Synthese, Analytik und toxikologische Charakterisierung von Arsenolipiden

Fettlösliche Arsenverbindungen, die sogenannten Arsenlipide, kommen in Meeresfrüchten vor und können einen signifikanten Teil des mit der Nahrung aufgenommen Arsens bilden. Es gibt verschiedene Typen von Arsenlipiden, wobei in den hauptsächlich vorkommenden Verbindungen das Arsen an Fettsäuren, Kohlenwasserstoffe oder Phosphorlipide gebunden ist. Aktuelle Studien haben auf das Vorhandensein von arsenhaltigen Glyceriden in Fisch hingewiesen. Da Arsen als Gift bekannt ist und Arsenlipide in Fisch und Meeresfrüchten vorkommen, ist die Toxizität dieser Verbindungen von hohem Interesse für die Wissenschaft und für das öffentliche Gesundheitswesen. In einem kürzlich von Forschungsgruppen der Universität Potsdam und der Universität Graz gemeinsam durchgeführten Forschungsprojekt zeigen Zytotoxizitätstest alarmierende vorläufige Resultate in Bezug auf die Tatsache, dass arsenhaltige Kohlenwasserstoffe die gleiche Toxizität wie anorganisches Arsen aufweisen. Um die Risiken für die menschliche Gesundheit in Bezug auf das Vorhandensein von Arsenlipiden in der Nahrung bewerten zu können, wird dieses Projekt fünf wichtige Aspekte behandeln: (i) Wir werden hochqualitative Standards von zwei Arsen-Phosphorlipiden und vier Arsen-Triglyceriden synthetisieren und charakterisieren; (ii) Wir werden das toxikologische Profil von sechs neu synthetisierten Arsenlipiden in Kulturen von menschlichen Leberzellen und Hirn- assoziierten Zellen im Vergleich mit Arsenit und Arsen-Kohlenwasserstoffen charakterisieren; (iii) Wir werden den Transport von Arsen-Kohlenwasserstoffen und von den sechs neu synthetisierten Arsenlipiden durch die Blut-Hirn Schranke und durch die Blut-CSF Schranke studieren, um die Bioverfügbarkeit der genannten Arsenlipide im Gehirn zu bewerten; (iv) Wir werden die Toxizität der sechs neu synthetisierten Arsenlipide im Nematoden Caenorhabditis elegans, einem Modellorganismus zur Untersuchung der neuralen Entwicklung in Tieren, im Vergleich mit anorganischem Arsen und Arsen-Kohlenwasserstoffen untersuchen; und (v) wir werden die Toxikokinetik der Arsenlipide in Mäusen mittels Sondenfütterung untersuchen. In Summe werden die Resultate dieses Forschungsprojektes das toxische Potential der natürlich in unserer Nahrung vorkommenden Arsenlipide klären und eine Basis für die zukünftigen Bestimmungen von sicheren Grenzwerten dieser Verbindungen in Nahrungsmitteln darstellen.

Die gesundheitlichen Folgen von Arsen in Lebensmitteln waren in den letzten zwei Jahrzehnten Gegenstand zunehmenden Forschungsinteresses und führten 2016 dazu, dass die Europäische Kommission Vorschriften mit strengen Grenzwerten für die zulässige Menge an toxischem anorganischem Arsen in bestimmten Lebensmitteln einführte. Die Situation mit Arsenlipiden wurde zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht angesprochen, obwohl jüngste Ergebnisse darauf hindeuteten, dass diese Arsenverbindungen häufig in Meeresfrüchten vorhanden waren, und vorläufige Tests mit menschlichen Zellen gezeigt hatten, dass sie zytotoxisch sein könnten. Das aktuelle Projekt untersuchte die Verteilung und Bedeutung von Arsenlipiden in unseren Lebensmitteln und untersuchte sowohl in vitro als auch in vivo ihre potenzielle Toxizität, insbesondere die Neurotoxizität für den Menschen. Das grundlegende Ziel war es, fundierte Daten bereitzustellen, anhand derer die Regulierungsbehörden künftige realistische und sichere Richtlinien für Arsen in Lebensmitteln festlegen könnten. So haben wir im Rahmen dieses gemeinsamen Projekts mit unseren Partnern in Potsdam: (1) mehr als 20 neue Arsenlipide in Meeresfrüchten identifiziert und die Verteilung ausgewählter Arsenlipide in Lebensmitteln in Japan quantifiziert (eine Gesellschaft mit hohem Fischkonsum) und auf der Grundlage einer Warenkorberhebung die tägliche Aufnahme von Arsenlipiden abschätzen können; (2) wurden 10 neue Arsenlipide synthetisiert, die als reine Standards für die Entwicklung neuer Analysemethoden und für die Verwendung in Toxizitätsstudien durch unsere Projektmitarbeiter in Potsdam dienten; (3) verwendeten wir in-vitro-Experimente , um zu zeigen, dass Arsenkohlenwasserstoffe die Permeabilität eines Blut-Hirn-Schrankenmodells erhöhten und neuronale Netzwerke in menschlichen Gehirnzellen störten; (4) fanden wir in Tierversuchen heraus, dass Arsenkohlenwasserstoffe das Überleben und die Entwicklung des Fadenwurms Caenorhabditis elegans verringerten, während andere Arsenolipide viel weniger schädlich waren; (5) haben wir in weiteren Tierversuchen mit Mäusen, die einem Arsenkohlenwasserstoff über die Nahrung ausgesetzt waren, gezeigt, dass dieses Arsenolipid die Blut-Hirn-Schranke passieren kann und sich vorzugsweise im Gehirn von Säugetieren ansammelt; (6) zeigten wir in Studien mit stillenden Müttern, die sich fischreich ernährten, dass Arsenkohlenwasserstoffe, die natürlicherweise im Fisch vorhanden sind, leicht auf die Muttermilch übertragen werden können, wobei die Übertragungseffizienz 100-fach höher ist als die für Arsenobetain, eine harmlose, hauptsächlich wasserlösliche Arsenverbindung in Fischen. Zusammengefasst haben diese Studien das neurotoxische Potenzial von Arsenkohlenwasserstoffen, natürlich vorkommenden Arsenolipiden, die häufig in Meeresfrüchten vorkommen, gezeigt und die Notwendigkeit hervorgehoben, ihre Auswirkungen auf das Gehirn von Säuglingen in entscheidenden frühen Entwicklungsstadien zu untersuchen.