Physiker beweisen, dass Mikroplastik Zellmembranen schädigen kann

Über 70 Millionen Tonnen Mikroplastik befinden sich in den Ozeanen. Sie werden dann von Meeresbewohnern und Menschen durch Regen und Übertragung über die Luft aufgenommen. Zwei Physiker, Jean-Baptiste Fleury von der Universität des Saarlandes und Vladimir Baulin von der Universität Tarragona, haben jüngst entdeckt, dass Mikroplastik Zellmembranen mechanisch destabilisieren kann. Sie haben die Studie in der renommierten Fachzeitschrift „PNAS“ veröffentlicht.

 

1. August 2021


Kleinste Plastikteilchen von mikrometrischer Größe sind überall präsent, in den Ozeanen, in der Luft, im Schnee des Himalaya; sie wurden sogar schon in der menschlichen Plazenta gesichtet. Wie zwei Physiker nun herausgefunden haben, dehnt Mikroplastik die Membranen menschlicher roter Blutkörperchen und verringert dadurch deren mechanische Stabilität stark.
 
„Aktuell wird über eine mögliche toxische Wirkung von Mikroplastik auf menschliche Zellen diskutiert“, erklärt Dr. Jean-Baptiste Fleury, der als Experimentalphysiker am Lehrstuhl von Professor Ralf Seemann an der Universität des Saarlandes forscht. Mikroplastik ist unmittelbar nach der Aufnahme in lebende Organismen a priori nicht tödlich. Wissenschaftliche Erkenntnisse weisen aber deutlich darauf hin, dass Mikroplastik zu Entzündungen in Zellen führen kann. „Die Möglichkeit einer Entzündung einer Zellmembran durch einen rein physikalischen Effekt wird jedoch von den allermeisten Studien völlig ignoriert”, gibt Jean-Baptiste Fleury an.
 
Tatsächlich ist aus physikalischer Sicht eigentlich keine Wirkung zu erwarten. Eine Zellmembran hat im Grundsatz eher Ähnlichkeit mit einer Flüssigkeit als mit festem Gewebe. Es ist bekannt, dass jede mechanische Wirkung auf eine Flüssigkeit mit der Zeit nachlässt und daher verschwinden sollte. „Überraschenderweise haben wir jedoch beobachtet, dass sich die Membranen von künstlichen Zellen und roten Blutkörperchen in Gegenwart von Mikroplastik dehnen“, so der Experimentalphysiker weiter. „Anscheinend entzündet sich die Membran der roten Blutkörperchen des Menschen spontan“, erklärt Jean-Baptiste Fleury die massive Wirkung dieses Mikroplastiks auf die Zellmembranen.
 
Der theoretische Physiker Dr. Vladimir Baulin von der Universität Rovira i Virgili in Tarragona, Spanien hat ein mathematisches Modell entwickelt, wie genau Plastikpartikel auf Zellmembranen wirken. „Vereinfacht gesagt, hat das Modell von Vladimir Baulin vorhergesagt, dass jedes Partikel einen Teil der Membranfläche verbraucht, was dazu führt, dass sich die Membran um ein Partikel zusammenzieht. Dieser Effekt führt dann zwangsläufig zu einer mechanischen Dehnung der Zellmembran“, erklärt Jean- Baptiste Fleury. „Wir konnten überdies experimentell nachweisen, dass das theoretische Modell sogar den Anstieg der Zellmembranspannung quantitativ vorhersagen kann.“
 
Dazu stellte Jean-Baptiste Fleury mithilfe der Mikrofluidik-Technologie ein Modell einer menschlichen Zellmembran und roten Blutkörperchen her, maß die Spannung dieser Membranen in Kontakt mit Mikroplastik. Die Physiker machten dabei eine weitere überraschende Entdeckung: die Kunststoffpartikel blieben auf der Zellmembran nie an einer Stelle, sondern sie wurden durch kontinuierliche Diffusion bewegt. Fleury und Baulin vermuten, dass diese Diffusion die Ursache für die anhaltende Spannung auf der Zelloberfläche ist und die mechanische Relaxation der Zelle entgegen der ursprünglichen Annahme damit verhindert wird.
 
Dieser experimentelle Nachweis des theoretischen Modells lässt Rückschlüsse auf die Allgemeingültigkeit dieses Mechanismus zu, der auf eine Vielzahl menschlicher Zellen oder Organe übertragen werden kann, schlussfolgern die Wissenschaftler.
 
Da die Arbeit von grundlegender Bedeutung ist, wurde sie in der Zeitschrift PNAS, einer der einflussreichsten wissenschaftlichen Zeitschriften, veröffentlicht.
 
Literaturhinweis
:
Jean-Baptiste Fleury, Vladimir A. Baulin, Microplastics destabilize lipid membranes by mechanical stretching, Proceedings of the National Academy of Sciences Aug 2021, 118 (31); doi.org/10.1073/pnas.2104610118.
 
Weitere Informationen:

Dr. Jean-Baptiste Fleury
E-Mail: jean-baptiste.fleury@physik.uni-saarland.de