Endotoxines: de vergeten component van fijn stof

Endotoxines: de vergeten component van fijn stof
Abbas Alloul, Sophie Van Oevelen, Stijn Wittouck

Vandaag de dag worden we steeds meer geconfronteerd met luchtvervuiling. De socio-
economische gevolgen ervan zijn enorm: in een rapport gepubliceerd op 11 juli 2013 schatten
onderzoekers dat er jaarlijks 2,1 miljoen mensen sterven door het inademen van fijne
roetachtige deeltjes die men groepeert onder de naam “fijn stof ” [1]. Deze deeltjes ontstaan
vaak door toedoen van de mens; dieselmotoren, energiecentrales en verbranding van steenkool
zijn belangrijke bronnen. Op de roetachtige partikels die hierdoor gevormd worden, kun-
nen heel wat andere schadelijke stoffen zich hechten zoals microbiële endotoxines. Dit
zijn moleculen afkomstig van dode bacteriën. Ze vormen een van de vele componenten
van fijn stof en zouden mee verantwoordelijk zijn voor de nefaste gezondheidseffecten die
luchtvervuiling met zich meebrengt [2]. De rol van deze endotoxines is echter nog groten-
deels ongekend.
In de huidige literatuur is er veel te vinden over fijn stof en endotoxines, maar over de
interactie tussen deze twee stoffen is nog zeer weinig onderzoek gebeurd. Daarom werd er
in deze bachelorproef getracht om een beter beeld te krijgen van net die interactie.
 

1 Fijn stof schaadt je gezondheid
Fijn stof is opgebouwd uit verschillende fysische en chemische partikels. Componenten die bijna altijd
voorkomen, zijn koolwaterstoffen (zoals roetpartikels) waarop metalen, ionen en organische componenten
zoals endotoxines gebonden zijn. Wat belangrijk is om de gezondheidseffecten van fijn stof in te schatten
is niet zozeer de hoeveelheid deeltjes, maar wel de samenstelling en de grootte ervan. De gevaarlijkste fijn stof deeltjes zijn de “ultrafijne
partikels”. Dit zijn deeltjes met een diameter kleiner dan 0.1 µm. Door hun geringe grootte hebben ze
een extra grote impact op onze gezondheid, doordat ze dieper in onze longen kunnen doordringen. Er
bestaat een strenge wetgeving omtrent de PM waarden die niet overschreden mogen worden [3].
Een endotoxine is “een celcomponent van een micro-organisme dat onschadelijk is zolang de microbe
intact blijft; maar dat de verdedigingsmechanismen van de gastheer kan overstimuleren van zodra ze
wordt vrijgesteld door een gebarsten cel.” Endotoxines komen voor in de lucht als losse moleculen, maar hechten zich ook aan fijn stof deeltjes volgens een
nog onbekend mechanisme.
Lipopolysachariden (LPS) zijn het best gekende voorbeeld van endotoxines. Dit zijn componenten die
terug te vinden zijn in de celwand van zogenaamde gramnegatieve bacteriën, een grote groep bacteriën
met als typevoorbeeld de darmbacterie Escherichia coli. Een LPS molecule is opgebouwd uit drie basisdelen: een lipide-A gedeelte, een kerngedeelte
en een O-antigeen gedeelte, zoals te zien in figuur 1.
Het lipide-A gedeelte is opgebouwd uit vetzuren en is verantwoordelijk voor de immuunreactie van ons
lichaam.
Endotoxines worden dikwijls vergeten wanneer men de gezondheidseffecten van fijn stof onderzoekt. Een
review studie uit 2011 over de rol van endotoxines in de toxiciteit van fijn stof concludeert nochtans dat
veel ontstekingsveroorzakende effecten van fijn stof te wijten zijn aan endotoxines in dat fijn stof, en dan
vooral in PM10 [2]. Daarom is het van vitaal belang dat men bij het opmeten van luchtvervuiling niet
enkel kijkt hoeveel fijn stof er in de lucht hangt, maar ook naar de hoeveelheid endotoxines die de fijn
stof deeltjes bevatten.

2 Ons onderzoek: de afbraak van endotoxines
Een mogelijke oplossing om de schadelijke effecten van endotoxines te beperken is een manier vinden om
ze te neutraliseren. Fotokatalyse lijkt hiervoor een veelbelovende techniek.
In fotokatalyse wordt steeds gebruik gemaakt van een katalysator. Dat is een stof die deelneemt aan
de reactie maar er niet in verbruikt wordt. Om endotoxines af te breken kan men gebruik maken van
titaniumdioxide (TiO2 ) in de vorm van kleine korreltjes als katalysator. Onder invloed van bestra-
ling met UV-licht kunnen elektronen in het TiO2 geëexciteerd worden. Doordat de elektronen naar een
hoger energienieveau getild worden, ontstaan er “elektron-gaten” waarin elektronen kunnen springen van
stoffen uit de nabije omgeving, bijvoorbeeld water of zuurstof. Door elektronen af te staan worden deze
stoffen omgevormd tot zogenaamde radicalen: zeer agressieve stoffen die in het wilde weg reageren met
zowat alles wat ze tegenkomen. Deze radicalen zorgen dan voor de afbraak van organische componenten
zoals endotoxines, of gassen zoals NOx uit de omgeving [5, 6].
In dit onderzoek werd gekeken of het mogelijk was om in water opgeloste vrije en PM-gebonden endotox-
ines te neutraliseren d.m.v. fotokatalyse met TiO2 en UV-licht. Er werden oplossingen bereid met enkel
fijn stof (PM), enkel endotoxine (LPS) en een combinatie van beide (LPS+PM). Om te controleren of
deze stoffen niet gewoon spontaan afgebroken worden na lange duur, werd telkens vergeleken met zuivere
bufferoplossing.
Uit de resultaten (zie figuur 2) bleek duidelijk dat de endotoxines die gebonden waren op fijn stof moei-
lijker werden afgebroken dan de vrije endotoxines. Ook leek de aanwezigheid van fijn stof de biologi-
sche activiteit van de endotoxines te verminderen. De behandeling met TiO2 in combinatie met UV-licht leek het meest efficiënt om endotoxines te neutraliseren, omdat zowel de katalysator TiO2 als de UV-stralen nodig zijn voor het fotokatalytisch proces. De afbraak was zo effectief dat er na veertien uur nog
maar even weinig biologische activiteit werd opgemeten als in de controle zonder PM of LPS.

3 Een mogelijk bindingsmodel tussen fijn stof en endotoxines
Onze uitdaging na de eigenlijke experimenten was om een bindingsmodel te vinden tussen PM en LPS
dat zowel de vaststelling kan verklaren dat PM-gebonden LPS minder gemakkelijk wordt afgebroken, als
de vaststelling dat PM-gebonden LPS minder biologisch actief is. Daarom hebben wij als bindingsmodel
(figuur 3) voorgesteld dat de endotoxines met hun lipide-A gedeelte naar de PM-deeltjes toe gebonden
zijn. Op die manier is het reactieve deel minder beschikbaar om ons immuunsysteem te prikkelen, en
wordt het ook moeilijker afgebroken. De vraag is dan of dit model veralgemeend kan worden voor an-
dere vormen van PM en endotoxine dan de onderzochte vormen, alsook naar andere omgevingen dan
de vloeibare fase waarin het onderzoek gebeurde. Deze binding en interactie is van groot belang om
te weten of het biologisch actieve deel (lipide-A) nog beschikbaar is bij inademing ervan. Enkel op die
manier kunnen de gezondheidseffecten beter voorspeld of gereduceerd worden.

4 Toekomstperspectieven
Dit onderzoek toont aan dat fijn stof een mogelijk neutraliserend effect kan hebben op de activiteit van
endotoxines. Verder onderzoek naar de interactie tussen beide is dus cruciaal. Wat bijvoorbeeld nog
onduidelijk blijft, is of de endotoxines die gebonden zijn aan fijn stof al dan niet beter in het lichaam
opgenomen kunnen worden dan de vrije endotoxi-
nes. Ook kan een beter inzicht in de interactie tussen endotoxines en fijn stof op termijn leiden tot
het ontwikkelen van efficiëntere neutralisatietechnieken voor PM-gebonden endotoxines, bijvoorbeeld in
ventilatiesystemen of op specifieke coatings van gebouwen.

Referenties
[1] J. J. W. Raquel A Silva1. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution and
the contribution of past climate change. Http://iopscience.iop.org/1748-9326/8/3/034005/article.
[2] C. Degobbi, P. H. N. Saldiva, et al. Endotoxin as modifier of particulate matter toxicity: a review of
the literature. Aerobiologia, 2011. 27(2):97–105.
[3] URL http://www.who.int/mediacentre/fact- sheets/fs313/en/.
[4] D. L. Nelson and M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman, 2008. ISBN
071677108X.
[5] URL http://www.elment.nl/nl/techniek/ fotokatalyse.
[6] K. W. Kolasinski. Surface science. WILEY, 2012.