4. Diskussion

4.1. Methode der Oberflächenbestimmung mittels Nonadecansäureadsorption

↓47

Die Annahme, dass die verwendete langkettige Fettsäure eine monomolekulare Schicht auf der Stauboberfläche bildet wird durch den ermittelten Platzbedarf pro Molekül bestätigt. Dieser beträgt 0,192 +/- 0,009nm2 und liegt damit im Bereich der 0,2nm2, die von verschiedenen Autoren als Platzbedarf langkettiger Fettsäuren in monomolekularen Schichten ermittelt wurden [86-89]. Die Adsorptionsisotherme (vergleiche Abb.2) spricht mit ihrem Verlauf ebenfalls für die Annahme, dass es sich bei der Adsorption der Nonadecansäure auf der Quarzsandoberfläche um die Bildung einer monomolekularen Schicht handelt. Es findet sich eine gleichmäßige Adsorptionskurve ohne Sprünge, die die Bildung von bi- oder trimolekularen Schichten anzeigen würden. Da es sich bei den verwendeten Eichsubstanzen um natürlich vorkommende Sände handelt, kann man davon ausgehen, dass sie weitgehend frei von Mikroporen sind. Unter dieser Bedingung erhält man mit der angewandten Methode der Nonadecansäure- Adsorption die gleichen Werte für die spezifische Oberfläche, wie mit anderen Methoden, die die Oberfläche von Mikroporen nicht vernachlässigen.

Sing [84] nennt grundsätzliche Schwierigkeiten, die bei der Bestimmung der spezifischen Oberfläche mittels Adsorption aus einer flüssigen an eine feste Phase auftreten können. So sind die meisten Kristalloberflächen heterogen und die entstehende Schicht des adsorbierten Stoffes infolgedessen nicht gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Die Anordnung der einzelnen Moleküle des Adsorbates auf der Oberfläche kann in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur von Stoff zu Stoff variieren. Außerdem kann der Einbau von Molekülen des Lösungsmittels in die monomolekulare Schicht eine Fehlerquelle darstellen. Die genannten Probleme gelten grundsätzlich auch für die in dieser Arbeit angewandte Methode. Allerdings ist der Einbau von Molekülen des Lösungsmittels in die monomolekulare Fettsäureschicht aufgrund der großen Kettenlängen sehr unwahrscheinlich.

↓48

Die Bestimmung von Stauboberflächen ist grundsätzlich mit relativ großen Fehlern behaftet. Für die Stickstoffadsorption, die in der weit verbreiteten BET- Methode zum Einsatz kommt, werden Abweichungen von bis zu 30% zwischen der ermittelten und der tatsächlichen Oberfläche angenommen, die in Abhängigkeit von der strukturellen Beschaffenheit der untersuchten Oberfläche auftreten können [84].

Die Methode der Nonadecansäureadsorption in der vorliegenden Untersuchung liefert Oberflächenwerte mit Fehlern zwischen +/-5% und +/-19% (vergleiche Tab.1). Deren Ursache konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden. Vermutlich sind die einzelnen verwendeten Stäube nicht ganz einheitlich in bezug auf den Mahlgrad der enthaltenen Staubpartikel. Andere Ursachen könnten im Schüttelvorgang begründet sein. Möglicherweise kommt es stellenweise zu Staubverklumpungen während des Schüttelns, sodass nicht immer die gesamte Stauboberfläche als Adsorptionsfläche zur Verfügung steht.

Abschließend betrachtet handelt es sich bei der Methode der Nonadecansäureadsorption um eine Alternative zu etablierten Oberflächenbestimmungsmethoden, die dann sinnvoll angewendet werden kann, wenn die Oberfläche von Poren mit einem Öffnungsdurchmesser < 2,5nm vernachlässigt werden soll.

4.2. Lipoproteinadsorption

↓49

Bei der Adsorption von Lipoproteinen aus bovinem Lipoproteinkonzentrat zeigt sich, dass in der Gruppe der fibrogenen Mineralstäube mit 32-93% (bei 37°C) bzw. 40-95% (bei 22°C) der vorhandenen Lipoproteine signifikant (p = 0,003) mehr adsorbiert wird, als in der Gruppe der inerten Stäube mit Werten von 18- 24% (bei 37°C) bzw. 17-28% (bei 22°C). Das verwendete Konzentrat besteht in seinem Cholesterolanteil zu >90% aus HDL- Cholesterol.

Im nächsten Schritt wurde anstelle des Lipoproteinkonzentrates menschliches Serum verwendet. Das Adsorptionsverhalten der Lipoproteindichteklassen HDL und LDL wurde dabei separat untersucht. Die Adsorption von Lipoproteinen aus Serum wird, im Gegensatz zur Adsorption aus Konzentrat, durch das Auftreten von Konkurrenz mit anderen potenziellen Adsorbaten beeinflusst. So enthält Serum sehr viele Proteine, die ebenfalls auf der Stauboberfläche adsorbieren können und dieses in Abhängigkeit von Konzentration und Affinität tun. Es ist deshalb möglich, dass ein Staub, der große Mengen an Lipoproteinen aus einem Lipoproteinkonzentrat adsorbiert, nahezu keine Lipoproteine aus Serum an seiner Oberfläche bindet, wenn die gesamte Oberfläche von einem oder mehreren Adsorbaten mit höherer Affinität und/ oder Konzentration besetzt wird. Die konkurrierenden Adsorbate können für die einzelnen Mineralstäube unterschiedlich sein und somit auch das Ausmaß der Beeinflussung des Adsorptionsverhaltens der Stäube gegenüber Lipoproteinen.

In diesem Zusammenhang muss auch auf die Bedeutung der Proteine und Lipide des Surfactant als potenziell konkurrierende Adsorbate hingewiesen werden. Inhalierte Staubpartikel kommen im Alveolarraum mit diesem Flüssigkeitsfilm in Berührung und adsorbieren vermutlich Surfactantbestandteile an ihrer Oberfläche. Ein Einfluss dieser Adsorption auf die Fibrogenität eines Staubes wird diskutiert [26]. Es erscheint deshalb interessant, auch den Einfluss von Surfactant auf das Lipoproteinadsorptionsvermögen von Mineralstäuben zu untersuchen.

↓50

Das Phänomen der konkurrierenden Adsorption findet sich im Ergebnis der Adsorptionsversuche aus humanem Serum. Während bei der Adsorption aus Lipoproteinkonzentrat alle Stäube Lipoproteine adsorbieren, zeigt die Adsorption von HDL aus menschlichem Serum eine eindeutige, statistisch signifikante (p = 0,003) Verteilung in dem Sinne, dass alle inerten Mineralstäube so gut wie kein HDL adsorbieren (0-3%), während die fibrogenen Stäube zwischen 6 und 40% des vorhandenen HDL binden. Hier fällt innerhalb der Gruppe der fibrogenen Stäube auf, dass der als besonders stark fibrogen bekannte QuarzDQ12 auch die stärkste HDL- Adsorption zeigt, während der als nur schwach fibrogen, teilweise sogar als inert bezeichnete Talk [80,94] eine vergleichsweise geringe HDL- Adsorption von 6% aufweist.

Die Adsorption von LDL zeigt eine unregelmäßige Verteilung zwischen beiden untersuchten Gruppen.

Die Zugabe von PVPNO, einem Hemmstoff der Silikoseentstehung zum Serum führt bei sonst gleichen Versuchsbedingungen zu einem Rückgang der HDL- Adsorption auf α- Quarz um 93% für QuarzDQ12, 94% für QuarzF600 sowie 49% für QuarzSigma.

↓51

Demnach ist die durch PVPNO hemmbare, bevorzugte Adsorption von HDL eine gemeinsame Eigenschaft der fibrogenen Mineralstäube, die sie von den inerten Mineralstäuben unterscheidet.

4.2.1. Die Bindung zwischen HDL und α- Quarz

Die Abildungen 10 und 11 zeigen die Adsorption von Lipoproteinen aus Lipoproteinkonzentrat neben der Adsorption von HDL aus Serum.

Abb. 10: Adsorption von Lipoproteinen aus Lipoproteinkonzentrat (>90% HDL- Cholesterol) an die Oberfläche fibrogener und inerter Mineralstäube im Vergleich zur Adsorption von HDL aus Serum an diese Oberflächen. Angegeben ist die jeweils adsorbierte Masse Cholesterol pro Quadratmeter Stauboberfläche. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die Cholesterolkonzentration betrug im Lipoproteinkonzentrat 190+/-11mg/dl, die HDL- Cholesterolkonzentration im Serum betrug 59+/-5mg/dl.

↓52

Abb. 11: Adsorption von Lipoproteinen aus Lipoproteinkonzentrat (>90% HDL- Cholesterol) an die Oberfläche fibrogener und inerter Mineralstäube im Vergleich zur Adsorption von HDL aus Serum an diese Oberflächen. Angegeben ist jeweils die Relation der am Mineralstaub adsorbierten Cholesterolmasse zur Cholesterolmasse in der Ausgangslösung in Prozent. Mittelwerte und Standardabweichungen aus jeweils drei Messungen. Die Cholesterolkonzentration betrug im Lipoproteinkonzentrat 190+/-11mg/dl, die HDL- Cholesterolkonzentration im Serum betrug 59+/-5mg/dl.

Da das Konzentrat nicht ausschließlich, sondern nur zu >90% aus HDL- Cholesterol besteht und die Ausgangskonzentrationen in Serum und Konzentrat nicht identisch sind, lassen sich die Absolutwerte nicht vergleichen. Vergleicht man jedoch die einzelnen Mineralstäube untereinander, so fällt auf, dass die Differenz zwischen der Adsorption aus Konzentrat und der aus Serum bei den drei α- Quarzen geringer ist, als bei den anderen Mineralstäuben. Ursache der Differenz sind zum einen die oben beschriebenen Konzentrationsunterschiede. Diese gelten jedoch für alle Stäube in gleichem Maße. Zum anderen ergibt sich die Differenz durch konkurrierende Adsorbate, die im Serum, nicht jedoch im Konzentrat vorliegen. Die unterschiedliche Abnahme des HDL- Adsorptionsvermögens der einzelnen Stäube ist daher vermutlich Ausdruck der unterschiedlich starken Konkurrenz durch Serumbestandteile. Die geringe Differenz, die bei den α- Quarzen zu beobachten ist, spricht dafür, dass Serumbestandteile die HDL Adsorption auf den Quarzoberflächen in geringerem Maße beeinflussen, als die HDL- Adsorption auf den Oberflächen der anderen Mineralstäube. Dies lässt auf eine vergleichsweise stabile Bindung zwischen der Quarzoberfläche und den HDL- Partikeln schließen. Auf die Frage, wie diese stabile Bindung aussehen könnte, und welche Strukturen sich möglicherweise daran beteiligen, soll im Folgenden eingegangen werden.

Der Proteinanteil der HDL setzt sich zusammen aus den Apolipoproteinen apoA-I, apoA-II, apoA-IV, apoCI-III und apoE [95]. ApoA-I stellt den Hauptbestandteil dar und hat eine große Bedeutung für die Funktion der HDL durch seine Fähigkeit zur Lipidbindung [96] und seine Cofaktorwirkung bei der Aktivierung des Enzyms Lecithin- Cholesterol- Acyltransferase (LCAT) [40].

↓53

In den Sekundärstrukturen aller genannten Apoproteine des HDL treten charakteristischerweise sogenannte amphipatische α- Helices auf [97]. Darunter versteht man eine besondere Form der α- Helix, bei der eine Seite entlang der Längsachse des Helixstranges von polaren Gruppen gebildet wird, die gegenüberliegende Seite von unpolaren Gruppen. Diese Strukturen bieten sich an als Assoziationsstellen für Lipide.

Klimov et al. [98] untersuchten die Bindung von Cholesterol an apoA-I und apoE und kommen zu dem Schluss, dass es eine Bindung über zwei verschiedene Strukturen gleichzeitig gibt. Diese Zwei- Punkt- Bindung führt zu einer großen Stabilität. So kann die polare Hydroxylgruppe des Cholesterolmoleküls an der Aminosäure Arginin im apoA-I bzw. apoE binden, indem eine Wasserstoffbrückenbindung und/ oder Ionen- Dipol- Beziehung zwischen der Hydroxylgruppe des Cholesterols einerseits und der positiv geladenen Guanidingruppe des Arginin andererseits ausgebildet wird. Gleichzeitig kann die aliphatische Seitenkette des Cholesterolmoleküls in eine hydrophobe Wechselwirkung mit einer neutralen Aminosäure treten und so die zweite Bindungsstelle ausbilden. Klimov et al. [98] fanden ein häufig wiederkehrendes Muster in den Primärstrukturen von apoA-I und apoE, bei dem jeweils die dritte Aminosäureposition vor oder nach Arginin durch eine Aminosäure mit hydrophobem Rest als möglichem Partner zur Wechselwirkung mit der hydrophoben Seitenkette des Cholesterolmoleküls besetzt ist.

Nimmt man an, dass α- Quarz bei seiner Bindung an HDL ähnlich wie Cholesterol eine Bindung über zwei Bindungsstellen eingehen kann, könnte dies eine Erklärung für die Festigkeit der Bindung sein.

↓54

α- Quarz besitzt an seiner Oberfläche Silanol (SiOH)- und ionisierte Silanolgruppen (SiO), die als mögliche Bindungspartner für Aminosäuren der Apoproteine im HDL in Frage kommen. Eine Bindung der sauren Silanolgruppe könnte als Wasserstoffbrückenbindung an die bei physiologischem pH- Wert negativ geladene Carboxylgruppe (COO) der Aminosäuren Asparaginsäure und Glutaminsäure erfolgen, während als Bindungspartner der negativ geladenen ionisierten Silanolgruppe (SiO) die bei physiologischem pH- Wert positiv geladenen Aminogruppen der Aminosäuren Arginin und Lysin in Frage kommen. Hier könnte sich eine Ionen- Ionen- Beziehung ausbilden (siehe Abb.12).

Abb. 12: Hypothetisches Modell einer Zwei- Punkt- Bindung zwischen α- Quarz und Apolipoproteinen des HDL

Von den geladenen Aminosäuren Asparaginsäure, Glutamaminsäure, Arginin und Lysin wird die polare Seite der amphipatischen α- Helix gebildet [97]. Untersucht man die Primärstrukturen der Apolipoproteine in bezug auf die vier genannten Aminosäuren, so fällt wie in den Tabellen 3 bis 9 dargestellt auf, dass ähnlich der von Klimov et al. [98] bemerkten festen Abstände zwischen bestimmten Aminosäuren auch unter den als Quarzbindungspartner in Frage kommenden Aminosäuren häufig eine Sequenz der Form Asparaginsäure (Glutaminsäure) — X — X— Arginin (Lysin) auftritt. Das bedeutet, dass mögliche Bindungspartner der Silanolgruppe (Asparaginsäure und Glutaminsäure) in einem jeweils definierten Abstand, nämlich an dritter Position vor oder nach einem möglichen Bindungspartner der ionisierten Silanolgruppe (Arginin oder Lysin) anzutreffen sind. Besonders häufig erscheint diese Sequenz im apoA-I, das bei einer Gesamtzahl von 243 Aminosäuren 27 mal die spezifische Sequenz Asparaginsäure (Glutaminsäure) — X — X— Arginin (Lysin) beinhaltet. Im apoA-II- Molekül findet sich diese Sequenz unter 77 Aminosäuren 5 mal, im apoA-IV unter 376 Aminosäuren 27 mal, im apoE unter 299 Aminosäuren 15 mal, im apoC-I unter 57 Aminosäuren 7 mal, im apoC-II unter 79 Aminosäuren 4 mal, im apoC-III unter 79 Aminosäuren 1 mal.

↓55

Tab. 3: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— ARG(LYS) im apoA-I- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, ARG = Arginin, LYS = Lysin.

Saure
Aminoäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

ASP

9 — X — X — 12

LYS

ASP

13 — X — X — 10

ARG

ASP

20 — X — X — 23

LYS

ASP

24 — X — X — 27

ARG

GLU

62 — X — X — 59

LYS

GLU

80 — X — X — 77

LYS

GLU

80 — X — X — 83

ARG

GLU

85 — X — X — 88

LYS

GLU

91 — X — X — 94

LYS

ASP

103 — X — X — 106

LYS

GLU

110 — X — X — 107

LYS

GLU

113 — X — X — 116

ARG

GLU

120 — X — X — 123

ARG

GLU

128 — X — X — 131

ARG

GLU

136 — X — X — 133

LYS

GLU

146 — X — X — 149

ARG

ASP

150 — X — X — 153

ARG

ASP

157 — X — X — 160

ARG

ASP

168 — X — X — 171

ARG

GLU

179 — X — X — 182

LYS

GLU

191 — X — X — 188

ARG

GLU

198 — X — X — 195

LYS

GLU

205 — X — X — 208

LYS

GLU

212 — X — X — 215

ARG

GLU

223 — X — X — 226

LYS

GLU

235 — X — X — 238

LYS

Tab. 4: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— LYS im apoA-II- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, LYS = Lysin.

Saure
Aminoäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

ASP

20— X — X — 23

LYS

GLU

27 — X — X — 30

LYS

GLU

33 — X — X — 30

LYS

GLU

47 — X — X — 44

LYS

GLU

43 — X — X — 46

LYS

Tab. 5: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— ARG(LYS) im apoA-IV- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Elshourbagy et al. [91]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, ARG = Arginin, LYS = Lysin.

Saure
Aminoäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

GLU

48 — X — X — 45

LYS

ASP

55 — X — X — 58

LYS

GLU

76 — X — X — 73

LYS

ASP

74 — X — X — 77

LYS

GLU

76 — X — X — 79

LYS

GLU

80 — X — X — 77

LYS

GLU

81 — X — X — 84

LYS

GLU

87 — X — X — 84

LYS

GLU

87 — X — X — 90

ARG

ASP

106 — X — X — 103

LYS

ASP

106 — X — X — 109

ARG

ASP

120 — X — X — 122

ARG

GLU

131 — X — X — 134

ARG

ASP

164 — X — X — 167

LYS

GLU

175 — X — X — 178

LYS

ASP

186 — X — X — 189

LYS

GLU

197 — X — X — 200

ARG

GLU

198 — X — X — 201

ARG

GLU

227 — X — X — 230

LYS

GLU

230 — X — X — 233

LYS

GLU

241 — X — X — 244

ARG

GLU

225 — X — X — 228

ARG

GLU

281 — X — X — 284

ARG

GLU

282 — X — X — 285

ARG

GLU

288 — X — X — 285

ARG

GLU

302 — X — X — 305

ARG

GLU

342 — X — X — 339

LYS

↓56

Tab. 6: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— ARG(LYS) im apoE- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, ARG = Arginin, LYS = Lysin.

Saure
Aminosäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

ASP

35 — X — X — 32

ARG

ASP

35 — X — X — 38

ARG

GLU

66 — X — X — 69

LYS

GLU

87 — X — X — 90

ARG

GLU

131 — X — X — 134

ARG

ASP

153 — X — X —150

ARG

ASP

154 — X — X — 157

LYS

GLU

186 — X — X — 189

ARG

GLU

212 — X — X — 215

ARG

ASP

227 — X — X — 224

ARG

GLU

231 — X — X — 228

ARG

ASP

230 — X — X — 233

LYS

GLU

245 — X — X — 242

LYS

ASP

271 — X — X — 274

ARG

Tab.7: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— LYS im apoC-I- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, ARG = Arginin, LYS = Lysin.

Saure
Aminosäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

GLU

13— X — X — 10

LYS

ASP

20 — X — X — 23

ARG

GLU

24 — X — X — 21

LYS

GLU

33 — X — X — 30

LYS

GLU

40 — X — X — 37

LYS

GLU

51 — X — X — 48

LYS

GLU

51 — X — X — 54

LYS

Tab.8: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— LYS im apoC-II- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). ASP = Asparaginsäure, GLU = Glutaminsäure, ARG = Arginin, LYS = Lysin.

Saure
Aminosäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

GLU

27— X — X — 30

LYS

GLU

47 — X — X — 50

ARG

ASP

51 — X — X — 48

LYS

GLU

79 — X — X — 76

LYS

↓57

Tab.9: Spezifische Sequenzen der Form ASP(GLU) — X — X— LYS im apoC-III- Molekül und ihre Position innerhalb der Aminosäuresequenz. (Die Sequenz wurde entnommen aus Mahley et al. [95]). GLU = Glutaminsäure, LYS = Lysin.

Saure
Aminosäure


Position im Protein

Basische
Aminosäure

GLU

63— X — X — 60

LYS

In einer α- Helix, wie sie die genannten Apoproteine als Sekundärstruktur aufweisen [97], beträgt die Ganghöhe einer Windung 0,54nm bei 3,6 Aminosäureresten pro Windung [99]. Das bedeutet, dass die potenziellen Quarzbindungsstellen der Sequenz Asparaginsäure (Glutaminsäure) — X — X— Arginin (Lysin) in der Helix einen Höhenunterschied von 0,45nm aufweisen und um 60° versetzt liegen.

Die Kristallstruktur von α-Quarz zeigt einen Aufbau aus über Sauerstoff verknüpften SiO4- Tetraedern, die in Richtung der kristallographischen a- Achse einen definierten Abstand von 0,491nm voneinander haben [100]. In diesem Abstand befinden sich demnach die funktionellen Gruppen (SiOH und SiO-) auf der Stauboberfläche. Andere fibrogene Modifikationen des Siliziumdioxids, wie Cristobalit und Tridymit sowie die SiO4- Tetraeder im Talk und im Kaolin zeigen entlang dieser kristallographischen Achse einen ähnlichen Abstand. Die Werte sind in Tabelle 10 zusammengestellt. Sie liegen in einem engen Bereich von 0,51 +/- 0,02nm. Der Tabelle ist auch zu entnehmen, dass die Abstände entlang der kristallographischen a- Achse für die nur gering fibrogenen Kristallmodifikationen des Siliziumdioxids Coesit und Stishovit [1] nicht in diesem Bereich zu finden sind.

↓58

Tab. 10: Abstände der SiO4- Tetraeder entlang der kristallographischen a- Achse in den Kristallgittern verschiedener Minerale. Entnommen aus Strunz, Mineralogische Tabellen [100].

Mineral

a [nm]

α- Quarz (SiO2)

0,491

α-Cristobalit (SiO2)

0,497

β-Tridymit (SiO2)

0,503

Kaolin(Al4[(OH)8 /Si4O10])

0,514

Talk (Mg3[(OH)2/Si4O10])

0,527

Coesit (SiO2)

0,723

Stishovit (SiO2)

0,418

Der Abstand zwischen den funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der genannten fibrogenen Mineralstäube (0,51 +/- 0,02nm) sowie der Abstand zwischen ihren möglichen Bindungspartnern in der α- Helix der Apoproteine (0,45nm) liegen so dicht beieinander, dass man vermuten kann, dass es zu epitaktischen Phänomenen kommt. Die Aminosäurereste von Arginin und Lysin sind lang und flexibel [99] und sollten in der Lage sein, die Streckendifferenz und die Rotation um 60° auszugleichen.

4.2.2. Mögliche Bedeutung der HDL- Adsorption für die Fibroseentstehung

Die untersuchten fibrogenen Mineralstäube adsorbieren signifikant mehr HDL, als die untersuchten inerten Stäube. Die HDL- Adsorption kann durch PVPNO gehemmt werden.

↓59

Ein möglicher pathogenetischer Zusammenhang von HDL- Adsorption und Fibrogenität eines Staubes wurde bisher nicht untersucht. Im Folgenden werden Ideen und mögliche neue Erklärungsansätze für bisher nicht erklärbare Phänomene der Silikoseforschung aufgezeigt, die sich aus einem möglichen pathogenetischen Zusammenhang ergeben könnten. Es handelt sich um Anregungen, die im Rahmen entsprechender experimenteller Untersuchungen überprüft werden sollten.

Die Aufnahme von oxidativ modifiziertem LDL durch Makrophagen ist ein Faktor in der Pathogenese der Arteriosklerose [101]. Die Möglichkeiten zur Aufnahme von LDL durch Makrophagen sind bekannt. Dagegen ist nicht sicher geklärt, ob Makrophagen auch in der Lage sind, HDL- Partikel aufzunehmen. Der vor einigen Jahren entdeckte HDL bindende Scavenger- Rezeptor SR- BI bewirkt nicht die Aufnahme des gesamten HDL- Partikels in die Zelle, sondern vermittelt Cholesterolaustauschvorgänge über die Zellmembran [47,102]. Der für die Internalisierung von oxidativ modifiziertem LDL verantwortliche Scavenger- Rezeptor ist nicht in der Lage, natives HDL zu binden [103]. Mit Kupferionen oxidiertes HDL kann dagegen nach La Ville et al. [103] über den Scavenger- Rezeptor aufgenommen werden, während dies nach den Ergebnissen von Parthasarathy et al. [50] nicht möglich ist.

Die Adsorption von HDL an der Oberfläche von Staubpartikeln stellt eine Möglichkeit dar, wie HDL- Partikel von Makrophagen aufgenommen werden könnten. Die mit HDL beladenen Staubpartikel könnten als Überträger fungieren, indem HDL im Rahmen der Partikelphagozytose rezeptorunabhängig in die Makrophagen gelangen könnte. Möglicherweise sind auf diese Weise internalisierte HDL- Partikel die Auslöser der Freisetzung fibrogener Mediatoren durch Makrophagen, wie sie im Rahmen der Pathogenese der Silikose beobachtet werden kann [20].

↓60

Die Tatsache, dass die Zugabe des Polymers PVPNO zum Serum eine Hemmung der HDL- Adsorption bewirkt, spricht für die Vorstellung, dass adsorbiertes HDL die Fibrogenität eines Mineralstaubs beeinflusst. PVPNO ist ein starker Protonenakzeptor und in der Lage mit Silanolgruppen der Quarzoberfläche Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen [29]. Das Polymer kann die Entstehung einer Silikose verhindern [28]. Unter Einbeziehung der vorangegangenen Überlegungen lässt sich die Wirkung des PVPNO folgendermaßen erklären. Durch die Besetzung der Silanolgruppen könnte PVPNO die Ausbildung einer stabilen Zwei- Punkt- Bindung zwischen der Quarzoberfläche und HDL verhindern, da eine der beiden benötigten Bindungsstellen, die Silanolgruppe, nicht mehr für HDL zur Verfügung steht. Andere potenzielle Adsorbate wären nun in der Lage, weniger fest gebundenes HDL von der Quarzoberfläche zu verdrängen. Damit könnten die eigentlich fibrogenen Stäube nicht mehr als HDL- Überträger wirksam werden, wodurch sie ihre Fibrogenität verlören.

Neben PVPNO ist auch das dreifach positiv geladene Aluminiumion (Al3+) in der Lage, die fibrogene Aktivität von Quarz zu inhibieren [104]. Al3+ bindet vermutlich an die ionisierte Silanolgruppe (SiO) auf der Quarzoberfläche [104]. Auch durch die Bindung von Al3+ wäre demnach die Ausbildung einer stabilen Zwei- Punkt- Bindung zwischen Quarz und HDL nicht mehr möglich. Wie im Falle des PVPNO würde dadurch die angenommene HDL- Überträgerfunktion von Quarz gestört und die Fibrogenität von Quarz inhibiert.

Die Vorstellung einer besonders stabilen Bindung zwischen Quarz und den Apolipoproteinen im HDL durch die Bindung über zwei verschiedene Bindungsstellen liefert somit eine neue Erklärung für die Tatsache, dass zwei an unterschiedlichen Strukturen angreifende Substanzen (PVPNO und Al3+) dieselbe Wirkung, nämlich die Verhinderung der durch Quarz ausgelösten fibrotischen Reaktion, erzielen.

↓61

Die vorgeschlagene stabile Zwei- Punkt- Bindung könnte ebenfalls erklären, weshalb Siliziumdioxid in seiner amorphen Struktur eine nur sehr geringe fibrogene Wirkung aufweist [105,106]. Erst die kristalline Struktur ermöglicht das Auftreten eines geometrisch festen Musters an Silanol- (SiOH) und ionisierten Silanolgruppen (SiO), die als Bindungsstellen für die ebenfalls in festen Abständen vorkommenden Aminosäuren im Apoprotein zur Verfügung stehen. Im amorphen Siliziumdioxid sind die Abstände zwischen den einzelnen Siliziumatomen nicht durch ein Kristallgitter definiert. Dies bedeutet, dass definierte Abstände zwischen funktionellen Gruppen, die mit den entsprechenden Aminosäuren zur Ausbildung von Zwei- Punkt- Bindungen führen könnten, nur zufällig und damit sehr viel seltener auftreten.

Untersuchungen [20] ergaben, dass Quarz stark zytotoxisch auf humane Alveolarmakrophagen wirkt, wenn ein serumfreies Kulturmedium verwendet wird. Werden dem Kulturmedium jedoch 10% Rinderserum zugesetzt, so verschwindet der zytotoxische Effekt und es kommt zur Stimulation der Makrophagen mit der Freisetzung verschiedener Zytokine. Auch für dieses Phänomen kann die HDL- Adsorption auf der Quarzoberfläche eine Erklärung liefern. Im serumfreien Medium kommen die zytotoxischen Gruppen der Quarzoberfläche (SiOH und SiO) in direkten Kontakt mit den Makrophagen und können dort ihre zytotoxische Wirkung entfalten. Durch Zugabe des Serums werden diese funktionellen Gruppen durch HDL- Adsorption maskiert, die zytotoxische Wirkung des Quarzes wird aufgehoben. Dagegen würde erst durch die HDL- Bindung ein zellstimulierender Effekt auftreten, indem Quarz im Rahmen der Phagozytose HDL in die Makrophagen überträgt und diese möglicherweise dadurch zur Zytokinproduktion anregt.

Die durch die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit entstandene Vorstellung, dass die Adsorption von HDL einen Faktor in der mineralstaubinduzierten Fibroseentstehung darstellen könnte, sollte in geeigneten Experimente näher untersucht werden. Möglicherweise liesse sie sich auf fibrogene Feststoffe generell ausweiten und bliebe nicht auf Stäube beschränkt. Darauf deutet hin, dass HDL auch als bevorzugtes Adsorbat auf diversen Kunststoffen ausgemacht wurde [60,61,93,107,108]. Implantiert man im Tierversuch Scheiben oder Folien aus polymeren Kunststoffen, so reagiert das umliegende Gewebe mit der Bildung einer fibrösen Kapsel [109]. Die Implantatoberfläche wird dabei zu einem Großteil von Makrophagen bedeckt [109]. Man kann vermuten, dass HDL auf der Implantatoberfläche adsorbiert wird und von den dort befindlichen Makrophagen im Rahmen vergeblicher Phagozytoseversuche aufgenommen werden könnte. So könnten die internalisierten HDL- Partikel wiederum als Auslöser von Zytokinproduktion und lokaler Fibrose fungieren.

↓62

Bezugnehmend auf die in der Einleitung genannten Ziele der Arbeit, lassen sich folgende Feststellungen treffen:


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der Humboldt-Universität zu Berlin
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20.10.2005