Neutronen helfen bei der Aufklärung von Ozonvergiftungen

Ein Forscherteam von Birkbeck und den Royal Holloway Colleges an der Universität London sowie von der Universität Uppsala in Schweden trug zu der Erklärung bei, wie Ozon schwere Atemwegs-erkrankungen und jährlich Tausende Fälle von vorzeitigem Tod durch Angriff auf die Fettschicht unserer Lungen verursacht.

Bei einer in Langmuir veröffentlichten Studie beobachtete das Team mit Hilfe von Neutronen am Institut Laue-Langevin in Grenoble und der britischen Neutronenquelle ISIS, wie eine relativ geringe Dosis Ozon Lipidmoleküle angreift, die die Lungenoberfläche abdichten. Lipidmoleküle sind unabdingbar für den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid, da sie den Kollaps der feuchten Oberflächen der Lunge verhindern.

Ozon wird im Wesentlichen in der oberen Atmosphäre gebildet, da das UV-Licht der Sonne Sauer-stoffmoleküle spaltet, aber es entsteht auch am Boden bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Es ist bekannt, dass es unser Atemsystem schädigt und in Zusammenhang steht mit Asthma, Bronchitis, Herzanfällen und anderen Herz-Lungen-Problemen. In einer kürzlich von der Abteilung Umweltgesundheit an der Bloomberg-Schule veröffentlichten Studie wird herausgestellt, dass strengere Ozonemissionsregulierungen in den USA jährlich über tausend vorzeitige Todesfälle sowie über eine Million Atembeschwerden verhindern könnten.

Es bleibt jedoch unklar, wie genau Ozon diesen Schaden verursacht. Einer Theorie zufolge greift es die Oberflächenschichten der Lunge an, die aus einer Schicht Wasser unter einem Gemisch aus Lipid genannten Fettmolekülen und Proteinen bestehen, die zusammen das Lungentensid bilden. Dieses Gemisch unterstützt den Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid bei der Atmung. Dabei wird die Oberflächenspannung, d.h. die gegenseitige Anziehung der Moleküle untereinander, in der genannten Oberflächenschicht vermindert. Dadurch können sich die Flüssigkeiten ausbreiten und eine größere Oberfläche für den Gasaustausch entsteht.

Leider kann ein Mangel an adäquatem Tensid, wie er oftmals natürlicherweise bei Frühgeburten beobachtet wird, ähnliche Atembeschwerden, wie oben beschrieben, hervorrufen und in manchen Fällen sogar zum Tod führen. Dieser Zusammenhang wurde 2011 weiter bestätigt durch dasselbe Team von Birkbeck. Es zeigte, dass Ozon heftig mit der Lipidschicht reagiert und sie zerstört. Weiterhin unklar war jedoch, was genau vor sich geht und wie diese Reaktionen das Tensid bei seiner Funktion behindern.

Zur weiteren Untersuchung führten Dr. Katherine Thompson von Birkbeck und ihr Team Neutronen-reflexionsexperimente am Institut Laue-Langevin in Grenoble und an der ISIS-Neutronenquelle in Oxfordshire an einer künstlichen einlagigen Lipidschicht durch, mit der die Lungenoberfläche simuliert wurde. Die Lipidschicht wurde einem verdünnten Gasgemisch aus Ozon ausgesetzt und die Veränderungen in ihrer Struktur oder Oberflächenspannung wurden in Echtzeit untersucht.

Die Ozonkonzentration betrug etwa 100 parts per billion (0.1 ppm), was in etwa der Größenordnung in einer verschmutzten Stadt im Sommer entspricht.

Die Verwendung von Neutronen ermöglichte es Dr. Thompson, verschiedene Teile der Probe durch Deuterierung zu markieren, ein Prozess, bei dem ein schwereres Wasserstoffisotop eingebaut und undeuterierten Proben gegenübergestellt wird, um die Lage der Wasserstoffatome herauszufinden. So konnten verschiedene Teile des Moleküls getrennt beobachtet werden, wenn sie mit dem Ozon reagieren.

Mit dieser Technik zeigte Dr. Thompsons Team, dass einer der aufwärts zeigenden Schwänze des Lipids, C9-Teil genannt, während der Ozon-Degradation abbricht und vollständig von der Oberfläche verschwindet. Der noch am Lipidkopf haftende Teil orientiert sich dann neu und dringt in die Luft-Wasser-Schnittstelle ein. Der Verlust des C9-Teils verursacht einen anfänglichen Abfall der Ober-flächenspannung, welcher zeitweilig zu einer Ausdehnung der Oberfläche für den Gasaustausch und das effiziente Atmen führt. Dieser Effekt ist jedoch von kurzer Dauer, weil das Eindringen des Molekülrests in das Wasser einen langsamen, aber ausgeprägten Anstieg der Oberflächenspannung verursacht ‒ bis zu einem Ausmaß, das letztlich einen Nettozuwachs zur Folge hat.

Für Dr. Thompson und ihre Kollegen ist der nächste Schritt, das Modell auf die Bedingungen von Menschen mit verschiedenen Formen von Atembeschwerden zu übertragen, um besser zu verstehen, warum Ozon sie offenbar stärker beeinträchtigt als andere.

Zitate
Dr. Katherine Thompson, Birkbeck, Universität London: „Wir wissen nicht mit Sicherheit, was die zweite Stufe des Spannungsanstiegs verursacht. Das beschädigte Lipid könnte sich langsam in Wasser auflösen und die Schnittstelle vollständig verlassen oder es könnte eine langsame Reaktion auftreten, welche einen anderen, nicht direkt vom Ozon angegriffenen Teil des Lipids schädigt. Was wir sagen können, ist, dass der langsame Anstieg der Oberflächenspannung als Folge der Ozonein-wirkung die Fähigkeit unserer Lunge, Sauerstoff und Kohlendioxid zu verarbeiten, sicherlich schädigt und für die Atembeschwerden durch Ozonvergiftung verantwortlich sein kann.“

Dr. Richard Campbell, Institut Laue-Langevin: „Neutronen sind ein ideales Werkzeug zur Unter-suchung biologischer Stoffe, insbesondere ihrer Reaktionen und Wechselwirkungen an Oberflächen und über Schnittstellen hinweg. Sie sind hochempfindlich gegenüber leichten Atomen wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen diese organischen Moleküle bestehen. Ferner kann man mit Isotopenmarkierung Struktur und Zusammensetzung von Schnittstellenschichten bestimmen. Als eine der stärksten Neutronenquellen weltweit hat das ILL eine lange Tradition bei der Untersuchung wichtiger Prozesse im mikroskopischen Bereich, die in unserem Körper stattfinden, und hat bahnbrechende Einsichten für die nächste Generation von Behandlungen geliefert.“

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Anmerkungen für Redaktionen
1. Health Benefits from Large-Scale Ozone Reduction in the United States – Berman et all, Oct 2012 –

http://ehp.niehs.nih.gov/2012/10/health-benefits-from-large-scale-ozone-reduction-in-the-united-states/

2. Über das Institut Laue-Langevin (ILL) – Das Institut Laue-Langevin ist ein internationales Forschungszentrum im französischen Grenoble. Seit den ersten Experimenten im Jahr 1972 ist es führend auf dem Gebiet der Neutronenstreuungsforschung und -technologie. Das ILL betreibt eine der stärksten Neutronenquellen der Welt, von der Neutronenstrahlen zu 40 hochkomplexen Instrumenten geleitet werden, die ständig modernisiert und verbessert werden. Jährlich besuchen 1.200 Wissenschaftler aus mehr als 40 Ländern das ILL, um Forschungsarbeiten auf den Gebieten Physik der kondensierten Materie, (grüne) Chemie, Biologie, Kern- und Teilchenphysik sowie Materialwissenschaft durchzuführen. Großbritannien ist zusammen mit Deutschland und Frankreich Partner und Hauptgeldgeber des ILL.