Endotoxines: de vergeten component van fijn stof

Endotoxines: de vergeten component van fijn stofAbbas 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 schattenonderzoekers dat er jaarlijks 2,1 miljoen mensen sterven door het inademen van fijneroetachtige deeltjes die men groepeert onder de naam “fijn stof ” [1]. Deze deeltjes ontstaanvaak door toedoen van de mens; dieselmotoren, energiecentrales en verbranding van steenkoolzijn belangrijke bronnen. Op de roetachtige partikels die hierdoor gevormd worden, kun-nen heel wat andere schadelijke stoffen zich hechten zoals microbiële endotoxines. Ditzijn moleculen afkomstig van dode bacteriën. Ze vormen een van de vele componentenvan fijn stof en zouden mee verantwoordelijk zijn voor de nefaste gezondheidseffecten dieluchtvervuiling 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 deinteractie tussen deze twee stoffen is nog zeer weinig onderzoek gebeurd. Daarom werd erin deze bachelorproef getracht om een beter beeld te krijgen van net die interactie. 

1 Fijn stof schaadt je gezondheidFijn stof is opgebouwd uit verschillende fysische en chemische partikels. Componenten die bijna altijdvoorkomen, zijn koolwaterstoffen (zoals roetpartikels) waarop metalen, ionen en organische componentenzoals endotoxines gebonden zijn. Wat belangrijk is om de gezondheidseffecten van fijn stof in te schattenis niet zozeer de hoeveelheid deeltjes, maar wel de samenstelling en de grootte ervan. De gevaarlijkste fijn stof deeltjes zijn de “ultrafijnepartikels”. Dit zijn deeltjes met een diameter kleiner dan 0.1 µm. Door hun geringe grootte hebben zeeen extra grote impact op onze gezondheid, doordat ze dieper in onze longen kunnen doordringen. Erbestaat 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 microbeintact blijft; maar dat de verdedigingsmechanismen van de gastheer kan overstimuleren van zodra zewordt vrijgesteld door een gebarsten cel.” Endotoxines komen voor in de lucht als losse moleculen, maar hechten zich ook aan fijn stof deeltjes volgens eennog onbekend mechanisme.Lipopolysachariden (LPS) zijn het best gekende voorbeeld van endotoxines. Dit zijn componenten dieterug te vinden zijn in de celwand van zogenaamde gramnegatieve bacteriën, een grote groep bacteriënmet als typevoorbeeld de darmbacterie Escherichia coli. Een LPS molecule is opgebouwd uit drie basisdelen: een lipide-A gedeelte, een kerngedeelteen 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 onslichaam.Endotoxines worden dikwijls vergeten wanneer men de gezondheidseffecten van fijn stof onderzoekt. Eenreview studie uit 2011 over de rol van endotoxines in de toxiciteit van fijn stof concludeert nochtans datveel ontstekingsveroorzakende effecten van fijn stof te wijten zijn aan endotoxines in dat fijn stof, en danvooral in PM10 [2]. Daarom is het van vitaal belang dat men bij het opmeten van luchtvervuiling nietenkel kijkt hoeveel fijn stof er in de lucht hangt, maar ook naar de hoeveelheid endotoxines die de fijnstof deeltjes bevatten.

2 Ons onderzoek: de afbraak van endotoxinesEen mogelijke oplossing om de schadelijke effecten van endotoxines te beperken is een manier vinden omze te neutraliseren. Fotokatalyse lijkt hiervoor een veelbelovende techniek.In fotokatalyse wordt steeds gebruik gemaakt van een katalysator. Dat is een stof die deelneemt aande reactie maar er niet in verbruikt wordt. Om endotoxines af te breken kan men gebruik maken vantitaniumdioxide (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 eenhoger energienieveau getild worden, ontstaan er “elektron-gaten” waarin elektronen kunnen springen vanstoffen uit de nabije omgeving, bijvoorbeeld water of zuurstof. Door elektronen af te staan worden dezestoffen omgevormd tot zogenaamde radicalen: zeer agressieve stoffen die in het wilde weg reageren metzowat alles wat ze tegenkomen. Deze radicalen zorgen dan voor de afbraak van organische componentenzoals 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 enkelfijn stof (PM), enkel endotoxine (LPS) en een combinatie van beide (LPS+PM). Om te controleren ofdeze stoffen niet gewoon spontaan afgebroken worden na lange duur, werd telkens vergeleken met zuiverebufferoplossing.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 nogmaar even weinig biologische activiteit werd opgemeten als in de controle zonder PM of LPS.

3 Een mogelijk bindingsmodel tussen fijn stof en endotoxinesOnze uitdaging na de eigenlijke experimenten was om een bindingsmodel te vinden tussen PM en LPSdat zowel de vaststelling kan verklaren dat PM-gebonden LPS minder gemakkelijk wordt afgebroken, alsde 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 gebondenzijn. Op die manier is het reactieve deel minder beschikbaar om ons immuunsysteem te prikkelen, enwordt 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 dande vloeibare fase waarin het onderzoek gebeurde. Deze binding en interactie is van groot belang omte weten of het biologisch actieve deel (lipide-A) nog beschikbaar is bij inademing ervan. Enkel op diemanier kunnen de gezondheidseffecten beter voorspeld of gereduceerd worden.

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

Referenties[1] J. J. W. Raquel A Silva1. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution andthe 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 ofthe 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. ISBN071677108X.[5] URL http://www.elment.nl/nl/techniek/ fotokatalyse.[6] K. W. Kolasinski. Surface science. WILEY, 2012.