Ein internationales Forschungsteam hat an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III erstmals einen ganzen Organismus mit so hoher Auflösung abgebildet, dass sich Schadstoffe in einzelnen Zellen nachweisen lassen. Die Röntgenuntersuchung zeigt Nanopartikel des Seltenerdmetalls Cer im Verdauungstrakt des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, denen sie dabei allerdings nur eine relativ geringe Giftigkeit bescheinigt. Die innovative Untersuchungsmethode könnte auch für die Fahndung nach anderen Umweltschadstoffen nützlich sein, schreibt das Entwicklerteam von der Norwegischen Universität für Biowissenschaften, der Universität Antwerpen (Belgien) und DESY im Fachblatt „Environmental Science and Technology“.

Als Nanopartikel werden Materieteilchen bezeichnet, die weniger als einen tausendstel Millimeter groß sind. Nanopartikel kommen in verschiedenen Formen in der Umwelt vor. Die hier untersuchten Nanopartikel aus dem Seltenerdmetall Cer haben aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften zahlreiche Anwendungen, etwa in Autokatalysatoren und Brennstoffzellen, und gehören daher zu den am häufigsten hergestellten Nanomaterialien. Cer-Nanopartikel wurden bereits in der weiteren Umgebung von Industriestandorten in der Umwelt nachgewiesen. Die Folgen dieser Freisetzung sind allerdings unklar. Frühere Studien hatten widersprüchliche Ergebnisse zur potenziellen Toxizität der Partikel erbracht.

Ole Christian Lind von der Norwegischen Universität für Biowissenschaften (NMBU) hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten eine Vielzahl von Umweltschadstoffen mit Röntgenquellen wie PETRA III untersucht. Normalerweise werden solche Röntgenstudien an konservierten, meist getrockneten Proben durchgeführt. Um erstmals einen vollständigen nicht getrockneten Organismus abzulichten, arbeitete Linds Gruppe mit dem Team der Messstation P06 an PETRA III zusammen, die von DESY-Wissenschaftler Gerald Falkenberg geleitet wird. Als Probe diente der Fadenwurm Caenorhabditis elegans. „Wir haben den Fadenwurm verwendet, weil er der vielleicht am besten untersuchte mehrzellige Organismus der Welt ist“, erläutert Lisa Rossbach von der NMBU, eine der Hauptautorinnen der Studie.

Die Forscherinnen und Forscher setzten die Fadenwürmer einer hohen Konzentration von Cer-Nanopartikeln aus, deutlich höher als sie in der Umwelt vorkommt. „Mit Hilfe der Röntgenfluoreszenzspektroskopie ist es uns gelungen, mit einem sehr feinen Röntgenstrahl ein extrem hochaufgelöstes Bild der Fadenwürmer und der Nanopartikel in ihnen zu gewinnen“, sagt Falkenberg. Diese Daten sind so detailliert, dass sich in ihnen im Prinzip vom gesamten Organismus bis in einzelne Zellen hinein zoomen lässt, um Cluster von Nanopartikeln dort zu lokalisieren.

„Das ist ein bahnbrechendes Experiment“, betont Lind. „Die Abbildung von Schadstoffen mit einer Auflösung von 300 Nanometern im Ganzkörper-Röntgenbild eines intakten Organismus ermöglicht uns eine Untersuchung von Schadstoffwirkungen auf völlig neue Weise. Das ist Toxikologie der nächsten Stufe, bei der wir im Detail zeigen können, dass die Gegenwart eines Schadstoffs in einem Gewebe oder einer Zelle in direktem Zusammenhang mit der von ihm verursachten Wirkung steht.“

Die Bilder zeigen auch, dass hohe Konzentrationen von Cer-Nanopartikeln keine akuten toxischen Wirkungen haben und schnell aus dem Körper ausgeschieden werden. „Allerdings reicherte sich Cer in den Mundwerkzeugen an und verursachte Missbildungen im Nahrungsverarbeitungsapparat der Würmer“, sagt Rossbach. Fluoreszenzmikroskopie an lebenden Fadenwürmern lieferte eine unabhängige Bestätigung dafür, dass diese Missbildungen in demselben Gewebe beobachtet werden wie die Cer-Konzentrationen in den Zellen.

Die Ergebnisse sind auch deshalb von großem Interesse, weil Cer-Nanopartikel häufig als Modell für eine ganze Reihe radioaktiver Schadstoffe dienen, die ebenfalls oft in Form von Nanopartikeln vorkommen. „Dies ist nicht nur ein interessantes Ergebnis an sich, sondern es ebnet auch den Weg für weitaus detailliertere Studien über die Auswirkungen verschiedener Arten von Schadstoffen auf Organismen“, erläutert Lind. Der Forscher denkt dabei auch an künftige Experimente mit Nanokunststoffen, die zunehmend selbst in den entlegensten Gebieten der Erde zu finden sind.

Originalveröffentlichung
Synchrotron XRF Analysis Identifies Cerium Accumulation Colocalized with Pharyngeal Deformities in CeO2 NP-Exposed Caenorhabditis elegans; Lisa Magdalena Rossbach, Dag Anders Brede, Gert Nuyts, Simone Cagno, Ragni Maria Skjervold Olsson, Deborah Helen Oughton, Gerald Falkenberg, Koen Janssens, and Ole Christian Lind; Environmental Science and Technology, 2022; DOI: 10.1021/acs.est.1c08509