Angst vor den Nanogiften
Die potenziellen Gefahren von Nanopartikeln beschäftigen nicht nur Toxikologen. In den USA hat das Thema inzwischen auch die Politik erreicht. Denn Studien zeigen: Die Kleinstteilchen bergen Gesundheitsrisiken, die noch nicht systematisch erfasst sind.
- Philip E. Ross
Ein alter Albtraum der noch jungen Nanotech-Community wurde Ende März zur Realität: Sechs Menschen mussten in Deutschland mit Atemproblemen ins Krankenhaus, nachdem sie ein Haushalts-Versiegelungsprodukt namens "Magic Nano" verwendet hatten. Zwar war anfangs noch unklar, was die Erkrankungen tatsächlich hervorgerufen hatte und ob das "Magic Nano"-Spray tatsächlich Nanopartikel enthielt - doch der Vorfall führte schnell zu einer Debatte um die Sicherheit von Verbrauchsgütern, die Nanotechnik enthalten.
Die Anzahl solcher Produkte, die Endverbrauchern angeboten werden, erhöht sich ständig - laut einer Studie des "Project on Emerging Nanotechnologies" in Washington waren es im März bereits über 200. Das Angebot ist groß: Von Zusatzstoffen, die die Verbrennung in Dieselmotoren verbessert über Polymere in Fahrzeugen, hochfeste Materialien in Tennis- und Golfschlägern bis hin zu schmutzabweisenden Stoffen und Kosmetika. Verwendet werden die verschiedensten Nanomaterialien: Von Fullerenen (fußballförmige Partikel) bis hin zu weniger exotischen Stoffen wie Zinkoxid-Nanopartikeln. Nahezu allen Produkten gemeinsam ist, dass der Nanoanteil jeweils nicht intensiv auf seine Sicherheit getestet wurde.
Nanopartikel, die weniger als 100 Nanometer groß sind, sind schon länger als Nebenprodukte bei Verbrennungsprozessen bekannt - außerdem kommen sie innerhalb der regulären Luftverschmutzung vor. Doch die Nanomaterialien, die in Endkundenprodukten stecken, werden von Forschern entwickelt und synthetisiert: Ultrakleine Partikel, deren einzigartige Eigenschaften man für neue Produkte nutzen möchte. Die meisten Toxikologen sind sich einig, dass man diese Nanopartikel nicht als grundsätzlich gefährlich, aber auch nicht als grundsätzlich sicher bezeichnen kann. Ihre chemische und physische Zusammensetzung, die sie für neue Anwendungen so wertvoll macht, kann sie in Sachen Gesundheitsgefahr jedoch deutlich von ihren "großen" Brüdern unterscheiden.
Einer der Gründe, warum Nanopartikel gefährlich sein könnten, hat mit einfacher Physik zu tun: Je kleiner ein Partikel ist, desto stärker wächst seine Fläche im Vergleich zu seiner Masse. Stoffe, die normalerweise eine recht kleine Oberfläche besitzen, sind in Form einer Ansammlung von Nanopartikeln plötzlich deutlich reaktiver. Das hat bei bestimmten Anwendungsformen Vorteile, erhöht möglicherweise jedoch auch die Toxizität. "Wenn wir die Giftigkeit eines Stoffes berechnen, nutzen wir immer seine Masse. Auf Nanostoffe angewandt, benötigen wir völlig neues Zahlenmaterial", erklärt Vicki Colvin, Chemieprofessorin an der Rice University in Houston und anerkannte Expertin für Nanostoffe.
Neben der erhöhten Reaktivität kann auch die schlichte geringe Größe der Nanopartikel ein Problem darstellen. Toxikologen wissen seit Jahren, dass relativ kleine Partikel Gesundheitsprobleme verursachen können, wenn sie eingeatmet werden. Je kleiner sie sind, desto leichter durchdringen sie die Schleimbarrieren in Nase und Bronchialtrakt und erreichen die Lungenbläschen, in denen das Kohlendioxid aus dem Blut entnommen und gegen Sauerstoff getauscht wird. In den Lungenbläschen werden die Partikel zwar von weißen Blutkörperchen, den Makrophagen, umfangen und schließlich aus dem Körper getragen. Bei hohen Dosen funktioniert dieser Reinigungsprozess allerdings nicht mehr.
Die Gefahren steigen, je mehr Nanomaterialien auf den Markt kommen. Fullerene oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden immer präziser hergestellt und landen mehr und mehr in Verbrauchsgütern. Die Frage nach der Toxizität stellt sich also immer dringender.
Zu den unbeantworteten Fragen gehört auch, wo die Nanopartikel schließlich hingelangen, wenn sie in den Körper eingedrungen sind. Günter Oberdörster, Toxikologe an der University of Rochester, konnte nachweisen, dass verschiedene Arten von Kohlenstoff-Nanopartikeln zwischen 30 und 35 Nanometern Durchmesser durch den Geruchsnerv von Nagetieren bis ins Gehirn gelangen können. "Es besteht die Möglichkeit, dass Nanopartikel auf Grund ihrer geringen Größe Bereiche des Körpers erreichen, zu denen große Partikel nicht gelangen können. Sie können Barrieren überwinden und dann letztlich reagieren", sagt Oberdörster (eine tabellarische Übersicht über die nanotoxikologische Studien gibt es hier).
Bereits im Jahr 2004 experimentierte Oberdörsters Tochter, die Toxikologie-Forscherin Eva Oberdörster, an der Duke University mit Großmaul-Barschen. Sie wurden in Wasser eingesetzt, das Fullerene in einer Konzentration von einem Millionstel enthielt. Nach zwei Tagen zeigten die Lipide in den Gehirnen der Fische eine 17 Mal höhere oxidative Schädigung als bei einer Kontrollgruppe.
Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, eigentlich nur zylindrische Versionen der kugelförmigen Fullerene, gehören zu den Stars der Nanotech-Szene und könnten ihren Weg in zahlreiche Produkte finden - von Solarzellen bis hin zu Computerchips. Forscher am NASA Johnson Space Center in Houston zeigten 2003 allerdings, dass sie Schäden in den Lungen von Mäusen, so genannte Läsionen, hervorrufen können, die sich über einen längeren Zeitraum verschlimmerten. Unter Experimentalbedingungen ergab sich, dass die Kohlenstoff-Nanoröhrchen toxischer als Ruß waren, manchmal sogar toxischer als Quarz, der im Arbeitsschutz als gesundheitsgefährdend gilt.
Ein anderer sehr interessanter Nanopartikel ist der so genannte "Quantenpunkt", ein winziger Halbleiterkristall, der als Laser-Material aber auch für flexible Displays oder gar Quantencomputer verwendet werden könnte. Forscher wollen solche leuchtenden Nanopunkte auf Antikörper aufbringen und sie dann Testkandidaten injizieren. Dann könnte man sie nutzen, um bestimmte Gewebebereiche kenntlich zu machen - beispielsweise Tumorzellen. Diese Art von Quantenpunkten bestehen normalerweise aus Cadmiumselenid, das in seiner Nicht-Nanoform toxisch wirken kann. Aus diesem Grund wird der Nanostoff mit einem Schutzmaterial überzogen. Es ist allerdings unklar, wie lange die Quantenpunkte im Körper verbleiben und ob der Schutzüberzug womöglich brüchig werden könnte.
Will man Nanostoffe künftig gesetzlich regulieren, bedarf es ganz neuer Methoden zur Feststellung ihrer Toxizität. Die qualitativen Unterschiede zwischen Nanostoffen und anderen kontrollierten Chemikalien müssen einbezogen werden. Mit diesen neuen Methoden ließen sich dann zahlreiche Stoffe testen.
Heutige Ansätze sind dagegen eher ungeeignet: "Wir müssen erst einmal einen stufenweisen Ansatz formal auf den Weg bringen. Das beginnt bei nichtzellularen Studien der Reaktivität der Partikel und führt über Zellstudien im Reagenzglas bis hin zu Lebendversuchen an Tieren. Wir müssen feststellen, ob bestimmte Partikel harmlos sind und andere reagieren, dann können wir neue Partikel gegen sie testen“, sagt Oberdörster.
Jeden einzelnen neu entwickelten Nanostoff zu testen, wäre hingegen eine Herkulesaufgabe. Chemieprofessorin Colvin will daher ein Modell entwickeln, mit dem sich herausfinden lässt, ob bestimmte Nanopartikel genauer untersucht werden müssen. "Mein Traum wäre es, einen Vorhersage-Algorithmus zu entwickeln, der uns sagt, dass dieses oder jenes Partikel aufgrund seiner Größe und seiner Oberflächenstruktur etwas ist, das man lieber in der Schublade lassen sollte." Colvin glaubt, dass die aktuelle Computertechnik dafür durchaus schnell genug sei, man müsse nur die richtigen Fragen stellen: "Beispielsweise: Haben wir es hier mit einem akuten Zellgift zu tun, oder ist es etwas anderes?"
