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Toxikokinetik - Aufnahme, Verteilung und Speicherung von Fremdstoffen

Resorption über die Atemwege

Die Lunge stellt die Eintrittspforte für gasförmige oder in der Luft suspendierte feste Partikel oder Flüssigkeitströpfchen (Aerosole) in den lebenden Organismus dar.

Zwei anatomische Besonderheiten kennzeichnen die Lunge des Menschen:

  • die große Gasaustauschfläche im Bereich der ca. 300 Millionen Lungenbläschen (Alveolen, mittlere Durchmesser 200 µm), die etwa 80 m2 beträgt und
  • die sehr dünne Grenzschicht (Dicke 1-2 mm) zwischen der Wand der Alveole und dem Blutstrom, der in feinsten Blutgefäßen (Kapillaren) über die Alveolen geführt wird.

Eine große Kontaktfläche und eine sehr dünne zu überwindende Barriere schaffen die Voraussetzungen für einen schnellen, überwiegend durch Diffusion erfolgenden Stofftransport von Fremdstoffen in den Körper und aus ihm heraus. Die Löslichkeit der in den Atemtrakt eintretenden Gase oder Aerosole in der wässrigen Schleimhautschicht (Mucus) der oberen Abschnitte des Atemtraktes und die Löslichkeit (Verteilung zwischen Gasraum und Kapillarblut) bestimmen, wo die eindringenden Fremdstoffe ihre Wirkung entfalten:

  • Gut wasserlösliche Gase, wie Ammoniak, Formaldehyd und Halogenwasserstoffe, werden im oberen Atemtrakt (Nase, Rachen und Luftröhre) resorbiert und führen dort aufgrund ihrer hohen Reaktivität zu Reizungen und Verätzungen.
  • Gase mit geringerer Wasserlöslichkeit (Säurechloride, Schwefeldioxid) gelangen in die tieferen Bereiche der Lunge und führen in den Bronchien zu Schädigungen sowie vermehrter Schleimproduktion und durch Reizung der gut innervierten Bronchialwand zur Verengung der Bronchien mir Auslösung eines Hustenreizes.
  • Gase mit sehr geringer Wasserlöslichkeit (Phosgen, Nickeltetracarbonyl, NOX , Ozon) entfalten ihre toxischen Wirkungen überwiegend im Bereich der Alveolen. Toxische Schädigungen in diesem Lungenabschnitt sind besonders gefährlich, da diese nicht selten zum gefürchteten toxischen Lungenödem führen können. Diese Gase schädigen primär die Wände der feinen Blutgefäße, die die Lungenbläschen überziehenden, wodurch Blutplasma in die Bläschen eintritt. Der Gasaustausch wird so erschwert und die Atmung vertieft sich reflektorisch. Es tritt Schaumbildung auf, welche das Geschehen weiter verschärft und zu einem Circulus vitiosus (Teufelskreis) führt. Die Behandlung des Lungenödems ist schwierig und immer wieder kommt es zu Todesfällen. Da die Latenzzeit bis zum Auftreten der ersten Atemnotsymptome 12 bis 24 Stunden nach Schadstoffinhalation betragen kann, setzt die Therapie nicht selten erst spät ein, was die Prognose verschlechtert.

Es sei darauf hingewiesen, dass bei entsprechend hoher Exposition auch die Gase mit guter Wasserlöslichkeit in die tieferen Bereiche der Lunge gelangen und dort toxische Wirkungen auszulösen vermögen, z.B ein toxisches Lungenödem. Wenn ein wenig reaktives Gas inhaliert wird, diffundieren die Moleküle aus dem Gasraum der Alveolen in das Blut und lösen sich. Da die Blutversorgung der Lunge sehr gut ist - das gesamte Blutvolumen durchströmt alle Alveolen der Lunge in weniger als einer Sekunde - kann bei bestehender Exposition das Blut solange das Gas aufnehmen, bis ein Verteilungsgleichgewicht erreicht wird. Dieses Gleichgewicht wird durch einen für jedes Gas charakteristischen Blut-Gas-Verteilungskoeffizienten beschrieben. Gemäß dem Henry'schen Gesetz hängt die Konzentration des gasförmigen Stoffes im Blut von seinem Partialdruck in der Atemluft ab. Je höher also der Partialdruck des Gases in der Atemluft, um so mehr löst sich auch im Blut, bis zum Erreichen der maximalen Löslichkeit im Blut.

Gase, die sich gut im Blut lösen, werden vom Blut rasch abtransportiert und nur geringe Mengen werden beim Ausatmen abgeatmet. Bei schlecht blutlöslichen Gasen wird ein Teil des in die Alveolen gelangten Gases dann bei der Ausatmung nicht resorbiert und wieder ausgeschieden.

Für die aus der Alveolarluft aufgenommenen Stoffmenge gilt der folgende Ausdruck:

m = C e R V mit R= C e C a C e C e : Konzentration in der Einatmungsluft C a : Konzentration in der Ausatmungsluft V : Atemminutenvolumen

Das Atemminutenvolumen, also das Gasvolumen, welches in einer Minute eingeatmet wird, ist von der körperlichen Belastung abhängig: ca. 9 L in Ruhe, 20-28 L bei leichter körperlicher Anstrengung und bis zu 120 L bei schwerster körperlicher Anstrengung. Viele Arbeitsplatz-relevante Gase haben eine geringe Blutlöslichkeit, so dass sich bei konstanter Exposition am Arbeitsplatz eine Gleichgewichtskonzentration einstellt. Sobald der Stoff nicht mehr in der Atemluft vorhanden ist, wird das resorbierte Gas (abhängig vom körpereigenen Metabolismus) wieder abgeatmet. Die Konzentration in der ausgeatmeten Luft ist dann proportional der Blutkonzentration (Ethanol-Konzentrationsbestimmung in der Atemluft bei dem polizeilichen Alkoholtest; "Film zum Alkoholtest").

Einflussfaktoren auf die pulmonale Resorption von Gasen

  • Wasserlöslichkeit
  • Reaktivität
  • Blut-Gas-Verteilungskoeffizient
  • körperliche Aktivität (Atemminutenvolumen)

Zur Charakterisierung von Aerosolen ist neben dem Partikeldurchmesser auch die geometrische Form von entscheidender Bedeutung. Um das Verhalten von Partikeln im den Atemwegen zu beschreiben, verwendet man als Kenngröße den aerodynamischen Durchmesser eines Teilchens. Dieser wird für Teilchen beliebiger Form und Dichte auf die Sinkgeschwindigkeit einer Kugel mit der Dichte 1 gcm-3 in ruhender oder laminar strömender Luft bezogen. Üblicherweise haben nicht alle Partikel eines Aerosols den gleichen Durchmesser, sondern es liegt eine logarithmische Normalverteilung der Durchmesser vor.

Der aerodynamische Durchmesser der in der Atemluft suspendierten flüssigen oder festen Partikel bestimmt das Ausmaß und den Ort der Ablagerung in den verschiedenen Abschnitten des Atemtraktes. Partikel in der Größe ab 5 mm werden im Nasen-Rachenbereich abgeschieden und dort entweder entfernt oder durch die Flimmerhärchen (Flimmerepithel) der Schleimhaut zum Rachen befördert und verschluckt. Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von 2-5 mm gelangen in den Bereich der Luftröhre und Bronchien. Sie werden dort durch retrograden Transport durch das Flimmerepithel zum Rachen befördert und ebenfalls verschluckt. Partikel mit einem Durchmesser von 1 mm und kleiner gelangen bis in die Alveolen und können dort über die Lymphbahn abtransportiert werden. Partikel, die so nicht entfernt werden können, werden durch die in großer Zahl in der Lunge vorkommenden Makrophagen aufgenommen und dann mit dem Flimmerepithel des Bronchialbereichs zum Magen-Darm-Trakt befördert. Chemisch resistente Stoffe wie Quarzstaub und bestimmte Asbestfasern (Chrysothil-Asbest) können durch Makrophagen nicht beseitigt werden. Sie haben eine lange Verweilzeit in den Alveolen und können dort chronische Entzündungsprozesse auslösen (Silikose), die zur Arbeitsunfähigkeit führen können.

Wie im Fall der langdauernden Asbestexposition bekannt, kann die Bildung von Tumoren im Brustfell (Mesotheliome) ausgelöst werden. Partikel mit einem Durchmesser von 0,1 mm und kleiner werden in der Regel nicht in den Atemwegen deponiert, sondern bei der Ausatmung entfernt.

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