Mikro- und Nanoplastik, die von Drosophila aufgenommen werden, führen zu Veränderungen in der Größe und Funktion des Herzens

23. August 2024

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von Stephanie Baum, Phys.org

Kunststoffe sind allgegenwärtig in Produkten, die wir täglich verwenden, und jüngste Studien haben begonnen, die Auswirkungen von Mikro- und Nanoplastik (MPs und NPs) auf die Gesundheit von Menschen und Tieren aufzuzeigen.

Ein Großteil der bisherigen Forschung über die gesundheitlichen Auswirkungen von MPs und NPs konzentrierte sich auf das marine Leben, insbesondere Fische. Einige frühe Studien haben mögliche toxische Effekte von Kunststoffen auf terrestrische Arten wie Vögel, Regenwürmer, Insekten, Menschen und andere Säugetiere untersucht, aber viele Details sind noch unbekannt.

Ein Forscherteam der Iowa State University hat mit Hilfe von Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) als erste die Auswirkungen der Toxizität von MP und NP auf das Herz untersucht. Die Arbeit des Teams wurde in einem Kurzbericht in Frontiers in Toxicology veröffentlicht.

Im Jahr 2017 schätzte eine Studie von Geyer et al, dass seit 1950 etwa 8.300 Millionen metrische Tonnen Kunststoff hergestellt wurden; dass mehr als 4.900 Millionen metrische Tonnen dieses Kunststoffs auf Deponien oder anderswo in der Umwelt gelandet sind; und dass sich diese Zahl bis 2050 auf 12.000 metrische Tonnen erhöhen könnte, wenn sich weder die Produktion noch die Abfallwirtschaft ändern.

Gemäß neueren Forschungen werden in den Vereinigten Staaten jährlich etwa 36 Millionen Tonnen Kunstoffabfälle erzeugt, von denen die meisten in die Umwelt gelangen und in Deponien enden.

Vor diesem Hintergrund und da Herzkrankheiten die weltweit häufigste Todesursache sind, wird das Verständnis der Auswirkungen der Exposition gegenüber MPs und NPs auf das Herz dringend.

Drosophila-Herzen und Wirbeltierherzen sind hinsichtlich funktionaler und genetischer Veränderungen während der Entwicklung und des Alterns ähnlich. Für diese neue Studie erhielten die Forscher Wildtyp-Drosophila-Fliegenlarven und teilten sie in eine Kontrollgruppe und zwei Testgruppen.

Sie fütterten alle Fliegen von Beginn ihrer Entwicklung bis sie ausgereift waren (Verpuppung) mit Maismehl. Die Fliegen in den beiden Testgruppen erhielten Maismehl, dem die Forscher Polystyrol-MPs (größer als 100 nm und kleiner als 5 mm) oder NPs (kleiner als 100 nm) zugesetzt hatten.

Fünf Tage nach dem Schlüpfen sammelten die Forscher etwa 15 Fliegen jedes Geschlechts aus den beiden Testgruppen und der Kontrollgruppe. Das Team betäubte die Fliegen, sezierte ihre schlagenden Herzen und nahm Hochgeschwindigkeitsvideos mit über 200 Bildern pro Sekunde zur Analyse auf.

Unter den bemerkenswerten Ergebnissen deutet die Analyse darauf hin, dass die Plastikexposition bei Männern und Frauen unterschiedliche Ergebnisse hervorruft. Die Herzfrequenz der weiblichen Fliegen, die sowohl MPs als auch NPs ausgesetzt waren, nahm um 13 % ab, während ihre Herzperioden entsprechend zunahmen. Männliche Fliegen zeigten diese Veränderung nicht, aber Männchen, die MPs erhielten, wiesen eine größere Variabilität auf als diejenigen, die NPs erhielten oder in der Kontrollgruppe waren.

Bei weiblichen Fliegen, die NPs gefüttert bekamen, stieg die Herzgröße (diastolischer Durchmesser), und diastolische Intervalle nahmen bei weiblichen Fliegen, die sowohl MPs als auch NPs erhielten, zu. Die Herzgrößen männlicher Fliegen, die beide Größen von Plastik gefüttert bekamen, zeigten signifikante Veränderungen der diastolischen und systolischen Durchmesser.

Des Weiteren schreiben die Forscher: 'Im Gegensatz zu weiblichen Fliegen sehen auch männliche Fliegen Veränderungen im Systolischen Intervall (SI)-Zeit und in der fraktionierten Verkürzung. Die Gesamt-SI-Zeit wird bei Fliegen, die MPs ausgesetzt sind, um 40 % reduziert, während weibliche Fliegen keine Veränderungen erfahren. Schließlich erleben männliche Fliegen, die NPs ausgesetzt sind, eine 11%ige Verringerung der fraktionierten Verkürzung. Dieses Phänomen ist nur bei Männchen vorhanden, während weibliche Fliegen nach der Exposition gegenüber Plastikkegelgrößen keine Änderung in der fraktionierten Verkürzung erfahren.'

Die Forscher merken an, dass sie ursprünglich vermutet hatten, dass die aufgezeichneten Veränderungen möglicherweise durch MPs und NPs entstehen könnten, die tatsächlich eine physische Barriere für die normale Herzentwicklung schaffen. Sie glauben auch, dass 'molekulare Interaktionen zwischen den Kunststoffen und dem Herz selbst' für die geschlechtsspezifischen Veränderungen, insbesondere die Unterschiede in männlichen und weiblichen Herzgrößen, verantwortlich sind.

Jedoch erkennen sie an, 'Der wahre Mechanismus hinter diesen beobachteten Veränderungen ist unbekannt, also sind weitere Forschungen notwendig, um festzustellen, ob die Exposition gegenüber MPs und NPs mit konservierten Genen bei Säugetieren interagiert, was zu Herzfunktionsstörungen führen könnte.'

Sie schlagen auch vor, dass weitere Forschungen verschiedene formen von Kunststoff einbeziehen könnten, und dass weitere Forschungen sich auch darauf konzentrieren sollten, die spezifischen molekularen Veränderungen zu identifizieren, die die beobachteten funktionalen Störungen verursachen.

Die Daten dieser Studie können das Gebiet über potenzielle Veränderungen bei anderen terrestrischen Organismen informieren und eröffnen die Möglichkeit für zukünftige Studien, die die molekularen Mechanismen hinter diesen Veränderungen untersuchen, und unterstreichen die Bedeutung von Forschung zu Kunststoffen bei beiden Geschlechtern,' schließt das Team.

Weitere Informationen: Alyssa M. Hohman et al, The heart of plastic: utilizing the Drosophila model to investigate the effects of micro/nanoplastics on heart function, Frontiers in Toxicology (2024). DOI: 10.3389/ftox.2024.1438061

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