3. Ergebnisse

3.1. Die Mineralstauboberflächen

↓38

In Abb. 2 ist die Adsorptionsisotherme (aufgenommen bei einer Temperatur von 22°C) von in n-Hexadecan gelöster Nonadecansäure auf Quarzsand dargestellt. Bei einer Konzentration von 1,5mg/ml liegt eine nahezu gesättigte Lösung der Fettsäure im Alkan vor. Die Isotherme zeigt einen einphasigen Verlauf, das Plateau wird bei einer Konzentration von 1,5mg/ml erreicht.

Abb. 2: Adsorptionsisotherme von Nonadecansäure (NDS) aus n-Hexadecan auf Quarzsand bei 22°C (Mittelwerte und Standardabweichungen aus drei Messungen).

↓39

Der Wert für die Nonadecansäureadsorption im Plateau der Isotherme wurde für den Quarzsand mit der bekannten spezifischen Oberfläche A1=0,406 * 10-4 m2/g mit sieben Einzelmessungen ermittelt und anhand eines weiteren Quarzsandes mit der bekannten spezifischen Oberfläche A2=0,299 * 10-4m2/g überprüft. Als Ergebnis von jeweils 7 Einzelmessungen ergab sich, dass die verwendeten Quarzsände pro Quadratmeter Oberfläche 2,58 +/- 0,12mg Nonadecansäure binden. Der Platzbedarf eines Fettsäuremoleküls auf der Quarzoberfläche, errechnet aus molarer Masse und der adsorbierten Masse pro Fläche, beträgt somit 0,192 +/- 0,009nm2. Der ermittelte Platzbedarf bestätigt die Annahme, dass sich auf der Stauboberfläche eine monomolekulare Schicht der Fettsäure gebildet hat, da der Platzbedarf langkettiger Fettsäuren in monomolekularen Schichten von verschiedenen Autoren mit Werten um 0,2nm2 angegeben wird [86-89].

Tab. 1 stellt die ermittelten Werte der Oberflächen (ANDS)der einzelnen Mineralstäube dar. Die Werte liegen zwischen 0,3m2/g und 7,7m2/g. Die großen Unterschiede zwischen den einzelnen Mineralstäuben machen deutlich, wie wichtig die Kenntnis der Oberfläche pro Masseneinheit ist, will man die Stäube in Bezug auf ihre Adsorptionseigenschaften sinnvoll miteinander vergleichen.

Tab. 1: Mit der Methode der Nonadecansäureadsorption ermittelte Oberfläche (ANDS) der Mineralstäube in m2/g (Mittelwerte und Standardabweichungen aus je drei Messungen)

Substanz

ANDS [m2/g]

Graphit

0,63

+/-0,11

Titancarbid

0,30

+/-0,02

Kaolin

7,69

+/-0,97

QuarzDQ12

3,13

+/-0,45

QuarzF600

1,52

+/-0,19

QuarzSigma

2,38

+/-0,22

Talk

1,92

+/-0,17

Zinndioxid

7,14

+/-0,87

Hämatit

2,22

+/-0,22

Magnetit

1,04

+/-0,05

Korund

0,36

+/-0,07

Titandioxid

7,14

+/-0,60

↓40

QuarzDQ12 und QuarzF600 sind sogenannte Standardquarze. Ihre spezifischen Oberflächen sind bekannt. So liegt die mittels BET- Methode bestimmte spezifische Oberfläche für QuarzDQ12 bei ABET = 8,48 +/- 0,08m2/g, für QuarzF600 bei ABET = 3,65 +/- 0,02m2/g [92]. Die Oberflächen, die mit der Nonadecansäureadsorptionsmethode ermittelt wurden liegen für QuarzDQ12 bei ANDS = 3,13 +/- 0,45m2/g, für QuarzF600 bei ANDS = 1,52 +/- 0,19m2/g. Die beiden Methoden unterscheiden sich darin, dass die Nonadecansäureadsorption die Oberfläche von Mikroporen mit einem Öffnungsdurchmesser von weniger als 2,5nm vernachlässigt. Vergleicht man die Ergebnisse beider Methoden so fällt auf, dass ABET jeweils etwa 2,5mal so groß ist wie ANDS. Das bedeutet, dass beide Standardquarze eine mikroporöse Struktur aufweisen.

3.2. Lipoproteinadsorption

3.2.1. Adsorption von Lipoproteinen aus bovinem Lipoproteinkonzentrat an fibrogene und inerte Mineralstäube

3.2.1.1. Adsorptionsisothermen

Die Adsorption erfolgte aus einem bovinen Lipoproteinkonzentrat. Zunächst wurden die Adsorptionsisothermen der fibrogenen und eines Teils der inerten Mineralstäube bei einer Raumtemperatur von 22°C aufgenommen. Die Adsorption wurde für Konzentrationen des Lipoproteinkonzentrates zwischen 200mg/dl und 1000mg/dl ermittelt. Die Isothermen sind in Abb.3 dargestellt.

Abb. 3: Isothermen der Adsorption von Lipoproteinen aus Lipoproteinkonzentrat mit ansteigender Konzentration an Mineralstauboberflächen bei 22°C. Angegeben ist die adsorbierte Masse Cholesterol pro Quadratmeter Stauboberfläche. Mittelwerte und Standardabweichung aus jeweils drei Messungen. Fehlende Fehlerindikatoren bedeuten, dass die Standardabweichung innerhalb des jeweiligen Symbols liegt.

↓41

Es fällt auf, dass alle Isothermen der untersuchten Stäube mit Ausnahme von Korund ein Maximum durchlaufen. Das heißt, je größer das Cholesterolangebot in der Lösung wird, desto geringer ist ab einer bestimmten Konzentration die absolute Menge an adsorbiertem Cholesterol. Dieses zunächst unverständliche Phänomen konnte auch bei anderen Substanzen beobachtet werden und wird als „Vroman- Effekt“ bezeichnet [93]. Der Vroman- Effekt beschreibt ein Verhalten, bei dem die Proteinadsorption aus Plasma oder Proteingemischen bei einer bestimmten Verdünnung ein Maximum erreicht. Bei geringerer Verdünnung, d.h. bei höherer Konzentration des untersuchten Proteins, nimmt die Adsorption dagegen wieder ab. Eine Ursache dieses Verhaltens soll die Konkurrenz durch andere in der Lösung vorhandene Proteine sein, deren Menge bei starker Verdünnung nicht für eine Verdrängung des untersuchten Proteins von der Adsorptionsfläche ausreicht [93]. Dass es sich auch im vorliegenden Fall um eine Verdrängung durch konkurrierende Adsorbate handelt, ist wegen der Reinheit des Lipoproteinkonzentrates wenig wahrscheinlich. Vorstellbar ist dagegen, dass sich bei höheren Konzentrationen Lipoproteinaggregate im Konzentrat ausbilden. So könnten beispielsweise mit zunehmender Konzentration Wechselwirkungen zwischen den polaren Gruppen von apoA-I- Molekülen auftreten, die zu Aggregatbildung von HDL- Partikeln führen. Damit stünden Teile der im Konzentrat vorwiegend vorhandenen HDL nicht mehr als potenzielle Adsorbate zur Verfügung, was den Rückgang der adsorbierten Lipoproteinmengen auf den Stauboberflächen mit zunehmender Konzentration erklären könnte. Die Adsorptionsisotherme von Korund zeigt als einzige einen zweigipfligen Verlauf. Die Ursache hierfür ist ungeklärt.

3.2.1.2. Adsorption aus Lipoproteinkonzentrat konstanter Konzentration

Die Adsorption aus bovinem Lipoproteinkonzentrat wurde bei 37°C bzw. 22°C durchgeführt. Der Cholesterolgehalt des Lipoproteinkonzentrates nach Verdünnung betrug bei sechs Proben und jeweils zwei Messungen 190 +/- 11mg/dl. Das Ergebnis der Adsorption ist graphisch in Abb. 4 dargestellt. Es zeigt, dass alle untersuchten Stäube Lipoproteine aus der Lipoproteinlösung adsorbieren. Auffällig ist, dass Graphit und Titancarbid mit 93% bzw. 94% bei 37°C fast die gesamten in der Ausgangslösung befindlichen Lipoproteine an ihrer Oberfläche adsorbieren. Die drei verschiedenen α-Quarze adsorbieren bei 37°C zwischen 36% und 42%. Kaolin adsorbiert bei 37°C 43%. Der am schwächsten adsorbierende fibrogene Stoff ist Talk mit 32% bei 37°C. Alle inerten Substanzen adsorbieren bei 37°C weniger als 25% der in der Ausgangslösung vorhandenen Lipoproteine. Die Adsorption bei 22°C zeigt nur geringe relative Abweichungen gegenüber der Adsorption bei einer Temperatur von 37°C.

Die statistische Auswertung zeigt, dass die fibrogenen Mineralstäube signifikant mehr Lipoproteine adsorbieren, als die inerten Mineralstäube (Mann- Whitney U- Test, p = 0,003).

↓42

Abb. 4: Lipoproteinadsorption aus bovinem Lipoproteinkonzentrat (>90% HDL- Cholesterol) an die Oberfläche fibrogener und inerter Mineralstäube, ausgedrückt als Relation der am Mineralstaub adsorbierten Cholesterolmasse zur Cholesterolmasse in der Ausgangslösung in Prozent. Der Cholesterolgehalt im Konzentrat betrug 190 +/- 11mg/dl. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen.

3.2.2. Adsorption von Lipoproteinen aus menschlichem Serum an fibrogene bzw. inerte Mineralstäube

In dieser Versuchsreihe wurde die Adsorption der beiden Lipoproteindichteklassen High density lipoprotein (HDL) und Low density lipoprotein (LDL) getrennt untersucht. Dazu wurde die Abnahme der Konzentration an HDL- Cholesterol und LDL- Cholesterol im Serum einzeln bestimmt. Im Unterschied zur Lipoproteinadsorption aus Lipoproteinkonzentrat handelt es sich um eine konkurrierende Adsorption verschiedenster im Serum enthaltener potenzieller Adsorbate. Da für alle Versuchsreihen ausschließlich Serum einer Einzelperson verwendet wurde, ist nicht auszuschließen, dass es sich bei den im Folgenden dargestellten Ergebnissen um Einzelbefunde handeln könnte, die mit dem Serum anderer Personen so nicht zu beobachten wären. Deshalb erscheint es sinnvoll, die durch diese Arbeit gewonnenen Erkenntnisse an größeren Populationen zu überprüfen.

Es zeigt sich eine deutliche Verteilung der HDL- Adsorption zwischen den beiden untersuchten Mineralstaubgruppen. Die Adsorption von HDL erfolgt deutlich stärker auf Oberflächen von Stäuben, die ein fibrogenes Potenzial aufweisen, als auf Oberflächen inerter Stäube. Letztere adsorbieren praktisch kein HDL. Lediglich 0-3% des vorhandenen HDL werden an der Oberfläche inerter Stäube adsorbiert. Die fibrogenen Stäube adsorbieren dagegen bis zu 40% des im Serum enthaltenen HDL. Hierbei fällt besonders auf, dass die drei Quarze, die unter den untersuchten Substanzen das höchste fibrogene Potenzial aufweisen, auch die mit Abstand stärkste HDL- Adsorption zeigen. Sie adsorbieren 22%- 40% des im Serum vorhandenen HDL. Die entsprechenden Adsorptionswerte für die anderen untersuchten fibrogenen Mineralstäube liegen zwischen 6% und 11%. Die statistische Auswertung zeigt hier, dass die fibrogenen Mineralstäube signifikant mehr HDL aus menschlichem Serum adsorbieren, als die inerten Mineralstäube (Mann- Whitney U- Test, p = 0,003).

↓43

Die Fähigkeit zur Adsorption von LDL zeigt sich dagegen unabhängig vom fibrogenen Potenzial der Stäube. Die stärkste LDL- Adsorption zeigt α- QuarzSigma mit 45%. Der ebenfalls fibrogene Titancarbidstaub adsorbiert dagegen im messbaren Bereich kein LDL. Dementsprechend ergibt die statistische Auswertung, dass die fibrogenen Mineralstäube nicht signifikant mehr LDL adsorbieren, als die inerten Mineralstäube (Mann- Whitney U- Test, p = 0,639).

Die Abbildungen 5 und 6 stellen das Verhalten der fibrogenen und inerten Mineralstäube in bezug auf die Adsorption von HDL und LDL aus menschlichem Serum prozentual dar. Die Gesamtcholesterolkonzentration im verwendeten Serum lag bei den an 10 Tagen entnommenen Blutproben bei 169 +/-9mg/dl, bei einer HDL- Cholesterolkonzentration von 59 +/- 5mg/dl und einer LDL- Cholesterolkonzentration von 102 +/- 8mg/dl.

Die funktionellen Gruppen auf den Oberflächen der untersuchten Mineralstäube können anhand ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt werden in neutrale, saure und basische Gruppen. Die Ergebnisse zeigen, dass HDL unter den gegebenen Versuchsbedingungen aus humanem Serum bevorzugt an Stäube adsorbiert, die gleichzeitig saure und basische funktionelle Gruppen aufweisen. Das sind die α- Quarze und die Silikate. Auch an die neutralen Stoffe Graphit und Titancarbid erfolgt eine starke HDL- Adsorption. LDL wird ebenfalls in großem Maße an der Oberfläche der Silikate und α- Quarze adsorbiert. Die neutralen Substanzen Graphit und Titancarbid adsorbieren dagegen praktisch kein LDL, vielmehr erfolgt eine bevorzugte Adsorption von LDL an die Oxide Zinndioxid und α- Korund. Möglicherweise spielt der amphotere Charakter dieser Oxide hierbei eine Rolle.

↓44

.
Abb. 5: HDL- Adsorption aus menschlichem Serum an fibrogene und inerte Mineralstäube, ausgedrückt als Relation der am Mineralstaub adsorbierten HDL-Cholesterolmasse zur HDL-Cholesterolmasse im zugegebenen Serum in Prozent. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die HDL- Cholesterolkonzentration im Ausgangsserum lag an den verschiedenen Messtagen zwischen 54mg/dl und 64mg/dl.

Abb. 6: LDL- Adsorption aus menschlichem Serum an fibrogene und inerte Mineralstäube, ausgedrückt als Relation der am Mineralstaub adsorbierten LDL-Cholesterolmasse zur LDL-Cholesterolmasse im zugegebenen Serum in Prozent. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die LDL- Cholesterolkonzentration im Ausgangsserum lag an den verschiedenen Messtagen zwischen 94mg/dl und 110mg/dl.

Die bei den Untersuchungen erhaltenen Messwerte für die LDL- und HDL- Adsorption lassen sich auch direkt in Beziehung zueinander setzen, wenn man die adsorbierten Cholesterolmassen vergleicht, wie es in Abb. 7 zu sehen ist. Aufgrund der Versuchsanordnung wurde jeweils die adsorbierte Masse an HDL- bzw. LDL- Cholesterol gemessen und nicht die adsorbierte Lipoproteinmasse selbst. Es muss deshalb beim direkten Vergleich die unterschiedliche Zusammensetzung der beiden untersuchten Lipoproteindichteklassen beachtet werden. So besteht LDL zu ca. 50% aus Cholesterol, HDL dagegen nur zu ca. 20% [64].

↓45

Abb. 7: LDL- und HDL-Cholesteroladsorption an der Oberfläche fibrogener und inerter Mineralstäube in mg Cholesterol pro Quadratmeter Stauboberfläche. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die Cholesterolkonzentrationen im Ausgangsserum lagen an den verschiedenen Messtagen für HDL zwischen 54mg/dl und 64mg/dl sowie für LDL zwischen 94mg/dl und 110mg/dl.

3.2.3. Adsorption von Lipoproteinen aus menschlichem Serum an α-Quarz in Anwesenheit von Polyvinylpyridin-N-oxid (PVPNO)

Die Versuche dieses Abschnitts unterscheiden sich von denen im vorigen lediglich durch die Zugabe von 1g der antisilikogenen Substanz Polyvinylpyridin-N-oxid (PVPNO) zu 100 ml Serum. Alle anderen Versuchsbedingungen blieben unverändert. Untersucht wurde die Fähigkeit der drei verschiedenen α- Quarze zur Adsorption von HDL und LDL aus dem mit PVPNO versetzten Serum. Die Versuche zeigen, dass die Adsorption von HDL auf der Oberfläche von Quarz durch das Vorhandensein von PVPNO im Serum stark reduziert wird.

Tab. 2: Beeinflussung der Lipoproteinadsorption aus humanem Serum an α- Quarzstäube durch das Polymer PVPNO. Angegeben ist die Masse HDL- bzw. LDL- Cholesterol, die pro Quadratmeter Staub adsorbiert.

HDL- Cholesterol
[mg/m2]

LDL- Cholesterol
[mg/m2]

QuarzDQ12

ohne

PVPNO

0,69 +/- 0,03

0,65 +/- 0,18

mit

0,05 +/-0,08

0,23 +/-0,09

QuarzF600

ohne

PVPNO

0,48 +/- 0,06

0,55 +/- 0,14

mit

0,03 +/- 0,02

0,49 +/- 0,11

QuarzSigma

ohne

PVPNO

0,39 +/- 0,05

1,36 +/- 0,1

mit

0,20 +/- 0,05

1,72 +/- 0,09

↓46

Die Werte aus Tab. 2 zeigen, dass die Masse von adsorbiertem HDL- Cholesterol auf α- QuarzDQ12 und α- QuarzF600 in Anwesenheit von PVPNO um mehr als 90% gegenüber dem reinen Serum reduziert wird. Die Adsorption von HDL- Cholesterol auf α- QuarzSigma wird um 49% gesenkt. Dagegen wird die LDL- Adsorption durch die Zugabe von PVPNO zum Serum nicht einheitlich verändert. Die LDL- Adsorption auf α- QuarzDQ12 und α- QuarzF600 wird ebenfalls reduziert. Die LDL- Adsorption auf α- QuarzSigmaverstärkt sich durch PVPNO. Die Ursache dieser Zunahme ist unbekannt. Die statistische Auswertung ergibt, dass die Adsorption von LDL auf allen drei Quarzoberflächen durch die Anwesenheit von PVPNO nicht signifikant reduziert wird (Wilkoxon-Test, p = 0,593). Die Reduktion der HDL- Adsorption durch PVPNO ist knapp nicht signifikant (Wilkoxon-Test, p = 0,109). Es ist zu vermuten, dass bei größeren Fallzahlen eine signifikante Reduzierung der HDL- Adsorption durch PVPNO hätte nachgewiesen werden können.

In Abb. 8 ist die Veränderung der HDL- Adsorption in Gegenwart von PVPNO im Vergleich zur HDL- Adsorption aus reinem Serum dargestellt. Das Gleiche stellt Abb. 9 für die Adsorption von LDL dar.

Abb. 8: HDL- Adsorption aus menschlichem Serum mit und ohne Zusatz von PVPNO an drei verschiedene α- Quarze, ausgedrückt als Relation der am Mineralstaub adsorbierten HDL- Cholesterolmasse zur HDL- Cholesterolmasse im zugegebenen Serum in Prozent. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die HDL- Cholesterolkonzentration im Ausgangsserum lag an den verschiedenen Messtagen zwischen 54mg/dl und 64mg/dl.

↓47

Abb. 9: LDL- Adsorption aus menschlichem Serum mit und ohne Zusatz von PVPNO an drei verschiedene α- Quarze, ausgedrückt als Relation der am Mineralstaub adsorbierten LDL- Cholesterolmasse zur LDL- Cholesterolmasse im zugegebenen Serum in Prozent. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die LDL- Cholesterolkonzentration im Ausgangsserum lag an den verschiedenen Messtagen zwischen 94mg/dl und 110mg/dl.


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20.10.2005