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Oberflächengewässer unter die Lupe genommen

Forscher-Team quantifiziert ökotoxikologische Wirkung von Pharmazeutika in Echtzeit

Mit dem demographischen Wandel der Bevölkerung steigt der Verbrauch von Pharmazeutika in den Industrienationen. Bereits heute gelangen große Mengen pharmakologisch wirksamer Substanzen über das Abwasser in Kläranlagen. Weil sie meist nur unzureichend wieder entfernt werden können, sind Organismen in Oberflächengewässern zunehmend einem schädlichen Cocktail aus Arzneimitteln ausgesetzt. Das Steinbeis-Innovationszentrum Zellkulturtechnik und das Steinbeis-Transferzentrum Ökotoxikologie und Ökophysiologie sind Partner in einem interdisziplinären Konsortium, das neuartige Biosensoren entwickelt hat, mit denen sich Pharmazeutika im Wasser effektiver als bisher über ihre Wirkungen nachweisen lassen. Effekte der pharmazeutischen Wirkstoffklassen Beta-Blocker und nicht-steroidale Entzündungshemmer (NSAIDs) können damit in Echtzeit sehr sensitiv und hochspezifisch gemessen werden.

Wie beim Menschen können Medikamente auch bei Fischen zu schädlichen Nebenwirkungen führen. Selbst bei Konzentrationen von wenigen μg pro Liter Wasser verursachen Pharmazeutika wie das Schmerzmittel Diclofenac Gesundheitsschäden. Ökotoxikologen und Umweltchemiker sind aktuell herausgefordert, das Vorkommen von in immer größerer Diversität auftretenden Arzneimitteln zu quantifizieren und deren schädigende Wirkung auf die Umwelt abzuschätzen.

Im Verbundprojekt „EffPharm“ arbeiteten Biologen, Biochemiker und analytische Chemiker verschiedener Institutionen gemeinsam an diesem Thema. Das Projekt wurde vom Umweltbundesamt gefördert und von der Tübinger Ökotoxikologin Prof. Dr. Rita Triebskorn (Steinbeis-Transferzentrum Ökotoxikologie und Ökophysiologie und Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen) koordiniert. In der Arbeitsgruppe um Dr. Manfred Frey, Leiter des Steinbeis-Innovationszentrums Zellkulturtechnik an der Hochschule Mannheim, gelang es erstmals, für die zwei genannten pharmazeutischen Wirkstoffklassen zellbasierte Biosensoren zu entwickeln. Sie ermöglichen es, die primäre Bindung dieser Substanzen an ihre Zielmoleküle (Rezeptoren) in „gereinigtem“ Abwasser in Echtzeit zu bestimmen. Am Projekt beteiligt war auch Dr. Marco Scheurer vom Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe, er zeigte, dass ein hoher Prozentsatz der bisher mittels aufwändiger und zeitintensiver chemischer Analysen nachgewiesenen Verbindungen mit den neuartigen Biosensoren erfasst werden. Dabei schließen die Testsysteme zusätzlich auch die Effekte von unbekannten Verbindungen und chemisch nicht detektierten Metaboliten mit biologischer Wirkung mit ein, was für die ökologische Bedeutung der Umweltbelastungen entscheidend ist. An der Universität Tübingen wies das Team um Professorin Rita Triebskorn und Professor Heinz Köhler von der Arbeitsgruppe Physiologische Ökologie der Tiere nach, wie sensitiv die Biosensoren sind: Sie erfassen bereits äußerst geringe Konzentrationsbereiche der Medikamente, in denen die ersten Schäden bei Wasserorganismen auftreten.

Die neuentwickelten Biosensoren vereinen eine Reihe von Vorteilen gegenüber bisher verfolgten Ansätzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen sogenannten Reportergen-Assays erfassen sie die primäre Wirkung von Chemikalien in der Zelle in Echtzeit und vermeiden hierdurch Falschinformationen, wie sie in Systemen, die erst nach vielen Stunden Signale erzeugen, auftreten können. Nachdem die Biosensorzelllinien Kontakt mit Pharmazeutika in Umweltproben hatten, erscheint innerhalb von Sekunden ein Fluoreszenzsignal. Die so entwickelten neuen Testsysteme besitzen eine extrem hohe Sensitivität im Nanomolarbereich von nur einem Millionstel Promille, die vergleichbar mit der chemischen Analytik ist. Da sie wirkmechanismusorientiert arbeiten, kann auch die Wirkung zukünftiger Beta-Blocker oder NSAIDs nachgewiesen werden, obwohl deren chemische Struktur noch gar nicht bekannt ist. Das Forscher-Team erwartet daher, dass die entwickelte Technik zukünftig in Monitoring-Programmen zur Bestimmung von Wasserqualität und Reinigungsleistung von Kläranlagen eingesetzt wird und eine wichtige Lücke in der Plausibilitätskette zwischen dem Auftreten von Pharmazeutika in Gewässern und den bei betroffenen Gewässerorganismen auftretenden Gesundheitsschäden schließen kann.