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Informationspapier des Ausschusses für Biologische Arbeitsstoffe (ABAS)
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Irritativ-toxische Wirkungen von luftgetragenen biologischen Arbeitsstoffen am Beispiel der Endotoxine

Vom 1. Mai 2005
(BArbBl. Nr. 6/2005 49)

Zusammenfassung

Was machen Endotoxine am Arbeitsplatz?

Endotoxine sind hitzestabile Bestandteile von Bakterien. Sie können bei Menschen abhängig von der Konzentration in der Luft akute Symptome eines "Inhalationsfiebers" auslösen, z.B. Husten, Fieber, Muskel- und Gliederschmerzen. Ist man Endotoxinen länger ausgesetzt, kann es zu chronischer Bronchitis kommen.

Auftreten

Endotoxine werden nach dem Zerfall der äußeren Zellwand von bestimmten (gram-negativen) Bakterien freigesetzt, wobei die überwiegende Zahl dieser Bakterien keine typischen Krankheitserreger sind.

Bakterien können viele verschiedene Lebensräume, darunter insbesondere solche, die organische Stoffe enthalten, besiedeln. Sie reichern sich auch im Wasser an.

Die bei Umgang mit besiedelten Materialien (z.B. Abfall, natürliche Rohstoffe in Land-, Futtermittel-, Lager- und Forstwirtschaft, Naturfasern in der Textilindustrie) entstehenden Aerosole können Endotoxine enthalten. Ebenso können Endotoxine als Aerosole aus bakteriell besiedeltem Wasser freigesetzt werden (z.B. Luftbefeuchter, Kühlwasser, Abwasser).

Schutzmaßnahmen

Vorrangig sollte in Arbeitsprozessen die Besiedelung von Material bzw. Wasser mit Bakterien verhindert werden. Dazu dienen die Vermeidung z.B. von Feuchteeintrag bzw. die Reduzierung des Nährstoffangebots durch Sauberkeit sowie geeignete Desinfektions-Maßnahmen.

Folgende Maßnahmen können der Exposition von Endotoxinen entgegenwirken:

• technisch, z.B. Reduzierung der Materialbewegung, Kapselung von Geräten, Absaugen der Aerosole,
• organisatorisch, z.B. Veränderung von Arbeitsabläufen, Beratung Unterweisung,
• persönlich durch Tragen von Schutzausrüstung. Zum Gesundheitsschutz der Beschäftigten können
• Maßnahmen der arbeitsmedizinische Vorsorge angeboten werden. Information, Beratung und Unterweisung sind dabei vorrangig.

Endotoxine als ein Bestandteil der Zellwand gramnegativer Bakterien kommen in der Natur ubiquitär vor. Gramnegative Bakterien, wie z.B. Pseudomonaden oder Enterobacteriaceen besiedeln Boden, Wasser und die Oberflächen von Menschen, Tieren und Pflanzen, andere sind als humanpathogen, d.h. als Infektionserreger bekannt, z.B. Legionella pneumophila, Salmonella Typhi. Unabhängig von der Pathogenität des Bakteriums stellen die von diesem freigesetzten Endotoxine eine irritativ-toxische Belastung für den Menschen dar. Biochemisch handelt es sich bei Endotoxinen im Wesentlichen um Lipopolysaccharide (LPS), bestehend aus speziesspezifisch unterschiedlichen Polysaccharidketten und Lipid (Lipid A), das kaum speziesspezifische Unterschiede zeigt und die toxischen Eigenschaften der Endotoxine bedingt. Im Sprachgebrauch werden mit Endotoxin die nativen, mit bakteriellen Zellwandbestandteilen behafteten Lipopolysaccharide bezeichnet. Endotoxin ist somit ein Sammelbegriff für die zellgebundene Toxizität durchaus verschiedener Substanzen. Der Begriff Lipopolysaccharid sollte den chemisch reinen, in der Natur nicht vorkommenden Substanzen vorbehalten bleiben.

2. Vorkommen an Arbeitsplätzen

Endotoxine können grundsätzlich als Bestandteil von Bioaerosolen ¹ in unterschiedlichen Arbeitsbereichen vorkommen. Hohe Endotoxinkonzentrationen wurden insbesondere in der Rohbaumwollverarbeitung, der Landwirtschaft und in geringerem Umfang auch in der Entsorgungswirtschaft nachgewiesen (Tab. 1). Hierbei gelangen verschiedene biogene Substanzen in die Luft. I. d. R. handelt es sich dabei um eine Mischexposition, bei der Endotoxine nur einen von mehreren Bestandteilen darstellen. Endotoxine können an Stäube gebunden sein, und ihre biologische Aktivität kann über viele Jahre erhalten bleiben.

3. Wirkungsmechanismen

Endotoxine gelangen mit den Bioaerosolen nach Inhalation teilweise bis in die Bronchiolen und Alveolen und treffen dort in gelöster wie auch partikulärer Form auf die Alveolarmakrophagen. Diese tragen mit CD14 einen LPS-bindenden Oberflächenrezeptor. Die Bindungsaffinität von LPS gegenüber CD14 wird durch das LPS-Bindung-Protein (LBP) vermittelt.

Auch andere Zellwandbestandteile gramnegativer Bakterien binden an CD14. CD14 ist neben der membrangebundenen auch in gelöster Form (sCD14) in der Flüssigkeit des Atemtraktes vorhanden, was Endotoxinwirkungen auf nicht CD14-tragende Zellen, wie Epithel- und dendritische Zellen vermittelt. In der Kausalkette zwischen CD14-Bindung und der Ausschüttung proinflammatorischer Mediatoren stehen die Toll-like-Rezeptoren, TLR-2 und -4. Zu den freigesetzten Mediatoren aktivierter Lungenzellen, insbesondere Alveolarmakrophagen gehören lysosomale Enzyme und reaktive Sauerstoffspezies mit einer unmittelbar antibiotisch zytotoxischen Wirkung. Proinflammatorische Mediatoren wie die Zytokine Tumor-Nekrose-Faktor α (TNF-α), Interleukin-1ß (IL-1β), IL-6, IL-8 und lipidische Produkte wie Thromboxane, Leukotriene, Prostaglandine und Plättchen-aktivierender-Faktor (PAF) wirken als Chemokine und Aktivatoren auf weitere immunkompetente Blutzellen und residente Lungenzellen. Als Folge wandern polymorphkernige Leukozyten (PMN) als zytotoxische Fresszellen in die Lunge ein, wo sie über einen eigenen LPS-Rezeptor (CD18) u.a. zur Produktion von Bactericidal-Permeability-Increasing-Protein (BPI) angeregt werden. BPI wirkt kompetitiv mit LBP, was einen gegenregulativen Effekt bewirkt.

Polymorphismen der Toll-like-Rezeptoren werden als eine genetisch bedingte Ursache für die unterschiedliche Endotoxinempfindlichkeit beim Menschen diskutiert (Arbour 2000).

Abb. 1: Wirkungsmechanismus von Endotoxinen (Lipopolysacchariden; LPS) im Zusammenspiel mit der körpereigenen Abwehr (nach BGFA, Bochum)