Truslerne fra mikrouniverset

Der var engang, hvor alle snakkede om truslen fra tungmetaller, opløsningsmidler og olieforurening. Den snak er stadig relevant, men har i dag fået selskab af snakke om trusler fra mikro- og nanouniverset. Nu taler vi i høj grad også om hormonforstyrrende stoffer, nanopartikler, mikroplastik og sågar nanoplastik.

Den teknologiske revolution har skabt tusindvis af forskellige bittesmå molekyler og partikler, der kan påvirke os på… Ja, forskere ved det faktisk ikke endnu, fordi nogle af forskningsfelterne er så forholdsvis nye, at de første studier ikke har mere end et par år på bagen.

Derudover er det meget komplekst at finde hoved og hale i problemstillingen, og derfor kender ingen rigtig til truslernes størrelse eller omfang. Sideløbende bliver der hver eneste dag udviklet nye mikroskopiske stoffer, der sniger sig ind i den luft, det vand og den mad, som er livsgrundlaget for det at være menneske.

Forskere har set nogle klare indikationer på, at vi har behov for regulering af industriens udledning af stoffer i mikro- og nanostørrelse. For mens nogle af de mikroskopiske stoffer rummer løftet om banebrydende medicinske landvindinger, truer andre med at ødelægge både os og naturen indefra. Det er op til forskerne at finde ud af, hvilke der gør hvad, og rådgive lovgivere om det næste skridt, før det hele løber løbsk.

På Syddansk Universitet sidder nogle af verdens fremmeste forskere inden for feltet, og med både store internationale økonomiske bevillinger i ryggen og med adgang til det mest avancerede udstyr i verden har de lagt sig i selen for at udstikke retningen for fremtiden.

Vi har taget en snak med adjunkt Elvis Genbo Xu, professor Frank Kjeldsen, professor og institutleder Horst-Günter Rubahn samt lektor Henrik Holbech om nutiden og fremtiden for truslerne fra mikro- og nanouniverset.

Plastik bliver til mikroplastik

Man skal have levet på en helt anden planet, hvis man inden for de seneste par år ikke har hørt om mikroplastik. Medierne (og for den sags skyld også verdenshavene) er fyldt med det.

Mikroplastik bliver i stort omfang dannet i havet, hvor havets bevægelser er med til at rive plastik fra hinanden som en makulator i planetstørrelse. Først bliver plastikindkøbsposen revet fra hinanden. Så bliver de store bidder plastik revet i mindre bidder. De mindre bidder bliver knust endnu mere, indtil plastikstykkerne er så små, at man ikke længere kan se dem med det blotte øje.

Det kan man til gengæld under et mikroskop, og bare inden for det seneste år har forskere med gru måttet konkludere, at der er mikroplastik overalt og i hver eneste kubikmeter af verdenshavene. Selv i de dybeste havbunde er der fundet mikroplastik.

De små stykker plastik bliver optaget af havets dyr og planter, som akkumulerer det i større og større mængder, hvilket i sidste ende betyder, at tunbøffen på din tallerken kan være fyldt med mikroplastik fra alt fra indkøbsposer til engangsbarberskrabere og plastikflasker. Velbekomme!

Er det så farligt, kan man passende spørge sig selv. Svaret er, at det prøver forskere stadig at finde ud af.

– Flere studier har slået fast, at mikroplastik kan påvirke forskellige organismers overlevelse, vækst, fødeindtag og reproduktion. Dog er disse studier lavet med veldefineret mikroplastik, der er meget forskellig fra den mikroplastik, som findes i naturen, hvor der eksisterer en stor variation i polymertyper, -former og -størrelser og med forskellige overfladekarakteristika. Indtil videre ved vi kun meget lidt om dette mix af mikroplastik, forklarer Elvis Genbo Xu.

Mikroplastik bliver til nanoplastik

Det skræmmende perspektiv stopper dog ikke ved mikroplastikken. Det naturlige næste skridt, når plastikken kommer endnu en tur gennem planetens makulator, er, at mikroplastikken bliver til nanoplastik.

Hvis forskerne er usikre på, hvad effekten af mikroplastik er, står de på helt bar bund, når det gælder nanoplastik. Og der er faktisk en signifikant forskel mellem de to.

– Når plastikken kommer ned i nanostørrelse, kan plastikpartiklerne trænge ind gennem cellemembranen og ind i cellerne. Det er endnu mere skræmmende, for der er effekten endnu mere ukendt i forhold til mikroplastik. Vi har i nogle forsøg med laverestående dyr set, at nanoplastik kan trænge ind i cellerne, men vi har slet ikke styr på, hvad de langsigtede konsekvenser er, siger Elvis Genbo Xu.

Forskeren fra SDU forklarer, at to ting skal belyses meget bedre i fremtiden, hvis det på nogen måde skal blive muligt at lave fornuftsbaseret lovgivning og rådgivning på området:

For det første er forskere nødt til at finde ud af, hvor meget nanoplastik der findes i havene og i resten af verden. Det handler meget simpelt om at forstå, hvor meget vi bliver eksponeret for. Faktisk bliver vi muligvis eksponeret for allermest nanoplastik i vores hjem eller på kontoret, hvor mange møbler og genstande omkring os fylder luften med dem.

Foruden teknikkerne til at kvantificere nanoplastik i miljøet er forskerne også nødt til at udvikle nogle teknikker, som tillader dem at differentiere mellem nanoplastik og de biologiske molekyler i nanostørrelse, som findes i eksempelvis en celle.

For det andet (hvilket er Elvis Genbo Xu’s primære forskningsområde) er forskere også nødt til at finde ud af, hvad det betyder for dig, mig og alle andre, at vores celler bliver invaderet med nanoplastik. Den slags opdagelser starter med eksperimenter på celleniveau, hvor forskere udsætter celler for forskellige doser af nanoplastik og ser, hvordan cellerne reagerer. Efterfølgende flyttes forsøgene til dyr for at se, om effekterne på celleniveau kommer til udtryk på organismeniveau.

Et helt tredje lag i problemstillingen er, at plastik som materiale er rigtig godt til at optage andre stoffer, eksempelvis hormonforstyrrende stoffer, som på den måde kan få fri adgang til cellerne, hvor de efterfølgende kan blive frigivet.

– Der er lavet nogle forsøg med frøer og dafnier, og de viser, at selv store mængder nanoplastik ikke er dødbringende, men der kan alligevel være nogle negative effekter over tid, som vi endnu ikke har fået belyst, siger Elvis Genbo Xu.

Hormonforstyrrende stoffer skader både os og miljøet

Og hormonforstyrrende stoffer er det netop det forskningsområde, der interesserer Henrik Holbech allermest.

Hormonforstyrrende stoffer kan både være menneskeskabte kemikalier, men det kan faktisk også være naturligt skabte stoffer. Skal vi lave en hurtig definition, er hormonforstyrrende stoffer udefrakommende molekyler, der kan påvirke hormonsystemerne i kroppen og på den måde skade organismen.

Problemerne med de hormonforstyrrende stoffer gælder både for vores sundhed og for miljøet:

I miljøet kan de hormonforstyrrende stoffer ændre på eksempelvis forholdet mellem hanner og hunner af en given bestand af dyr. I undersøgelser af hormonforstyrrende stoffer i laboratoriet benytter forskere som Henrik Holbech sig blandt andet af zebrafisk til at se, hvilke mængder af et stof der skal til, før det kan få alvorlige konsekvenser for kønsfordelingen. Når koncentrationerne bliver for høje, kan der komme flere hanner eller hunner, og overfører man den konklusion til naturen, er det ikke svært at få øje på, hvordan de hormonforstyrrende stoffer i miljøet kan skubbe ved den delikate naturlige balance mellem kønnene og måske bringe nogle arter på kanten af udryddelse.

– Et klassisk eksempel er ethinyløstradiol, der er et østrogen. Det blev tidligere brugt i p-piller, og på den måde kom det også ud i naturen. Det er slet ikke meningen, at vi hanner skal udsættes for større mængder østrogen i vores omgivelser, og det kan derfor påvirke hanner af forskellige dyrearter alvorligt, forklarer Henrik Holbech.

I menneskekroppen kan de hormonforstyrrende stoffer også have alvorlige konsekvenser. De kan blandt andet rykke ved tidspunktet for pubertet, men hormonforstyrrende stoffer kan også påvirke metabolismen (stofskiftet) og ad den vej muligvis lede til fedme eller type 2-diabetes.

– Specielt under fosterudviklingen er mennesker meget sårbare over for de hormonforstyrrende stoffer, fordi hele fosterdannelsen bliver orkestreret meget præcist af blandt andet hormonerne. Derfor kan forskydninger i hormonbalancen komme til at ændre ved den normale fosterudvikling. Det mest ekstreme eksempel på de udefra kommende hormoner er jo, at hvis man vil gå fra at være en mand til en kvinde eller omvendt, indtager man store mængder kønshormoner, og det ændrer ved både kroppen og psyken, siger Henrik Holbech.

Danmark har været på forkant

I laboratoriet på Biologisk Institut på SDU arbejder Henrik Holbech og kollegaer med flere forskellige former for hormonforstyrrende stoffer for at undersøge deres effekt på forskellige organismer som fisk, padder og hvirvelløse dyr. Forskerne undersøger blandt andet effekter af stofskiftehormoner og androgener, som er de mandlige kønshormoner.

Specifikt har Henrik Holbech modtaget en stor EU-bevilling (Horizon 2020) til sammen med 15 partnere i otte lande at udvikle bedre testguidelines til at teste, om kemikalier er hormonforstyrrende.

Der er forskellige perspektiver på hele forskningsområdet.

Det negative

Effekten af hormonforstyrrende stoffer er reel. I miljøet har man set voldsomme effekter på populationer af blandt andet snegle, krybdyr, fugle og fisk, og ser vi på mennesker, har Danmark som eksempel verdens næsthøjeste forekomst af testikelkræft blandt mænd, og cirka 10 procent af alle drengebørn oplever ved fødslen, at deres testikler ikke er faldet ned i pungen, som de bør. Begge dele kan formentlig krediteres, at danske mænd og drenge under deres udvikling bliver udsat for nogle stoffer, der sætter den naturlige hormonbalance ud af spillet.

Læg dertil, at der i EU alene er godkendt mere end 20.000 industrikemikalier, som endnu ikke er blevet undersøgt for deres potentielt hormonforstyrrende egenskaber. Indtil nu har forskere kun undersøgt et par hundrede.

– Problemet er, at når man godkender et nyt industrikemikalie, skal man redegøre for, at det ikke er giftigt eller kræftfremkaldende, men der er ingen krav til, at man kan redegøre for, at det ikke er hormonforstyrrende, forklarer Henrik Holbech.

Det positive

I Danmark er vi rigtig gode til at rense vores spildevand, og det betyder, at problemet med hormonforstyrrende stoffer i vores omgivelser og i vores miljø er meget mindre i dag, end det var for 20 år siden, hvor man eksempelvis så effekter på nogle af vores ferskvandsfisk. På positivsiden er også, at verden – og især EU – er ved at få øjnene op for problemet. Det betyder, at der bliver kastet store summer penge efter forskere som Henrik Holbech, der har sat sig for at gøre noget ved det.

– Internationalt er problemet med hormonforstyrrende stoffer i miljøet større end i Danmark, fordi man rigtig mange steder i verden ikke renser spildevandet, siger Henrik Holbech.

Testmetoder til at identificere hormonforstyrrende stoffer

Henrik Holbechs arbejde består i at udvikle testmetoder, som gør det muligt hurtigt at undersøge, om et kemikalie er hormonforstyrrende og i hvilke mængder. Målet er at udvikle undersøgelsesmetoder, hvor man kan benytte eksempelvis zebrafisk til at undersøge et kemikalie og samtidig få en rimelig præcis indikation af, hvordan det samme kemikalie vil opføre sig i mennesker.

– Det interessante er, at store dele af vores hormonsystem er ret konserveret evolutionært, så det er ikke så forskelligt fra zebrafisk til mennesker, siger Henrik Holbech.

Formålet med forskningsarbejdet er at identificere biomarkører, eksempelvis kønsskifte eller påvirkning af nogle proteiner, og gøre de biomarkører til standardiserede tests, som alle benytter i identificeringen af potentielle risikokemikalier.

De standardiserede tests skal efterfølgende lægge grundlaget for lovgivningen på området.

– Reglerne er for nuværende ikke fuldendte. Eksempelvis er der strenge krav til pesticider og biocider, som skal undersøges for hormonforstyrrende effekt, men der er ingen krav til industrikemikalier. Samtidig har vi i EU-regler om, at det altid er industriens, producentens eller importørens ansvar at teste, om givne kemikalier lever op til gældende standarder. I USA ser tingene anderledes ud, og der hviler ansvaret på miljøstyrelsen, forklarer Henrik Holbech.

EU har siden 2018 taget emnet alvorligt, men den bedste nyhed er, at vi har gjort det i Danmark i meget længere tid.

Nanosølv kan være farligt, og det er overalt

Vender vi tilbage til nanopartiklerne, er plastik langt fra det eneste materiale, der kan ende på nanoform i naturen og i os. Flere og flere stoffer bliver lavet på nanoform, fordi et materiales egenskaber kan ændre sig dramatisk, når det går fra at være stort til virkelig småt. Det betyder, at nogle materialer kan få meget attraktive egenskaber i nanoform, men det betyder også, at noget, som slet ikke er farligt for os mennesker i stort format, kan være meget farligt, når det kommer på nanoform.

På positivsiden kan nanopartikler benyttes til alt fra rensning af spildevand og olieoprydning til at transportere medicin rundt i kroppen eller slå infektioner ned. Et eksempel er nanosølv, der har vist sig at have en antibakteriel effekt, som sølv i stort format kun besidder i begrænset grad. Derfor har nogle producenter af plastre også puttet nanosølv på indersiden af deres produkter, så de bedre kan forhindre infektioner i at opstå. Køleskabsproducenter gør det samme på indersiden af køleskabene for at forhindre bakterier i at danne små ildelugtende kolonier. Det samme gælder emballage, der kan få fødevarer til at holde længere. Endelig har nogle producenter af cremer fundet på at putte sølvnanopartikler i deres produkter eller i strømper for at forhindre lugten af sved.

På negativsiden har forskerne i Frank Kjeldsens forskningsgruppe på SDU fundet ud af, at nanosølv har affinitet for at binde til mitokondrierne inde i vores celler. Mitokondrierne er vores cellers små kraftværker, og der skal ikke meget fantasi til at forestille sig, at det generelt er en dårlig idé, at udefrakommende partikler i nanostørrelse forstyrrer dem i deres arbejde. Blandt andet har forskningsarbejdet fra SDU vist, at hvis cellerne bliver påvirket af for mange sølvnanopartikler, kan det fremprovokere celledød. En medvirkende årsag er, at sølvnanopartiklerne skaber det, som hedder frie radikaler, der kan binde til og ødelægge alle mulige forbindelser fra proteiner til fedtstoffer inde i cellerne.

– Det er et tveægget sværd, og jeg gider heller ikke male fanden på væggen. Sandheden er, at der nok er flere forskere, som prøver at udvikle nye nanopartikler til gavn for menneskeheden, end der er forskere, som forsøger at finde ud af, hvordan de kan være skadelige. Vi kan ikke stoppe udviklingen af nanopartikler, fordi de bringer så meget godt med sig, men vi skal være meget bedre til at kunne identificere dem, som skaber problemer, og så skal vi have nok viden til at kunne lovgive fornuftigt på området, siger Frank Kjeldsen.

- I tilfældet med sølvnanopartikler må det jo nok være sådan, at der ikke skal bruges for mange af dem i forskellige produkter, og at lovgivningen skal strammes op. Men det gælder ikke for andre nanopartikler, der kan være meget gavnlige uden af have en medfølgende negativ effekt. Vi skal forsøge at lave bæredygtig nanoteknologi, siger han.

SDU råder over noget af verdens mest avancerede udstyr

I Frank Kjeldsens laboratorium råder de over et af de mest avancerede værktøjer til at studere effekten af nanopartikler på celler. Mere specifikt taler vi her om et af verdens mest avancerede massespektrometre, der benyttes til at analysere proteiner i celler.

Proteiner udtrykker helt lavpraktisk, hvordan cellen har det, og hvis nanopartikler påvirker udtrykket af proteiner og dermed cellens velbefindende, kan forskerne måle det.

Med massespektrometeret kan forskerne på samme tid analysere 60-70 procent af alle proteinerne i en celle. De kan se, om der kommer flere af nogle og færre af andre proteiner. Hvis nanopartiklerne som i eksemplet med sølvnanopartiklerne resulterer i en masse frie radikaler inde i cellerne, vil cellen producere flere proteiner, der tager sig af de frie radikaler. Det vil forskerne kunne se, og på den måde kan de afgøre, at et givent stof i nanostørrelse resulterer i dannelsen af skadelige frie radikaler.

– I vores forsøg har vi blandt andet fundet ud af, at nanopartikler som oftest har evnen til at komme ind i kroppen og indkapsle sig selv i proteiner, så nanopartiklerne kommer til at fremstå som en naturlig del af kroppen og ikke et fremmedlegeme. Den type forsøg giver os et meget bedre overblik over de effekter, som nanopartikler kan have på en organisme eller på os, forklarer Frank Kjeldsen.

Kombinationseffekt er måske endnu farligere

Hans vision for fremtiden er, at lovgivningen bliver strammet op på området, så der kommer mere styr på at undersøge nye nanopartiklers eventuelle negative effekter på os mennesker, inden de bliver frigivet til markedet og vores omgivelser.

Opgaven er dog på ingen måde lige til at gå til. Som eksempel findes der på nuværende tidspunkt 3.000 produkter med nanopartikler i, og de kan interagere forskelligt med hver af kroppens 200 forskellige slags celler. I realiteten betyder det, at hver eneste type nanopartikel skal testes op imod hver af vores celler for at se, om den kan have en negativ indflydelse.

Opgaven slutter dog ikke her, fordi der også findes endnu et lag, hvori nanopartiklerne potentielt set kan interagere med hinanden, og så kan den negative effekt af to forskellige nanopartikler blive større end summen af nanopartiklerne tilsammen.

– Vi står over for en kæmpe udfordring, fordi vi skal udvikle metoder, der kan følge med udviklingen, så vi kan teste den store mængde nanopartikler, der allerede findes derude, og som der kun kommer til at være flere af i fremtiden, siger Frank Kjeldsen.

Han arbejder blandt andet på at få økonomisk støtte til at udvikle en forbedret platform inden for proteinområdet, som vil gøre det muligt for hans laboratorium at teste 10 gange så mange nanopartikler på daglig basis.

– Det er i virkeligheden der, hvor vi står i dag. Producenterne bliver ved med at spytte flere og flere nanopartikler ud på markedet, og vi er nødt til at finde nogle metoder, så vi kan give myndighederne nogle konkrete data at lave lovgivning ud fra, siger Frank Kjeldsen.

Størrelse betyder noget

Horst-Günter Rubahn mener ligesom sine kollegaer, at verden står over for en stor opgave. Et af de største problemer er ikke underligt størrelse.

Nanopartikler er defineret som partikler med en størrelse mellem 1 og 100 nanometer, og selvom det hele måske lyder småt, er der faktisk meget stor forskel på, om det er det ene eller det andet. Er partiklerne meget små, kan de trænge ind i cellerne og være reaktive, men er de blot en smule større, har de ikke denne effekt.

Et eksempel er guld. Nanoguld kan i én størrelse være meget reaktivt og potentielt set skadeligt for celler, men bliver partiklerne blot en smule større, er det bare små klumper guld.

– Kommer vi under 10 til 20 nanometer, begynder mange materialer at have potentialet for at være farlige. Derfor ligger der en stor opgave i at gøre industrien bedre til at lave nanopartikler, så de har en størrelse, hvor deres egenskaber som nanopartikler er velbevarede, men hvor de ikke er så små, at de bliver farlige.

– I øjeblikket laver industrien bare en masse nanopartikler, og de spænder over en bred vifte af størrelser. Der skal de blive bedre til at indsnævre det spænd, så der ikke kommer så mange af de skadelige nanopartikler ud i miljøet. Vi plejer at sige, at hvis man skal lave nanopartikler, skal man gøre det ordentligt. Hvis man gør det billigt, får man en masse af de giftige nanopartikler, siger Horst-Günter Rubahn.

SDU udvikler metoder til at finde nanopartikler

Han arbejder tæt sammen med Frank Kjeldsen og fortæller, at et af de store spørgsmål lige nu er, om nanopartiklerne i de små mængder, som vi bliver udsat for, overhovedet har en effekt på vores helbred?

Som det ser ud i øjeblikket, er risikoen ifølge Horst-Günter Rubahn umiddelbart minimal, men det kan ændre sig hurtigt, i takt med at der kommer stadig flere nanopartikler i vores omgivelser. Derudover har ingen på nuværende tidspunkt overblik over de mulige konsekvenser på den lange bane.

– Kræft udvikler sig som eksempel over flere årtier, og det er ikke på nuværende tidspunkt til at sige, om nanopartikler øger risikoen for udvikling af kræft. Derfor er EU også meget opsat på at regulere området, siger han.

For at hjælpe politikerne med at træffe de bedst mulige beslutninger er forskerne på Horst-Günter Rubahns institut i færd med at udvikle forskellige metoder til hurtigt at kunne identificere, om en nanopartikel er skadelig. Den ene metode er den, som Frank Kjeldsen arbejder på, men der arbejdes også på andre.

Forskerne arbejder blandt andet på forskellige metoder til for det første overhovedet at kunne identificere, om eksempelvis en blodprøve eller en vandprøve indeholder nanopartikler, som ikke bør være der.

Den ene metode involverer nanopartikler i en væske i små rør. Forskerne benytter en laser til at skyde på nanopartiklerne, og alt efter spredningen af lyset kan forskerne afgøre størrelsen og antallet af nanopartikler. Forinden har forskerne kørt væsken gennem en række af små rør, der opdeler partiklerne i størrelser, så der i én prøve kun er nanopartikler mellem eksempelvis 20 og 50 nanometer, mens der i den næste prøve kun er nanopartikler mellem 50 og 100 nanometer.

– På den måde kan vi isolere de partikler, som vi ønsker at se på. Hvis vi som eksempel har identificeret, at partikler over 80 nanometer ikke er skadelige, kan vi sortere dem fra og efterfølgende koncentrere os om at identificere antallet af dem, der er mindre end det, forklarer Horst-Günter Rubahn.

En anden metode involverer små keramiske plader med små fordybninger i. Fordybningerne har forskellige størrelser, der kan opsamle nanopartikler alt efter deres størrelse. De keramiske plader ligner små bageforme til muffins.

– Vi udvikler forskellige tests, som vi forhåbentlig har klar inden for de næste to år. Så er det op til myndighederne at bestemme, om det skal være standard for industrien at teste størrelsen på partiklerne i deres produkter for, om nogen af dem er nede i den størrelse, hvor de kan blive skadelige.

– Vi prøver også at udvikle en lignende test til forbrugerne, så eksempelvis firmaer kan teste nanopartikelstørrelsen i de produkter, som de køber fra andre. Benytter en kosmetikproducent nanopartikler i deres cremer, vil de gerne være i stand til over for forbrugerne at kunne sige, at størrelsen på nanopartiklerne gør, at de er effektive, men ikke farlige, og så er det bedst at have udført testene selv, siger Horst-Günter Rubahn.

Nanopartikler kan måske slå kræft ihjel

Horst-Günter Rubahn slår fast, at nanopartikler ikke er til at komme uden om i hverken nutiden eller fremtiden, og at det hele handler om at forstå, hvad de kan gøre for os eller i værste fald gøre ved os. Derefter er vi nødt til at lovgive og regulere, så vi får så meget positivt ud af nanopartiklerne som muligt med den mindst mulige omkostning for vores miljø og vores helbred.

Der er nemlig store potentialer i nanopartiklerne, der kan komme til at revolutionere mange industrier, herunder sundhedsvæsnet. Eksempelvis kan man ifølge Horst-Günter Rubahn udvikle nanopartikler, der har den egenskab, at de kan binde til kræftceller. I det tilfælde vil man kunne sende nanopartiklerne ind i kroppen og efterfølgende varme dem op, så de slår kræftcellerne ihjel.

– Der vil være mange muligheder for at bruge nanopartikler på den måde, men uheldigvis er kræft en meget kompleks sygdom. På det område mangler vi stadig viden og forskning for at komme endelig i mål, siger Horst-Günter Rubahn.

Tegninger: Mikkel Larris, SDU