Diesel exhaust particles sensitise airway TRPV1 and shift cardiac autonomic balance in healthy humans: a randomised, double-blind, crossover controlled exposure study of genotype-dependent susceptibility

Jeden Tag trägt die Luft, die wir atmen, winzige Partikel aus Ruß und Staub mit sich, die oft aus dem Abgas von Dieselmotoren stammen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass die Zahl der Herzinfarkte und Atemwegsprobleme innerhalb weniger Stunden ansteigt, wenn diese Partikel in der Luft zunehmen. Diese Geschwindigkeit ist ein Rätsel. Es ist zu schnell, als dass der Körper durch die langsame, schwere Maschinerie der Entzündung reagieren könnte, die normalerweise Tage braucht, um sich aufzubauen. Stattdessen deutet diese schnelle Reaktion auf ein anderes System der Alarmierung hin: ein direktes, reflexartiges Signal, das von der Lunge zum Herzen reist und dabei die üblichen chemischen Botenstoffe umgeht. Der Schlüssel zu diesem Alarm ist ein spezifischer Typ von Nervenfasern in den Atemwegen, der wie eine empfindliche Stolperfalle wirkt. Wenn diese Nerven ausgelöst werden, können sie einen Menschen zum Husten bringen und auch ein Signal an das Herz senden, um dessen Rhythmus zu verändern.

Forscher hatten lange Zeit vermutet, dass Dieselabgaspartikel diese Stolperfalle direkt auslösen könnten, aber es war schwierig, dies an lebenden Menschen zu beweisen. Sie mussten sehen, ob das Einatmen dieser Partikel die Nerven der Atemwege tatsächlich empfindlicher machen und das Gleichgewicht des Herzens in Richtung eines „Kampf-oder-Flucht“-Zustands verschieben kann, und zwar innerhalb einer einzigen Sitzung. Sie wollten auch wissen, warum manche Menschen stark auf Verschmutzung reagieren, während andere dies nicht tun. Die Antwort könnte in unseren Genen liegen, speziell in den winzigen Variationen der DNA, die diese Nervensensoren aufbaut. Wenn die Sensoren bei einigen Menschen etwas anders gebaut sind, könnten sie durch die gleiche Menge an Verschmutzung leichter ausgelöst werden.

Um die Antwort zu finden, entwarf ein Team von Wissenschaftlern des Universitätsklinikums Padua in Italien ein sorgfältiges Experiment mit dreiundzwanzig gesunden, Nichtraucher-Erwachsenen. Die Studie war so aufgebaut, dass jede Person als ihre eigene Kontrolle diente, wodurch das Raten beim Vergleich verschiedener Menschen vermieden wurde. Jeder Freiwillige besuchte das Labor dreimal. Beim ersten Besuch ermittelten sie einen Ausgangswert. Bei den nächsten zwei Besuchen, die mindestens eine Woche auseinanderlagen, inhalierten sie einen Nebel. In zufälliger Reihenfolge atmeten sie entweder einen harmlosen Salzwassernebel oder einen Nebel, der eine präzise Menge an Dieselabgaspartikeln enthielt. Die Menge an Diesel, die die Freiwilligen inhalierten, wurde so berechnet, dass sie der Menge entsprach, die ein Arbeiter während einer geschäftigen zweistündigen Schicht einatmen könnte, lag aber dennoch unter dem gesetzlichen Grenzwert für einen vollen Arbeitstag. Weder die Freiwilligen noch die Wissenschaftler wussten, welcher Nebel zu irgendeinem Zeitpunkt eingeatmet wurde, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht durch Erwartungen beeinflusst wurden.

Nach dem Inhalieren des Nebels testeten die Forscher sofort die Atemwege und die Herzen der Freiwilligen. Um die Atemwege zu prüfen, verwendeten sie einen Standardtest mit Capsaicin, der Chemikalie, die Chilischoten scharf macht. Sie baten die Freiwilligen, zunehmende Mengen an Capsaicin einzuatmen, bis sie zweimal husteten. Je geringer die Menge war, die den Husten auslöste, desto empfindlicher sind die Nerven der Atemwege. Um das Herz zu prüfen, zeichneten sie die Herzschläge der Freiwilligen auf, während diese ruhig lagen, um subtile Verschiebungen im Rhythmus zu finden, die anzeigen, ob der Körper eher zur Entspannung oder zum Stress neigt. Sie nahmen auch Blutproben, um zu sehen, ob die natürlichen Abwehrkräfte des Körpers gegen chemischen Stress aufgebraucht wurden.

Die Ergebnisse waren klar und unmittelbar. Als die Freiwilligen die Dieselpartikel inhalierten, wurden ihre Atemwege signifikant empfindlicher. Die Menge an Capsaicin, die nötig war, um sie zum Husten zu bringen, sank im Vergleich zum Einatmen des harmlosen Salzwassers um fast die Hälfte. Dies bewies, dass die Dieselpartikel die Nervenfasern in der Lunge direkt sensibilisiert hatten, was dazu führte, dass sie leichter feuerten. Gleichzeitig zeigten die Herzen der Freiwilligen eine deutliche Verschiebung im Gleichgewicht. Die Daten zeigten, dass sich der Herzrhythmus in Richtung eines Zustands erhöhter Wachsamkeit bewegte, wobei die Stressreaktion des Körpers die Oberhand über die Entspannungsreaktion gewann. Interessanterweise änderte sich die tatsächliche Herzfrequenz der Freiwilligen nicht; die Verschiebung lag im zugrunde liegenden Kontrollsystem, einer subtilen, aber kraftvollen Reorganisation dessen, wie das Herz durch das Nervensystem gesteuert wird.

Die Bluttests erzählten einen dritten Teil der Geschichte. Nach dem Einatmen des Diesels zeigte das Blut der Freiwilligen einen starken Abfall der natürlichen Antioxidationskapazität. Dies sind die Chemikalien, die der Körper nutzt, um schädliche Substanzen zu neutralisieren. Die Tatsache, dass diese Abwehrkräfte aufgebraucht wurden, während die Mengen der schädlichen Nebenprodukte stabil blieben, deutet darauf hin, dass der Körper die Partikel in dem Moment aktiv bekämpfte, als sie eingeatmet wurden. Es war ein schneller, lokalisierter Kampf, der innerhalb von Minuten stattfand, nicht erst nach Tagen.

Vielleicht war der aufschlussreichste Befund derjenة, warum die Reaktionen von Person zu Person variierten. Die Forscher untersuchten die DNA jedes Freiwilligen und konzentrierten sich auf die spezifischen Gene, die die Nervensensoren der Atemwege aufbauen. Sie fanden heraus, dass Menschen, die eine höhere Anzahl spezifischer genetischer Variationen in diesen Sensoren trugen, die stärksten Reaktionen in ihrem Herzrhythmus zeigten. Je mehr dieser Variationen eine Person hatte, desto stärker verschob sich das Gleichgewicht ihres Herzens in Richtung Stress nach dem Einatmen des Diesels. Dieser genetische Zusammenhang war spezifisch für die Diesel-Exposition in Bezug auf das Herz; jedoch zeigten dieselben genetischen Variationen keinen statistisch zuverlässigen Zusammenhang mit der Empfindlichkeit der Atemwege, da diese Verbindung nach strengen statistischen Prüfungen nicht standhielt. Dies deutet darauf hin, dass das genetische Gefüge einiger Menschen die nervöse Kontrolle ihres Herzens einzigartig anfällig für die direkte Berührung von Verschmutzung macht, während die Reaktion der Atemwegs-Empfindlichkeit weniger von diesen spezifischen genetischen Faktoren abhängt.

Diese Studie liefert den ersten direkten Beweis beim Menschen, dass Dieselabgaspartikel ein schnelles, nervenbasiertes Alarmsystem auslösen können, das sowohl die Atmung als als auch die Herzfunktion beeinflusst. Sie zeigt, dass die Gefahr von Verschmutzungsspitzen nicht nur in langfristigen Schäden besteht, sondern in unmittelbaren, reflexartigen Reaktionen, die innerhalb von Minuten ablaufen. Darüber hinaus identifiziert sie einen genetischen Faktor, der bestimmt, wer hinsichtlich der Änderungen des Herzrhythmus am stärksten gefährdet ist. Obwohl die Studie an einer kleinen Gruppe gesunder junger Erwachsener durchgeführt wurde, legen die Ergebnisse nahe, dass die Reaktion des Körpers auf den Verkehrsmüll ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Umwelt und unserer individuellen Biologie ist, wobei unsere Gene eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie unsere Nerven und Herzen auf die Luft reagieren, die wir atmen.