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In-vitro-Darmmodelle zeigen, wie sich Mikroplastik auf den Magen-Darm-Trakt auswirkt

Kunststoffe wurden 1950 entdeckt und gehören seitdem zu den am häufigsten verwendeten Materialien weltweit. Die gestiegene Nachfrage nach Kunststoffen hat zur Ansammlung dieser Materialien auf Mülldeponien und in den Ozeanen geführt, wodurch die Plastikverschmutzung zu einer erheblichen Umweltbedrohung geworden ist, die sich auf alle Ökosysteme auswirkt.

Studie: Mikroplastik: Was passiert im menschlichen Verdauungstrakt?  Erste Erkenntnisse bei Erwachsenen anhand von In-vitro-Darmmodellen.  Bildnachweis: Lucio Pepe / Shutterstock.com

Studie: Mikroplastik: Was passiert im menschlichen Verdauungstrakt? Erste Erkenntnisse bei Erwachsenen anhand von In-vitro-Darmmodellen. Bildnachweis: Lucio Pepe / Shutterstock.com

Hintergrund

Kunststoffe unterliegen in der Umwelt einer natürlichen Verwitterung, bei der sie in kleine Partikel umgewandelt werden.

Mikroplastik (MPs) sind kleine Polymermatrizen mit einem Durchmesser im Größenbereich von einem Mikrometer (μm) bis fünf Millimeter (mm). MPs sind regelmäßig oder unregelmäßig geformte, unlösliche Substanzen, die manchmal freiwillig hergestellt oder durch Kunststoffverwitterung und -fragmentierung freigesetzt werden.

MPs gelangen aufgrund ihres Vorkommens in vielen Nahrungsmitteln und im Trinkwasser in die Nahrungskette. Mehrere Studien haben das Vorhandensein von MPs im menschlichen Blut, Stuhl und Dickdarmgewebe bestätigt. Trotz dieser Beobachtungen haben jedoch nur sehr wenige Studien das Schicksal von MPs im menschlichen Magen-Darm-Trakt untersucht.

Nach der Einnahme stoßen MPs auf die Magen-Darm-Barriere, die aus Darmepithel und Schleim besteht. Darüber hinaus interagieren MPs mit der Darmmikrobiota, die eine komplexe und vielfältige Gemeinschaft von Mikroben bildet, darunter Bakterien, Pilze, Archaeen, Protozoen und Viren. Ein viskoelastisches Gel der Schleimschicht ist die erste chemische, physikalische und biologische Abwehrlinie, die das Darmepithel schützt.

Die Darmmikrobiota spielt auch eine wesentliche Rolle bei der Regulierung der Immunität des Wirts und des Stoffwechsels von Toxinen, Medikamenten und Xenobiotika. Darüber hinaus sind diese Mikroorganismen auch mit dem Abbau unverdauter Nahrungsmittel und der Produktion von Sekundärmetaboliten wie kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs), Aryl-Kohlenwasserstoffrezeptor-Liganden (AhR), flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) und Gas verbunden.

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AhR-Liganden und SCFAs sind für die Aufrechterhaltung der Integrität interzellulärer Tight Junctions im Darmepithel verantwortlich. Es wurde ein enger Zusammenhang zwischen der mikrobiellen Aktivität im Darm und der wirksamen Erhaltung der Darmbarrierefunktion festgestellt.

Mehrere In-vivo-Modelle haben verschiedene Wirkungen von MPs hervorgehoben, die von ihrer Größe, Form, Art der Polymermatrix, Expositionsdauer, Oberflächenladung und Verabreichungsart abhängen. Zu diesen Auswirkungen zählen unter anderem Veränderungen der Schleimsekretionsmuster und eine mikrobielle Dysbiose.

Über die Studie

In einem aktuellen Zeitschrift für gefährliche Materialien In dieser Studie gehen Forscher davon aus, dass die Exposition gegenüber MPs aus Polyethylen (PE) unter realistischen Bedingungen das menschliche Magen-Darm-System bei Erwachsenen in vitro beeinflussen könnte. Die Forscher waren besonders daran interessiert, die Wechselwirkungen zu bestimmen, die zwischen dem Darmmikrobiom und PE-MPs entstehen.

Die Auswirkungen der Exposition gegenüber PE MPs auf die Stoffwechselaktivität des Menschen und die Zusammensetzung der Darmmikrobiota wurden analysiert, nachdem die Teilnehmer zwei Wochen lang täglich einer Dosis von 21 mg/Tag ausgesetzt wurden.

An der aktuellen Studie nahmen insgesamt vier gesunde erwachsene Freiwillige teil. Das In-vitro-Modell des mukosalen künstlichen Dickdarms (M-ARCOL) wurde ebenfalls verwendet.

Das M-ARCOL-Modell ist ein einstufiges Fermentationssystem, das die mittleren mikrobiellen und physikalisch-chemischen Parameter des menschlichen Dickdarms simuliert. Dieses Modell umfasst sowohl luminale als auch mukosale Mikrobiota durch ein externes Mucin-Alginat-Kügelchen-Kompartiment.

Sowohl menschliche Caco-2- als auch schleimsekretierende HT29-MTX-Darmzellen wurden mit M-ARCOL-Luminalüberständen inkubiert, die nach zweiwöchiger Exposition gewonnen wurden.

Insgesamt lieferte die aktuelle Analyse ein tieferes Verständnis der Auswirkungen von MPs, wie Permeabilität, Zytotoxizität und Entzündung, auf das Darmepithel und den Schleim.

Studienergebnisse

Die anfänglichen fäkalen Mikrobiota, die für die M-ARCOL-Inokulation verwendet wurden, zeigten erhebliche interindividuelle Variabilitäten. Darüber hinaus blieben diese Variabilitäten im Verlauf des In-vitro-Experiments erhalten.

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Alle Teilnehmer, die PE MPs ausgesetzt waren, beobachteten eine signifikante Veränderung der mikrobiellen Vielfalt. Es wurde ein zunehmender Trend im Zusammenhang mit der α-Diversität der luminalen Mikrobiota festgestellt. Zusätzlich zur interindividuellen Variabilität wurden ähnliche Effekte im Zusammenhang mit dem Lumen und der schleimassoziierten Mikrobiota berichtet.

Nach der Exposition gegenüber PE-MPs wurden erhöhte Konzentrationen von Desulfovibrionaceae, Dethiosulfovibrionaceae und Enterobacteriaceae sowie verringerte Konzentrationen von Christensenellaceae und Akkermansiaceae beobachtet. Die beiden letztgenannten Gruppen werden mit dem Gesundheitszustand eines Individuums in Verbindung gebracht.

Einige der Variationen in den mikrobiellen Strukturen entsprachen der mikrobiellen Vielfalt bei Personen, die unter Reizdarmsyndrom (IBS) oder entzündlichen Erkrankungen des Gastrointestinaltrakts leiden. Die Exposition von MPs mit Polyethylenterephthalat (PET) verringerte auch Bacteroidota im Dickdarm von drei Spendern. Bei einem Teilnehmer wurde ein Anstieg von Desulfobacterota beobachtet.

Die Wirkung von PE MPs auf die Produktion von Gas, SCFAs und VOCs zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen der Kontrollgruppe und der behandelten Gruppe. Ein Anstieg der Indol-, 3-Methyl- und Skatolspiegel nach der Exposition von PE-MPs deutete jedoch auf die Möglichkeit einer durch Mikrobiota vermittelten gastrointestinalen Dysregulation hin, die weiterer Untersuchungen bedarf.

Es wurde eine verringerte AhR-Aktivität im Zusammenhang mit PE-MP-exponierten Darmmikrobiota beobachtet. Ähnliche Ergebnisse wurden auch bei Personen mit IBD und Zöliakie berichtet. Die vorliegende Studie hebt hervor, dass Darmzellen, die PE in zwei Größen ausgesetzt waren, die Lebensfähigkeit der Zellen nicht signifikant verringerten; Sie verursachten jedoch oxidativen Stress.

Schlussfolgerungen

Die aktuelle Studie untersuchte die Auswirkungen der täglichen Exposition gegenüber PE-MPs auf das gastrointestinale System des erwachsenen Menschen. Zu diesem Zweck wurde festgestellt, dass die Wirkung von PE-MPs auf die Darmschleimhautmikrobiota und die Darmschleimhaut von individuellen Merkmalen abhängt.

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Zukünftig sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die spezifische „Darmplastisphäre“ hinsichtlich Zusammensetzung und Stoffwechsel zu charakterisieren.

Referenz:

  • Fournier, E., Leveque, M., Ruiz, P., et al. (2022). Mikroplastik: Was passiert im menschlichen Verdauungstrakt? Erste Erkenntnisse bei Erwachsenen anhand von In-vitro-Darmmodellen. Zeitschrift für gefährliche Materialien. doi:10.1016/j.jhazmat.2022.130010

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