Hohe Quecksilberwerte in bestimmten Zelltypen im Gehirn von Säugetieren nachgewiesen

4. Januar 2024

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von Cheryl Pierce, Purdue University

Belichtung gegenüber Quecksilber (Hg) ist in den meisten chemischen Formen äußerst neurotoxisch. Selbst Wissenschaftler, die Quecksilberverbindungen untersuchen, sind aufgrund potenzieller Hg-Exposition gefährdet. Der renommierte Physiker Michael Faraday litt aufgrund längerer Einwirkung von Quecksilberdämpfen an Quecksilbervergiftung, was ihn dazu veranlasste, seine Forschungen im Alter von 49 Jahren aufgrund zunehmend schlechter Gesundheit einzustellen. Ein weiteres Beispiel ist die Labormezzanin Karen Wetterhahn, die nachdem einige Tropfen aus einer Pipette entwichen und auf einer ihrer latexbedeckten Hände landeten, an einer Vergiftung mit Dimethylquecksilber starb.

Zahlreiche Studien haben sich mit der Belichtung und den Auswirkungen von Hg, insbesondere bei Meeres- und Meereslebewesen, beschäftigt. Es ist weithin bekannt, dass Menschen den Verzehr bestimmter Fische, wie Thunfisch, aufgrund des Vorhandenseins von Quecksilber einschränken sollten. Die Frage stellt sich jedoch: Können Quecksilberionen das Gehirn terrestrischer Tiere erreichen?

Dr. Yulia Pushkar, Professorin für Physik und Astronomie am College of Science der Purdue University, war anfangs skeptisch. Sie betreibt seit 2008 ein Programm zur Gehirnbildgebung an der Purdue University. Ihre Gruppe, die über umfangreiche Erfahrung in der Probenvorbereitung, Messungen und Datenanalyse verfügt, wird von Forschern in den USA und weltweit, einschließlich Japan und neuerdings Australien, gesucht.

Pushkars Forschungsgruppe hatte die Aufgabe, nach Hg in den Gehirnen von Mungos zu suchen, die auf der Insel Okinawa gesammelt wurden. Überraschenderweise zeigten Gehirnscans Quecksilber in diesen invasiven Tieren. Die Forschungsgruppe verfeinerte die Scans und erreichte eine Auflösung von wenigen zehntel Nanometern, um die betroffenen Gehirnzellen zu beobachten. Die gemeinsamen Ergebnisse wurden kürzlich in den Environmental Chemistry Letters veröffentlicht.

Das Rätsel, wie Quecksilber ins Mungo-Gehirn gelangt, bleibt ungelöst. Mögliche Quellen sind das Wasser, das sie trinken, Vogeleier, die sie konsumieren, Mineralbelastungen oder sogar die Luft, die sie atmen. Eins ist jedoch sehr klar: Das ist ein sehr schlechtes Zeichen.

'Hg ist bereits in geringen Konzentrationen sehr giftig, da es sich an essentielle Biomoleküle binden und deren Funktion beeinflussen kann', erklärt Pushkar. 'Die Effizienz der Entgiftung hängt von der Aufnahme und der Bindungskonstante in den nachgewiesenen Ansammlungen ab und potenziellen Leckagen, falls Gehirnzellen absterben. Derzeit gibt es keine bekannte Möglichkeit, diese Ablagerungen sicher aus dem Gewebe zu lösen, und es gibt keine Berichte über eine Rückkehr von Hg-Vergiftungen im Nervensystem. Der wichtigste Ansatz, den wir alle verfolgen sollten, besteht darin, jegliche Expositionen zu vermeiden, insbesondere chronische wie im Fall von Faraday.'

'Ich war skeptisch, ob überhaupt Hg nachgewiesen werden kann. Neurotoxische Elemente sind normalerweise selbst dann in extrem niedrigen Konzentrationen vorhanden, wenn sie ins Gehirn gelangen', erklärt Pushkar. 'Wir haben diese Proben zum Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory gebracht, wo die Gehirne intensiven Röntgenstrahlen ausgesetzt wurden. Trotz meiner Skepsis war das Hg-Signal vorhanden.'

Durch die Untersuchung von Hirnproben begannen die Forscher, Hirnbereiche zu verfolgen, die einen höheren Hg-Gehalt aufzuweisen schienen. Nach drei Jahren Studium und fünf Reisen zu zwei nationalen Synchrotron-Einrichtungen (der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory und dem NSLS-II am Brookhaven National Laboratory) können die Forscher nun berichten, dass bestimmte Hirnzellen - Zellen des Plexus choroideus (die die Blut-Hirn-Schranke bilden) und Astrozyten der subventrikulären Zone - reiche Hg-haltige Flecken aufweisen (~0,5-2 Mikrometer groß).

Pushkars Forscherteam glaubt, dass diese Zellen dazu beitragen, Hg aus dem Blut und dem Gehirngewebe zu filtern und unter Mitwirkung eines anderen Elements, Selen (Se), zu speichern. Welche bestimmten Se-haltigen biologischen Moleküle sich an Hg binden, bleibt noch zu entdecken.

Pushkars Team für diese Veröffentlichung besteht aus den Doktoranden Pavani Devabathini und Gabriel Bury sowie dem damaligen Bachelorstudenten Darrell Fischer (derzeit an der Harvard Graduate School). Die Daten wurden vom gesamten Team gesammelt und von Devabathini und Fischer analysiert. Nach der Datenanalyse trug das gesamte Team zur Erstellung der Veröffentlichung bei.

Diese Entdeckung ist bedeutend für die Umweltüberwachung terrestrischer Tiere und bietet neue Möglichkeiten zur Nachverfolgung von Hg in Gehirnzellen, was sich potenziell auf die menschliche Gesundheit und Sicherheit auswirkt.

'Human activities result in the emission of 2,000 metric tons of mercury compounds annually and we do not fully understand where all this neurotoxic Hg ends up,' says Pushkar. 'Most studies so far focused on marine biota (fish and whales) but apparently terrestrial species are also affected. We expect the human brain reacts to Hg in a similar fashion via interactions with cells of choroid plexus and astrocytes. However, we do not know if the human brain has enough Se-containing biomolecules to bind to Hg.'

Provided by Purdue University