Nickel als Beispiel für die Anwendung des Humanbiomonitorings in der Umweltmedizin
Was ist Nickel? Chemische Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung von Nickel
Nickel (Ni) ist ein silberweißes geschmeidiges Metall. Es kommt als elementares Nickel (Ni0), Ni+1, Ni+2, Ni+3 und Ni+4 vor und wird zu 90% aus Nickelsulfid-Erz gewonnen. 40% des Jahresaufkommens von etwa 750.000 Tonnen geht in die Produktion rostfreier Stähle. Das Metall geht auch in rund 300 Legierungen ein. Es ist zudem ein essentielles Spurenelement im menschlichen Körper. Nickelverbindungen werden unter anderem als Katalysatoren, Pigmente und in Batterien benutzt. Im Haus ist die Anwendung der oberflächlichen Vernicklung von Bauteilen in der Hausinstallation und die Verwendung als Legierungselement von Loten und Armaturwerkstoffen von Interesse. Der Mensch kann zudem über folgende weitere Quellen mit Nickel in Berührung kommen:
- über Schmuck (Modeschmuck) und Körperschmuck (Piercing),
- über Gebrauchsgegenstände wie z. B. Küchenzubehör, Wasserkocher mit offenerer Heizspirale,
- über Geld (nickelhaltiges Kleingeld),
- über Werkstoffe, die beim Zahnarzt oder in der Medizin Verwendung finden (Zahn-, Hüftendoprothesen),
- am Arbeitsplatz (Dentallabor, Musiker, Kassierer).
Aufnahme und Ausscheidung von Nickel
Die Bevölkerung nimmt Nickel bzw. Nickelverbindungen über Nahrung, Trinkwasser und Luft auf. Dabei stellt die Nahrung die mengenmäßig bedeutsamste Quelle dar. Die durchschnittliche tägliche Nickelaufnahme liegt zwischen 90 µg und 280 µg pro Person. Durch Verzehr besonders nickelhaltiger Lebensmittel kann die tägliche Aufnahme auf bis zu 1 mg steigen. Pflanzliche Lebensmittel enthalten mehr Nickel als tierische Produkte. Folgende Tabelle gibt einen groben Überblick über die Vielzahl nickelreicher Lebensmittel. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Nickelgehalte untersuchter Lebensmittel stark schwanken.
Alphabetische Liste nickelreicher Nahrungsmittel, Getränke und Nahrungsergänzungsmittel
- Aal
- Algenpräparat
- Ananas
- Backpflaumen
- Backpulver
- Beerenfrüchte (Erdbeeren, Himbeeren, Heidel- und Johannisbeeren)
- Brasse
- Broccoli
- Buchweizen
- Feigen
- Getreidekörner
- Frühstückscerealien (Getreidevollkornflocken, Haferflocken, Cornflakes, Müsli)
- Hirse und Hirseprodukte
- Hülsenfrüchte
- Hecht
- Hefetabletten
- Hering
- Hummer
- Innereien
- Kohlgemüse (Blumen-, China-, Grün-, Rosenkohl)
- Lauch
- Linsen
- Lakritz
- Makrele
- Mais und Maisprodukte (Polenta, Popcorn, Cornflakes, Tortilla, Maizena, Mondamin)
- Nüsse (Erd-, Hasel-, Walnüsse)
- Ölsamen (Mohn, Sesam, Sonnenblumenkerne)
- Pellkartoffeln
- Pilze
- säurehaltige Lebensmittel
- Schokolade und Schokoladenprodukte
- Soja und Sojaprodukte (Tofu, Sojafleisch, Sojamilch)
- Spargel
- Tee
- Thunfisch
- Vollkornprodukte
- Zander
Die Zufuhr von Nickel über die Lunge durch Belastungen der Außen- und Innenraumluft sind in der Regel vernachlässigbar gering. Nur das Rauchen leistet einen bedeutsamen Beitrag zur inhalativen Nickelzufuhr. So wird angenommen, dass über das Rauchen einer Packung Zigaretten zusätzlich 4 µg Nickel pro Person zugeführt werden. Der Hauptanteil des aufgenommenen Nickels wird über den Kot und über den Schweiß, geringe Mengen auch über den Harn ausgeschieden.
Gesundheitliche Bedeutung
Nickelverbindungen mit Ausnahme von metallischem Nickel sind als krebserzeugend für den Menschen eingestuft. Nickel ist zudem das häufigste Kontaktallergen. Nach einer vorausgegangenen Sensibilisierungsphase gegen Nickel, in der das Immunsystem Kontakt mit dem Nickel hat und stimuliert wird, kann sich eine Nickelallergie in Form einer allergischen Kontaktdermatitis entwickeln. Sie zeigt sich zunächst durch Entzündungen, Rötungen, Schwellungen zum Beispiel an Fingern, Händen, Augenlidern. In deren Folge können sich Ekzeme an den Ellbogen und großflächig am ganzen Körper ausbilden.
Das Bildmaterial wurde dem LGL mit freundlicher Genehmigung von der Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie am Biederstein der TU München zur Verfügung gestellt.
Nickelsensibilisierung bei Frauen und Männern
Junge Frauen sind häufiger von einer Nickelallergie betroffen als junge Männer (Grafik 1). Bei älteren Patientinnen sind die Sensibilisierungsraten ebenfalls niedriger (bei 45- bis 58- jährigen Patientinnen 17,5%, bei einem Alter über 58 Jahre: 7,5%.).
Die Auswertungen der zeitlichen Verläufe bei Patienten in dermatologischen Kliniken im Zeitraum von 1992 bis 2001 ergaben zwar, dass bei jungen Frauen unter 31 Jahren die Sensibilisierungshäufigkeiten zurückgegangen sind, doch sie betrugen im Jahr 2001 immer noch 25,8%. Der Rückgang wird auf die Einführung staatlicher Maßnahmen in Deutschland zurückgeführt. So gibt es für Bedarfsgegenstände, die nicht nur vorübergehend Körperkontakt haben, wie z. B. Ohrringe, Uhrenarmbänder aus Metall, Piercings nach Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetz einen Grenzwert.
Als Hauptursachen der Sensibilisierung werden derzeit bei jungen Frauen und Männern das Ohrlochstechen, "Body Piercing" und das Tragen von Modeschmuck betrachtet. Dagegen werden als mögliche Ursachen, die das Ekzem auslösen und unterhalten können, alle vorher dargestellten Quellen diskutiert. Die allergologische Bedeutung der Nickelzufuhr über Lebensmittel wird für die Mehrheit der Nickelallergiker für gering gehalten. Die geringe Anzahl an Patienten, deren Ekzem durch die Nickelzufuhr über die Nahrung unterhalten wird, muss eine spezielle Diät an nickelarmen Lebensmitteln halten.
Untersuchungen zur Belastung des Menschen
Die Konzentrationen im Urin werden zur Charakterisierung der Belastung des Menschen benutzt. Allerdings liegen keine repräsentativen Untersuchungen über die Belastung der Normalbevölkerung vor. Denn in Deutschland wurde in keinem der bisher durchgeführten Umwelt-Surveys Nickel im Urin bei einer größeren Bevölkerungsgruppe bestimmt. Auch in den USA wurde Nickel bisher nicht in einer repräsentativen Bevölkerungsstichprobe wie dem National Health and Nutrition Examination Survey berücksichtigt. Dies ist vor dem Hintergrund der analytischen Schwierigkeiten beim Nachweis von geringen Nickelmengen im Urin nicht verwunderlich. Denn in einer Querschnittsuntersuchung aus den 90er Jahren aus Bremen, bei der zwar ein Kollektiv ca. 500 Frauen und Männern mit einem Durchschnittsalter von ca. 61 Jahren auf die Schwermetallbelastungen untersucht wurden, waren bei 610 Urinuntersuchungen die Messwerte bei 22,5% unter der Nachweisgrenze von 0,4 µg Nickel/l Urin. In folgender Tabelle und Abbildung sind die Ergebnisse der Untersuchung zusammengefasst und mit dem derzeit gültigen Referenzwert, der von der von der Human-Biomonitoring-Kommission des Umweltbundesamtes unter Berücksichtigung von Literaturdaten festgelegt wurde, verglichen.
Tabelle 2: Nickelgehalte im Urin [ μg/g Kreatinin] (modifiziert nach [Jöckel 1996])
Männer
| Anzahl Probanden | %-Anteil unter NG | P 50 | P 95 | Maximum | Referenzwert | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Männer | 429 | 23,1 | 0,79 | 3,12 | 10,10 | - |
| < 50 Jahre | 43 | 14,0 | 0,82 | 2,57 | 3,75 | - |
| 50-60 Jahre | 134 | 24,6 | 0,73 | 2,68 | 7,04 | 3 |
| > 70 Jahre | 71 | 25,4 | 1,01 | 4,24 | 10,10 | - |
Frauen
| Anzahl Probanden | %-Anteil unter NG | P 50 | P 95 | Maximum | Referenzwert | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Frauen | 164 | 18,9 | 1,31 | 4,88 | 10,45 | 3 |
| < 50 Jahre | 30 | 13,3 | 1,33 | 3,2 | 3,5 | - |
| 50-60 Jahre | 45 | 13,3 | 1,3 | 3,93 | 6,3 | - |
| > 70 Jahre | 35 | 22,9 | 1,75 | 6,97 | 8,08 | - |
- NG: Nachweisgrenze
- P 50: 50 Perzentile des Bremerkollektivs
- P 95: 95 Perzentile des Bremer Kollektivs
- Referenzwert: 95 Perzentile bei Berücksichtigung der Untersuchungsergebnisse aus mehreren Untersuchungen
Grafik 2: 95%-Werte der Nickelgehalte im Urin in Bremer Kollektiv (modifiziert nach [Jöckel 1996])
In den Ergebnissen deuten sich die wissenschaftlich diskutierten alters- und geschlechtsabhängigen Unterschiede an. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass 2,6mal mehr Männer als Frauen untersucht wurden. Auch die Schwankungsbreite der Untersuchungsergebnisse gibt die Tabelle wieder. Diese Schwankungen der Einzelwerte innerhalb der untersuchten Kollektive werden im Zusammenhang mit vielen Einflussfaktoren wie z. B. pharmakinetische Einflüssen bei der Aufnahme und Ausscheidung von Nickelverbindungen, Medikamenteneinnahme und unterschiedlichen Expositionsquellen diskutiert. Bei Patienten mit Nickelallergie wird zudem eine erhöhte Nickelausscheidung kontrovers diskutiert. Nicht einmal der Einfluss des "Lifestyle"-Faktors Rauchen auf die Uringehalte ist bei Gesunden und Patienten mit Nickelallergie bisher durch Untersuchungen ausreichend gesichert.
Zur Klärung einiger der offenen Fragen führt das LGL zusammen mit der Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie der TU München ein Projekt durch.
Weiterführende Literatur
- Andreassi, M., Di Gacchino, M., Sabbioni, E., Masci, S., Amerio, P., Bavazzano, P., Boscolo, P. Serum und urine nickel in nickel-sensitizied women: effects of oral challenge with the metal. Contact Dermatitis 38 (1998): 5-8
- Anke, M., Trüpschuch, A., Dorn, W., Seifert, M., Pilz, K., Vormann, J., Schäfer, U.: Intake of nickel in Germany: risk or normality. J Trace and Microprobe Techniques 18(4) (2000), 549-556
- Boscolo, P., Di Gioacchino, M.D., Conti, P., Barbacane, R.C., Andreassi, M., Giacomo, F.D., Sabbioni, E:. Expression of Lymphocycte Subpopulations, Cytokine Serum Levels and Blood and Urine Trace Elements in Nickel Sensitised Women. Life Sciences 63(16), (1998): 1417-1422
- Boscolo, P, Andreassi, M., Sabbioni, E., reale, M., Conti, P., Amerio, P., Di Gacchino, M. Systemic Effects of Ingested Nickel On the Immune System of Nickel Sensitised Women. Life Sciences 64(17) (2000), 1485-1491
- Christensen, J.M., Kristiansen, J., Nielsen, N.H., Menné, T., Byrialsen, K.: Nickel concentrations in serum and urine of patients with nickel eczema. Toxicol Lett 108 (1999), 185-189
- EC-Contract : Contract No. ETD/FIF.2001592 Risk of sensitisation of humans to nickel by piercing post assemblies. Final Report. Submitted by LGL Limidet Queen`s Road Teddington, Middlesex, Great Britain. ETD/FIF.2001592 (2003). 1-68
- Hindsén, M., Christensen, O.B., Möller, H. Nickel levels in Serum and Urine in Five Different Groups of Eczema Patients of Following Oral Ingestion of Nickel. Acta Derm Venerol 74, (1994), 176-178
- Jensen, C.S., Menné, T., Slisby, S., Kristiansen, J., Veien, N.K.: Experimental systemic contact dermatitis from nickel: a dose-response study. Contact Dermatitis 49, (2003), 124-32
- Jöckel, K.H.; Ahrens, W.: Integrieter Ansatz zum Risikomonitoring auf der Basis eines hybriden Populationspanels. Abschlussbericht. Persönl. Mitteilung (1996), 1-270
- Kalimo, K., Lammintausta, K., Mäki, J., Teuho, J., Jansen, C.T.: Nickel penetration in allergic individuals: bioavailability versus X-ray micoanalysis detection. Contact Dermatitis 12 (1985)255-257
- Lacy, S.A., Merrit, K., Brown, S.A., Puryear, A.: Distrubution of nickel and cobalt following dermal and systemic administration with in vitro and in vivo studies. Journal of Biomedical Materials Research 32 (1996), 279-283
- Liden, C.; Norberg, K. (2005): Nickel on the Swedish market. Follow-up after implementation of the Nickel Directive. Contact Dermatitis 52 (2005), 29-35
- Linneberg, A., Nielsen, N.H., Menné, T., Flemming, M., Jørgensen, T.: Smoking might be a risk factor for contact allergy. J Alergy Clin Immumol 111 (2003), 980-984
- Merzenich, H., Hartwig, A., Ahrens, W., Beyersmann, D., Schlepegrell, R., Scholze, M., Timm, J., Jöckel, K.H: Biomonitoring on Carcionogenic Metals and Oxidative DNA Damage in a Cross-Sectional Study. Cancer Epidemiology, Biomarkers & Prevention 10. (2001), 515-522
- Oruambo, I.F. Urinary Excretion of Nickel After Dermal Application of Nigerian Light Crude Oil. J Environ Pathol Toxicol Oncol 23, (2004,: 303-306
- Øyvind, O.J., Evert, N., Natalya, R., Yngvar, R: Elements in Placenta And Pregnancy Outcome In Arctic And Subarctic Areas. International Journal of Circumpolar Health 63 (2) (2004), 169-187
- Rustemeyer, T., von Blomberg, B.M.E., van Hoogstraten, I.M.W., Bruynzeel, D.P., Scheper, R.J.): Analysis of effector and regulatory immune reacitivity to nickel. Clin Exp Allergy 34 (2004), 1458-1466
- Schnuch, A., Aberer, W., Agathos, M., Brasch, J., Frosch, P.J., Fuchs, Th., Richter, G.: Leitlinien der Deutschen Dermatologischen Gesellschaft (DDG) zur Durchführung des Epikutantests mit Kontaktallergien. Hautarzt 10(1) (2001), 864-866
- Schnuch, A., Geier, J., Uter, W.: Rückgang der Nickelkontaktallergie in den letzten Jahren. Eine Folge der "Nickel-Verordnung ", Hautarzt 54(7) (2003), 626-632
- Smith-Sivertsen, T., Tchachtchine, V.., Lund, E., Bykov, V., Thomassen, Y., Norseth, T.: Urinary Nickel Excretion in Populations Living in the Proximity of Two Russian Nickel
- Refineries: A Norwegian-Russian Population-based Study. Environ Health Perspectives. 106(8) (1998), 503-510
- Stojanovic, D., Nikic, D., Lazarevic, K.: The Level Of Nickel In Smoker`s Blood And Urine. Cent Eur J Publ Health 12(4) (2004), 187-189
- Sundermann F.W., Aitio, A., Morgan, L.G., Norseth, T.. Biological Monitoring of Nickel. Toxicol Industrial Health 2(1) (1986), 17-78
- Torjussen, W., Zachariasen, H., Andersen, I.: Cigarette smoking and nickel exposure. J Environ Monitor 5 (2003),198-201
- Umweltbundesamt (UBA): Bekanntmachung des Umweltbundesamtes. Nickel. Bundesgesundhbl-Gesundheitsforsch-Gesundheitsschutz 44, (2001), 1243-1248
- UBA Abschlussbericht des IVDK: Untersuchung zur Verbreitung umweltbedingter Kontaktallergien mit Schwerpunkt im privaten Bereich, WaBoLu-Heft 01/04 (2004), 59-82
- Uter, W., Ludwig, A., Balda, B.R., Schnuch, A., Pfahlberg, A., Schäfer, T., Wichmann, H.E., Ring, J.: The prevalence of contact allergy differed between population-based and clinic-based data. J Clin Epidemiol 57 (2004), 627-632
- WHO/ICPS: Nickel. Environmental Health Criteria 108, Geneva (1991), 1-48