Forschende ermitteln Umweltrisiken von Nanomaterial-Medikamenten

Innovationen und Risikoanalysen gehen Hand in Hand. Fortschritte in Materialforschung und Medizin haben die sogenannte Nanomedizin vorangetrieben, bei der Nanopartikel zum Einsatz kommen.

Solch winzige Teilchen können beispielsweise im Kampf gegen Krebs helfen. Zudem sind sie fähig die Blut-Hirnschranke zu überwinden, welche in der Regel eine Hürde für Pharmaka darstellt. Allerdings ist noch nicht geklärt, welche Auswirkungen solche Stoffe haben, wenn sie in die Umwelt gelangen.

Damit befasst sich ein Team um Bernd Nowack von der Forschungsanstalt Empa, wie letztere am Dienstag mitteilte. Die Forschenden haben unlängst in den Fachblättern «Journal of Nanobiotechnology» und «Nanotoxicology» Risikoabschätzungen für mehrere medizinisch verwendete Nanomaterialien veröffentlicht. Dies erlaubt auch Herstellern, bei der Entwicklung neuer Medikamente potenziell schädliche Substanzen frühzeitig auszusortieren.

Bei der Risikoanalyse geht es prinzipiell darum, den Schwellenwert zu ermitteln, bei dem eine Substanz in der Umwelt keine schädigen Effekte hat. Zum anderen kommt es auf die zu erwartende Freisetzung in die Umwelt an.

Dahinter steckt keine triviale Aufgabe. Die Forschenden müssen den Weg und die Veränderungen der Nanomedikamente im Körper, die Ausscheidung und den Weg durch die Kläranlage und das Abwasser in die Umwelt nachvollziehen. Dabei nutzen sie pharmakologische Studien, Analysen von Materialflüssen und mathematische Modelle.

«Für die meisten Nanobiomaterialien sind bisher keine verlässlichen Schätzungen über die Menge der freigesetzten Partikel vorhanden.» So liess sich Nowack in der Mitteilung der Empa zitieren. Diese Wissenslücken seien unbedingt zu schliessen.

In ihren Untersuchungen konnten der Forscher mit seinem Team nun solche Schätzungen für einige medizinisch eingesetzte Nanomaterialien abgeben. Dazu gehörte beispielsweise Nano-Chitosan, ein Abkömmling eines natürlich vorkommenden Vielfachzuckers. Dieser ist im Panzer von Krustentieren enthalten und unterstützt die Wundheilung.

Ebenfalls dabei waren das Nano-Polymer Polyacrylonitril (PAN) für antibakterielle Therapie und das natürliche Mineral Hydroxyapatit (HAP). Letzteres kommt beispielsweise im Zusammenhang mit Medikamentenfreisetzung oder der Regeneration von Knochengewebe zum Einsatz.

Bei Nano-Chitosan stellte sich heraus, dass die Nanoform sogar weniger gefährlich für aquatische Lebewesen ist als die herkömmliche. In Sachen Schädlichkeit für die Umwelt liegt dieser Stoff damit sogar deutlich hinter konventionellen Medikamenten wie Antibiotika oder Schmerzmittel. Die beiden anderen Stoffe PAN und HAP schnitten sogar noch besser ab. «Diese Substanzen sind im Wasser quasi als nicht toxisch einzustufen», erklärte Nowack.

In früheren Studien hatte das Empa-Team bereits eine ähnliche Entwarnung für Nano-Gold geben können. Dieses kommt in der Krebstherapie zum Einsatz. Ganz anders jedoch liegt der Fall bei Nano-Silber, wie die Forschenden nun zeigen.

Diese für ihre antibakterielle Wirkung in der Medizin geschätzte Substanz ist für die Umwelt problematisch. Sie tötet nämlich auch dort Mikroorganismen ab. Diese sind jedoch wichtig für das Gleichgewicht von Ökosystemen.

Es sei davon auszugehen, dass sich die biologischen, chemischen und physikalischen Eigenheiten vieler Nanomaterialien möglicherweise deutlich von den Eigenschaften anderer Medikamente unterscheiden, betont Nowack. Grund sei unter anderem die ausserordentlich hohe Anzahl der Substanzpartikel sowie deren in der Summe vielfach grössere Oberfläche.

Eine grosse Wissenslücke besteht weiterhin darin, wie stark Flora und Fauna – und auch Menschen – mit den Nanomaterialien in Kontakt kommen. Dies spielt für die Risikobewertung eine entscheidende Rolle. Denn: Eine gefährliche Substanz, mit der niemand in Kontakt kommt, birgt kein Risiko. Daher befasst sich das Empa-Team im Rahmen eines EU-Projekt «Biorima» auch damit, wie stark Lebewesen dieser neuen Stoffklasse ausgesetzt sind.