Endotoxines: de vergeten component van fijn stof

Sophie Van Oevelen Abbas Alloul Stijn Wittouck
Endotoxines: de vergeten component van fijn stofAbbas Alloul, Sophie Van Oevelen, Stijn WittouckVandaag de dag worden we steeds meer geconfronteerd met luchtvervuiling. De socio-economische gevolgen ervan zijn enorm: in een rapport gepubliceerd op 11 juli 2013 schattenonderzoekers dat er jaarlijks 2,1 miljoen mensen sterven door het inademen van fijneroetachtige deeltjes die men groepeert onder de naam “fijn stof ” [1]. Deze deeltjes ontstaanvaak door toedoen van de mens; dieselmotoren, energiecentrales en verbranding van steenkoolzijn belangrijke bronnen.

Endotoxines: de vergeten component van fijn stof

Endotoxines: de vergeten component van fijn stofAbbas Alloul, Sophie Van Oevelen, Stijn Wittouck

Vandaag de dag worden we steeds meer geconfronteerd met luchtvervuiling. De socio-economische gevolgen ervan zijn enorm: in een rapport gepubliceerd op 11 juli 2013 schattenonderzoekers dat er jaarlijks 2,1 miljoen mensen sterven door het inademen van fijneroetachtige deeltjes die men groepeert onder de naam “fijn stof ” [1]. Deze deeltjes ontstaanvaak door toedoen van de mens; dieselmotoren, energiecentrales en verbranding van steenkoolzijn belangrijke bronnen. Op de roetachtige partikels die hierdoor gevormd worden, kun-nen heel wat andere schadelijke stoffen zich hechten zoals microbiële endotoxines. Ditzijn moleculen afkomstig van dode bacteriën. Ze vormen een van de vele componentenvan fijn stof en zouden mee verantwoordelijk zijn voor de nefaste gezondheidseffecten dieluchtvervuiling met zich meebrengt [2]. De rol van deze endotoxines is echter nog groten-deels ongekend.In de huidige literatuur is er veel te vinden over fijn stof en endotoxines, maar over deinteractie tussen deze twee stoffen is nog zeer weinig onderzoek gebeurd. Daarom werd erin deze bachelorproef getracht om een beter beeld te krijgen van net die interactie. 

1 Fijn stof schaadt je gezondheidFijn stof is opgebouwd uit verschillende fysische en chemische partikels. Componenten die bijna altijdvoorkomen, zijn koolwaterstoffen (zoals roetpartikels) waarop metalen, ionen en organische componentenzoals endotoxines gebonden zijn. Wat belangrijk is om de gezondheidseffecten van fijn stof in te schattenis niet zozeer de hoeveelheid deeltjes, maar wel de samenstelling en de grootte ervan. De gevaarlijkste fijn stof deeltjes zijn de “ultrafijnepartikels”. Dit zijn deeltjes met een diameter kleiner dan 0.1 µm. Door hun geringe grootte hebben zeeen extra grote impact op onze gezondheid, doordat ze dieper in onze longen kunnen doordringen. Erbestaat een strenge wetgeving omtrent de PM waarden die niet overschreden mogen worden [3].Een endotoxine is “een celcomponent van een micro-organisme dat onschadelijk is zolang de microbeintact blijft; maar dat de verdedigingsmechanismen van de gastheer kan overstimuleren van zodra zewordt vrijgesteld door een gebarsten cel.” Endotoxines komen voor in de lucht als losse moleculen, maar hechten zich ook aan fijn stof deeltjes volgens eennog onbekend mechanisme.Lipopolysachariden (LPS) zijn het best gekende voorbeeld van endotoxines. Dit zijn componenten dieterug te vinden zijn in de celwand van zogenaamde gramnegatieve bacteriën, een grote groep bacteriënmet als typevoorbeeld de darmbacterie Escherichia coli. Een LPS molecule is opgebouwd uit drie basisdelen: een lipide-A gedeelte, een kerngedeelteen een O-antigeen gedeelte, zoals te zien in figuur 1.Het lipide-A gedeelte is opgebouwd uit vetzuren en is verantwoordelijk voor de immuunreactie van onslichaam.Endotoxines worden dikwijls vergeten wanneer men de gezondheidseffecten van fijn stof onderzoekt. Eenreview studie uit 2011 over de rol van endotoxines in de toxiciteit van fijn stof concludeert nochtans datveel ontstekingsveroorzakende effecten van fijn stof te wijten zijn aan endotoxines in dat fijn stof, en danvooral in PM10 [2]. Daarom is het van vitaal belang dat men bij het opmeten van luchtvervuiling nietenkel kijkt hoeveel fijn stof er in de lucht hangt, maar ook naar de hoeveelheid endotoxines die de fijnstof deeltjes bevatten.

2 Ons onderzoek: de afbraak van endotoxinesEen mogelijke oplossing om de schadelijke effecten van endotoxines te beperken is een manier vinden omze te neutraliseren. Fotokatalyse lijkt hiervoor een veelbelovende techniek.In fotokatalyse wordt steeds gebruik gemaakt van een katalysator. Dat is een stof die deelneemt aande reactie maar er niet in verbruikt wordt. Om endotoxines af te breken kan men gebruik maken vantitaniumdioxide (TiO2 ) in de vorm van kleine korreltjes als katalysator. Onder invloed van bestra-ling met UV-licht kunnen elektronen in het TiO2 geëexciteerd worden. Doordat de elektronen naar eenhoger energienieveau getild worden, ontstaan er “elektron-gaten” waarin elektronen kunnen springen vanstoffen uit de nabije omgeving, bijvoorbeeld water of zuurstof. Door elektronen af te staan worden dezestoffen omgevormd tot zogenaamde radicalen: zeer agressieve stoffen die in het wilde weg reageren metzowat alles wat ze tegenkomen. Deze radicalen zorgen dan voor de afbraak van organische componentenzoals endotoxines, of gassen zoals NOx uit de omgeving [5, 6].In dit onderzoek werd gekeken of het mogelijk was om in water opgeloste vrije en PM-gebonden endotox-ines te neutraliseren d.m.v. fotokatalyse met TiO2 en UV-licht. Er werden oplossingen bereid met enkelfijn stof (PM), enkel endotoxine (LPS) en een combinatie van beide (LPS+PM). Om te controleren ofdeze stoffen niet gewoon spontaan afgebroken worden na lange duur, werd telkens vergeleken met zuiverebufferoplossing.Uit de resultaten (zie figuur 2) bleek duidelijk dat de endotoxines die gebonden waren op fijn stof moei-lijker werden afgebroken dan de vrije endotoxines. Ook leek de aanwezigheid van fijn stof de biologi-sche activiteit van de endotoxines te verminderen. De behandeling met TiO2 in combinatie met UV-licht leek het meest efficiënt om endotoxines te neutraliseren, omdat zowel de katalysator TiO2 als de UV-stralen nodig zijn voor het fotokatalytisch proces. De afbraak was zo effectief dat er na veertien uur nogmaar even weinig biologische activiteit werd opgemeten als in de controle zonder PM of LPS.

3 Een mogelijk bindingsmodel tussen fijn stof en endotoxinesOnze uitdaging na de eigenlijke experimenten was om een bindingsmodel te vinden tussen PM en LPSdat zowel de vaststelling kan verklaren dat PM-gebonden LPS minder gemakkelijk wordt afgebroken, alsde vaststelling dat PM-gebonden LPS minder biologisch actief is. Daarom hebben wij als bindingsmodel(figuur 3) voorgesteld dat de endotoxines met hun lipide-A gedeelte naar de PM-deeltjes toe gebondenzijn. Op die manier is het reactieve deel minder beschikbaar om ons immuunsysteem te prikkelen, enwordt het ook moeilijker afgebroken. De vraag is dan of dit model veralgemeend kan worden voor an-dere vormen van PM en endotoxine dan de onderzochte vormen, alsook naar andere omgevingen dande vloeibare fase waarin het onderzoek gebeurde. Deze binding en interactie is van groot belang omte weten of het biologisch actieve deel (lipide-A) nog beschikbaar is bij inademing ervan. Enkel op diemanier kunnen de gezondheidseffecten beter voorspeld of gereduceerd worden.

4 ToekomstperspectievenDit onderzoek toont aan dat fijn stof een mogelijk neutraliserend effect kan hebben op de activiteit vanendotoxines. Verder onderzoek naar de interactie tussen beide is dus cruciaal. Wat bijvoorbeeld nogonduidelijk blijft, is of de endotoxines die gebonden zijn aan fijn stof al dan niet beter in het lichaamopgenomen kunnen worden dan de vrije endotoxi-nes. Ook kan een beter inzicht in de interactie tussen endotoxines en fijn stof op termijn leiden tothet ontwikkelen van efficiëntere neutralisatietechnieken voor PM-gebonden endotoxines, bijvoorbeeld inventilatiesystemen of op specifieke coatings van gebouwen.

Referenties[1] J. J. W. Raquel A Silva1. Global premature mortality due to anthropogenic outdoor air pollution andthe contribution of past climate change. Http://iopscience.iop.org/1748-9326/8/3/034005/article.[2] C. Degobbi, P. H. N. Saldiva, et al. Endotoxin as modifier of particulate matter toxicity: a review ofthe literature. Aerobiologia, 2011. 27(2):97–105.[3] URL http://www.who.int/mediacentre/fact- sheets/fs313/en/.[4] D. L. Nelson and M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman, 2008. ISBN071677108X.[5] URL http://www.elment.nl/nl/techniek/ fotokatalyse.[6] K. W. Kolasinski. Surface science. WILEY, 2012.

Bibliografie

Referenties[1] D. L. Nelson and M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman, 2008. ISBN 071677108X.[2] URL http://bronxbohemian.wordpress.com/2008/10/02/on-a-pelham-bay-isle/img_…).[3] R. Saito. Analyses and exposure assessment of bacterial endotoxin in agricultural environments. 2008.[4] M. Fujihara, M. Muroi, et al.Molecular mechanisms of macrophage activation and deactivation bylipopolysaccharide: roles of the receptor complex. Pharmacol Ther, Nov 2003. 100(2):171–194.[5] fig. URL http://en.wikibooks.org/wiki/Semiconductors/What_is_a_Semiconductor.[6] URL http://www.elment.nl/nl/techniek/fotokatalyse.[7] URLhttp://bioamerica-inc.com/v3/index.php?main_page=product_info&cPath=66_…] URL http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1999:163:004…] W. H. Organization et al. Who air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide andsulfur dioxide. global update 2005, summary of risk assessment. Geneva: WHO, 2006.[10] elabprotocol. URL http://www.elabprotocols.com/viewer/?id=234.[11] F. Obbema.Westerse expats ontvluchten peking door luchtvervuiling,april 2013.URLhttp://www.demorgen.be/dm/nl/5397/Milieu/article/detail/1607999/2013/04…] R. F. Henderson. Clean Air Scientific Advisory Committee (CASAC) Review of the EPA Staff Recommen-dations Concerning a Potential Thoracic Coarse PM Standard in the Review of the National Ambient AirQuality Standards for Particulate Matter: Policy Assessment of Scientific and Technical Information (FinalPM OAQPS Staff Paper, EPA-452-R-05-005, June 2005). US Environmental Protection Agency, Office ofthe Administrator, Science Advisory Board, 2005.[13] C. Guastadisegni, F. J. Kelly, et al. Determinants of the proinflammatory action of ambient particulatematter in immortalized murine macrophages. Environ Health Perspect, Dec 2010. 118(12):1728–1734.[14] E. Commission et al. April 2004. Second Position Paper on Particulate Matter, 2002.[15] C. Terzano, F. Di Stefano, et al. Air pollution ultrafine particles: toxicity beyond the lung. Eur Rev MedPharmacol Sci, 2010. 14(10):809–21.[16] A. Valavanidis, K. Fiotakis, et al. Airborne particulate matter and human health: toxicological assessmentand importance of size and composition of particles for oxidative damage and carcinogenic mechanisms.Journal of Environmental Science and Health, Part C, 2008. 26(4):339–362.[17] URL http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs313/en/.[18] URL http://www.vmm.be/lucht/luchtvervuilende-stoffen/fijn-stof.[19] Slonczewski. Microbiology, An Evolving Science, Loose Leaf edition. WW Norton, 2011. ISBN 0393149560.[20] M. B. Gorbet and M. V. Sefton. Endotoxin: the uninvited guest. Biomaterials, 2005. 26(34):6811–6817.[21] C. Degobbi, P. H. N. Saldiva, et al. Endotoxin as modifier of particulate matter toxicity: a review of theliterature. Aerobiologia, 2011. 27(2):97–105.36[22] T. Sandle. Glucans and the bacterial endotoxin test, april 2011.[23] Endotoxin detection assays.URL http://www.lonza.com/products-services/pharma-biotech/endotoxin-detecti…] Lonza. Limulus amebocyte lysate test handleiding.[25] URL http://www.piercenet.com/browse.cfm?fldID=D194C34E-0292-3CCA-E02C-12652…] D. Heumann and T. Roger. Initial responses to endotoxins and gram-negative bacteria. Clin Chim Acta,Sep 2002. 323(1-2):59–72.[27] F. B ̈ackhed F.hed, L. Meijer, et al. Tlr4-dependent recognition of lipopolysaccharide by epithelial cellsrequires scd14. Cell Microbiol, Aug 2002. 4(8):493–501.[28] E. M. Pallson-McDermott and L. A. J. O’Neill. Signal transduction by the lipopolysaccharide receptor,toll-like receptor-4. Immunology, Oct 2004. 113(2):153–162.[29] T. Gutsmann, A. B. Schromm, et al. The physicochemistry of endotoxins in relation to bioactivity. Int JMed Microbiol, Sep 2007. 297(5):341–352.[30] V. Liebers, M. Raulf-Heimsoth, et al. Health effects due to endotoxin inhalation (review). Arch Toxicol, Apr2008. 82(4):203–210.[31] V. Liebers, T. Br ̈uning, et al. Occupational endotoxin-exposure and possible health effects on humans. AmJ Ind Med, Jun 2006. 49(6):474–491.[32] C. C. Braun-Fahrl ̈ander, C.nder, J. Riedler, et al. Environmental exposure to endotoxin and its relation toasthma in school-age children. N Engl J Med, Sep 2002. 347(12):869–877.[33] G. Bolte, W. Bischof, et al. Early endotoxin exposure and atopy development in infants: results of a birthcohort study. Clin Exp Allergy, Jun 2003. 33(6):770–776.[34] A. Simpson and F. D. Martinez. The role of lipopolysaccharide in the development of atopy in humans. ClinExp Allergy, Feb 2010. 40(2):209–223.[35] A. R. Osornio-Vargas, J. Serrano, et al. In vitro biological effects of airborne pm2.5 and pm10 from asemi-desert city on the mexico-us border. Chemosphere, Apr 2011. 83(4):618–626.[36] A. R. Osornio-Vargas, J. C. Bonner, et al. Proinflammatory and cytotoxic effects of mexico city air pollutionparticulate matter in vitro are dependent on particle size and composition. Environ Health Perspect, Aug2003. 111(10):1289–1293.[37] N. Manzano-Leon, R. Quintana, et al. Variation in the composition and in vitro proinflammatory effect ofurban particulate matter from different sites. J Biochem Mol Toxicol, 2013. 27(1):87–97.[38] W. Anderson, P. Huck, et al. Endotoxin inactivation in water by using medium-pressure uv lamps. Appliedand environmental microbiology, 2003. 69(5):3002–3004.[39] Y. Shi, H. HogenEsch, et al. Detoxification of endotoxin by aluminum hydroxide adjuvant. Vaccine, Feb2001. 19(13-14):1747–1752.[40] J. M. Bates, J. Akerlund, et al. Intestinal alkaline phosphatase detoxifies lipopolysaccharide and preventsinflammation in zebrafish in response to the gut microbiota. Cell host & microbe, 2007. 2(6):371–382.37[41] L. Cascales, C. Mas-Moruno, et al. Tiratricol neutralizes bacterial endotoxins and reduces lipopolysaccharide-induced tnf-α production in the cell. Chemical Biology & Drug Design, 2008. 72(4):320–328.[42] K. W. Kolasinski. Surface science. WILEY, 2012.[43] K. Sunada, Y. Kikuchi, et al. Bactericidal and detoxification effects of tio2 thin film photocatalysts. Envi-ronmental science & technology, 1998. 32(5):726–728.[44] I. R. P. Clett Erridge, Elliott Bennett-Guerrero. Structure and function of lipopolysaccharides. Microbesand Infection, 2002.[45] M. Smits, F. Vanpachtenbeke, et al. Effect of operating and sampling conditions on the exhaust gas compo-sition of small-scale power generators. PLoS One, 2012. 7(3):e32825.[46] Guidance for industry, pyrogen and endotoxins testing: Questions and answers, June 2012. URL http://www.fda.gov/downloads/Drugs/GuidanceComplianceRegulatoryInformat…] M. RafieeTehrani and H. Khoshbooii. Inhibiting effect of various cations on endotoxin assay with the Limulusamoebocyte lysate chromogenic substrate method. Pharmazeutische Industrie, 1996. 58(11):1042–1045.[48] P. Duquenne, G. Marchand, et al. Measurement of endotoxins in bioaerosols at workplace: a critical reviewof literature and a standardization issue. Ann Occup Hyg, Mar 2013. 57(2):137–172.[49] URL http://www.gea-airtreatment.com/Halfgeleider-productie.217.0.html?&L=11…] URL http://www.vccn.nl/default.asp?id=1027&cat=Encyclopedie.[51] URL http://www.eea.europa.eu/themes/air/intro.[52] M. Adams and A. Lukewille. The European environment: state and outlook 2010 Air pollution. EuropeanEnvironment Agency, 2010.[53] URL http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs313/en/index.html.[54] dossier fijn stof: meten, Januari 2013. URL http://www.rivm.nl/Onderwerpen/Onderwerpen/F/Fijn_stof/Meten.[55] M. Mampaey. Veelbelovende nieuwe manier om gezondheidseffect luchtvervuiling te bepalen. URL http://www.medischmilieukundignetwerk.be/defaultSubsite.aspx?id=29729#…] M. L. Bell and K. Ebisu. Environmental inequality in exposures to airborne particulate matter componentsin the united states. Environmental health perspectives, 2012. 120(12):1699.[57] P. S. Thorne, R. D. Cohn, et al. Predictors of endotoxin levels in us housing. Environmental health perspec-tives, 2009. 117(5):763.[58] P. Tripathi, A. Beaussart, et al. Adhesion and nanomechanics of pili from the probiotic lactobacillus rham-nosus gg. ACS Nano, Apr 2013. 7(4):3685–3697.[59] G. Francius, D. Alsteens, et al. Stretching polysaccharides on live cells using single molecule force spec-troscopy. Nat Protoc, 2009. 4(6):939–946.[60] G. Francius, S. Lebeer, et al. Detection, localization, and conformational analysis of single polysaccharidemolecules on live bacteria. ACS Nano, Sep 2008. 2(9):1921–1929.[61] D. A. Beeldens. Fotokatalyse: Een toekomsttechniek? Onderzoekscentrum voor de Wegenbouw.38[62] Januari2013.URLhttp://www.cdenv.be/actua/nieuwe-test-met-luchtzuiverend-cement-brussel…] J. R. Elisa Cabiscol, Jordi Tamarit. Oxidative stress in bacteria and protein damage by reactive oxygenspecies (review), 1999.[64] URL http://www.kristofvaes.be/.[65] URL http://www.vmm.be/lucht/meetresultaten/fijn-stof.

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk ingenieur in de nanowetenschappen en nanotechnologie
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: