Forschungen in dieser Richtung waren schon zu Anfang der 1990er Jahre auf deutscher und internationaler Ebene gefördert worden und in der Folge gründeten sich GenTech-Firmen, auch in Deutschland, die derart modifizierte Zellen für metabolische Untersuchungen anbieten. Ein Beispiel für die wenigen Sonnenseiten der GenTech-Ideologie.

Konsequenzen

Letztes Jahr wurde ein neuer Entwurf der Europäischen Chemikalienverordnung verabschiedet. Dieses so genannte REACH-Programm (Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals) sieht vor, dass 30 000 Altchemikalien 6) hinsichtlich ihrer toxischen Eigenschaften getestet werden müssen, damit Mensch und Umwelt besser vor ungewollten Nebenwirkungen gesichert sind. Problematisch ist, dass die Untersuchungen mit umfangreichen Tierversuchen verbunden sind. Schätzungen rechnen mit bis zu 20 Millionen neuen Tierversuchen in Verbindung mit der neuen Verordnung.

Noch ist nicht entschieden, nach welchen Methoden und Richtlinien diese „Altlasten“ geprüft werden sollen. Im Sinne des Tier- und damit auch Umweltschutzes bleibt zu hoffen, dass die Akteure und vor allem die Verantwortlichen des REACH-Projektes sich über die biologischen Unterschiede zwischen Mensch und Tier bewusst sind.

Vielleicht erinnert sich auch der ein oder andere Akteur an Mahatma Gandhis Worte: „Die Größe und den moralischen Fortschritt einer Nation kann man daran ermessen, wie sie die Tiere behandelt“. Und wenn nicht, könnte er an die Chance denken, die GenTech-Ideologie, die auch, wie oben erwähnt, einen Beitrag zu Alternativen zum Tiermodell beisteuert, den GenTech-Zweiflern unterzujubeln, um somit positive Synergieeffekte für die Gentechnik im Allgemeinen zu gewinnen. Damit bräuchte er sich zumindest moralisch nicht wandeln.

Und vielleicht wird die Alternative zum Tiermodell auch mal einen Weg finden, das Meerschweinchenmodell für die Testung von Chemikalien auf sensibilisierendes und allergenes Potential ad absurdum zu führen, das a priori wegen der lebensstilistischen und individuellen Erkrankungsformen unsinnig ist.

Dr. Heinz Wohlgemuth

Berliner Umweltagentur


Anmerkungen

1) Metabolismus im Allgemeinen muss nicht zu einem wasserlöslichen Produkt führen, was dann aber auch nicht zur Ausscheidung der Metaboliten führt. In der Folge kann eine wiederholte Metabolisierung erfolgen, bis hin zum ausscheidungsfähigen Abbauprodukt, oder der Stoff oder eines seiner Metaboliten lagert sich ins Fettgewebe ein.

2) Jede tierische Zelle umschließt mit ihrer Zellhülle das Zytoplasma mit den so genannten Reaktionsräumen, die durch Membranen voneinander getrennt sind. Das endoplasmatische Retikulum stellt eines dieser Reaktionsräume dar und ist unter anderem auf die metabolische Entgiftung körperfremder Substanzen spezialisiert.

3) Die Cytochrom P450-Enzyme wurden in den 1950er Jahren entdeckt. Sie wurden als Pigmente betrachtet, da sie bei entsprechender Präparation eine Lichtabsorption bei 450 Nanometer, also im blauen Farbbereich zeigten.

4) Wird durch ein Xenobiotika die Entstehung eines bestimmten CYP-Enzyms unterdrückt, hat das zur Folge, das ein anderer Stoff, zu dessen Abbau dieses Enzym notwendig ist, nicht metabolisiert werden kann und somit mit seiner vollen „Giftigkeit“ in den Blutkreislauf gelangt.

5) Mikrosomen sind Bruchstücke des endoplasmatischen Retikulums, die mittels spezieller Zentrifugiertechniken aus einem Organhomogenat (meist zerkleinerte Zeberzellen) gewonnen werden.

6) Unter Altchemikalien werden all jene Chemikalien verstanden, die vor dem Jahre 1972 vermarktet wurden. Altchemikalien sind nie, oder zum Teil nicht ausreichend, auf ihre schädlichen Eigenschaften hin untersucht worden. Sie stellen heute noch immer einen Großteil der Alltagschemikalien dar.

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     Die Redaktion Umwelt, am 1. März 2004 – ugii Homepages –