Zusammenfassung
Titel:
Auswirkungen städtischer PM2.5 Nanopartikel auf menschliche Gehirnorganoide und Herzzellen: Auswirkungen auf neurodegenerative Erkrankungen, kardiovaskuläre Toxizität und Umweltgesundheit
Hintergrund:
Feinstaub (PM2.5) ist ein Hauptbestandteil der Luftverschmutzung und wird zunehmend mit neurodegenerativen und kardiovaskulären Erkrankungen in Verbindung gebracht. Aufgrund ihrer geringen Größe (≤ 2,5 μm) können PM2.5-Partikel biologische Barrieren überwinden, in den Blutkreislauf gelangen und entfernte Organe wie das Gehirn und das Herz erreichen. Trotz zunehmender epidemiologischer Erkenntnisse sind die zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen —insbesondere in stark verschmutzten Regionen— noch immer unzureichend erforscht.
Methoden:
Um die PM2.5-induzierte Toxizität zu untersuchen, wurden zwei komplementäre In-vitro-Modelle verwendet: menschliche Gehirnorganoide und Herzzellen. Organoide des menschlichen Gehirns, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen wurden, wurden mehr als 60 Tage lang kultiviert und anschließend 14 Tage lang 50 μg/ml PM2.5ausgesetzt, das in Prishtina gesammelt wurde und überwiegend aus verkehrsbedingten Emissionen stammte. PM2.5-Partikel wurden mittels Methanolwäsche aus Luftfiltern extrahiert, steril getrocknet und durch Ultraschall homogenisiert.
Parallel dazu wurden H9C2-Kardiomyozyten 24 und 48 Stunden lang PM2,5 (25–200 μg/ml) und Manganoxid (Mn₂O₃; 10–40 μg/ml) ausgesetzt. Oxidativer Stress wurde mithilfe von DCFH-DA in Gehirnorganoiden und MitoSOX Red in H9C2-Zellen bewertet. Die Zelllebensfähigkeit und die mitochondriale Stoffwechselaktivität wurden mithilfe von Endpunkt- und kinetischen MTT-Tests bewertet. Die Expression von Stress- und Autophagie-bezogenen Proteinen wurde mittels Western Blot analysiert. Die semiquantitative chemische Charakterisierung der PM2.5-Proben wurde mit SEM-EDX durchgeführt.
Ergebnisse (vorläufig):
Die Exposition von Gehirnorganoiden gegenüber PM2.5 führte zu einem Anstieg der intrazellulären Konzentrationen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und einer Verringerung der Expression des stressschützenden Proteins BAG3 um etwa 40–50%. Eine Immunfluoreszenzanalyse deutete auf eine erhöhte GFAP-Expression hin, was auf eine Aktivierung der Astrozyten hindeutet, während keine konsistenten Veränderungen der phosphorylierten Tau-Werte oder der Proteinaggregation beobachtet wurden.
In H9C2-Kardiomyozyten führte die PM2.5-Exposition zu einem moderaten, aber reproduzierbaren Anstieg der mitochondrialen ROS-Produktion, begleitet von einer verringerten Stoffwechselaktivität, mit einer nichtlinearen Dosis-Wirkungs-Beziehung. Die Mn₂O₃-Exposition führte zu stärkeren zeit- und konzentrationsabhängigen Effekten, darunter eine verringerte Zelllebensfähigkeit nach 48 Stunden und eine frühe mitochondriale Dysfunktion. Eine semiquantitative chemische Analyse ergab, dass PM2.5-Proben aus verschmutzten städtischen Gebieten des Kosovo (Prishtina und Obiliq) häufige atmosphärische Elemente enthielten, die typisch für städtische Luftverschmutzung sind, darunter Na, Mg, Al, Si, S, K, Ca, Fe und Cl, sowie Spurenelemente wie Mn, Cu, Zn, Ni und Cr, was mit kombinierten städtischen und industriellen Emissionsprofilen übereinstimmt.
Fazit:
Diese Ergebnisse stellen vorläufige Daten dar. Während die Ergebnisse darauf hindeuten, dass reale städtische PM2.5-Partikel frühe neurotoxische und kardiotoxische Stressreaktionen induzieren können —hauptsächlich durch oxidativen Stress und Beeinträchtigung zellulärer Schutzmechanismen—, sind zusätzliche biologische Replikate und unabhängige experimentelle Validierung erforderlich, um die Reproduzierbarkeit zu bestätigen und endgültige mechanistische Schlussfolgerungen zu ziehen. Im aktuellen Datensatz zeigten Organoide des Gehirns vor allem gliale Stressreaktionen und reduzierte Proteinschutzsysteme, während Herzzellen eine mitochondriale Dysfunktion und Stoffwechselbeeinträchtigung zeigten. Insgesamt hebt die Studie potenzielle organspezifische Effekte von PM2.5 hervor und unterstützt die Verwendung kombinierter, für den Menschen relevanter In-vitro-Modelle für zukünftige, umfassendere Untersuchungen.
Phase 2 dieses Projekts ist geplant und wird direkt auf den vorliegenden Erkenntnissen aufbauen. Alle wichtigen Experimente werden mit einer größeren Anzahl biologischer Replikate wiederholt, um die statistische Aussagekraft zu stärken. Darüber hinaus wird ein breiteres Spektrum an Proteinmarkern untersucht, die mit oxidativem Stress, Entzündungen, mitochondrialer Funktion und Neurodegeneration in Zusammenhang stehen. Darüber hinaus ist bereits eine Bulk-RNA-Sequenzierung geplant, um eine unvoreingenommene transkriptomische Analyse von PM2.5-induzierten molekularen Signalwegen zu ermöglichen und tiefere mechanistische Einblicke in die beobachteten zellulären Reaktionen zu liefern.