Mit der Menge an Feinstaub nehmen auch die Demenzfälle in einer Region zu. Neuere Untersuchungen zeigen, wie die Partikel von Lunge und Nase zum Gehirn gelangen und dort Schäden anrichten können.

Mein erster Tag in Mexiko-Stadt war hart. Der Smog war so dicht, dass ich beim Treppensteigen nach Luft schnappte. Mit Kopfschmerzen hatte ich gerechnet; die Stadt liegt auf einem Plateau 2250 Meter über dem Meeresspiegel, und der Sauerstoffgehalt der Luft ist dementsprechend geringer als an der Küste. Ich war jedoch überrascht, wie sehr die schadstoffbelastete Luft in meinen Augen und meiner Lunge brannte.

1992 erklärten die Vereinten Nationen Mexiko-Stadt zur am stärksten verschmutzten Metropole der Welt. Seither hat ihre Verwaltung viel unternommen, um die Situation zu verbessern. Mit einigen Erfolgen: Die Stadt ist zu Recht stolz auf ihre kilometerlangen Radwege und üppigen Parks. Ein Blick auf den verwischten Horizont offenbart jedoch, dass die Anstrengungen noch nicht ausreichen. An den meisten Tagen weist die Luft weit mehr Rußpartikel auf, als von der Weltgesundheitsorganisation festgelegte Grenzwerte empfehlen. Dazu kommen erhöhte Mengen anderer Schadstoffe. Mehr als 9,6 Millionen Fahrzeuge und schätzungsweise 50 000 Fabrikschlote pusten ihre Abgase ins Stadtgebiet. Diese hüllen die Metropole in ein giftiges Gebräu, das Lungen und Herzen schädigt. Viele Wissenschaftler sind sich mittlerweile einig, dass die Verschmutzung sogar das Nervensystem beeinträchtigt.

Eine 2018 veröffentlichte Untersuchung fand im Gehirn von Bewohnern der Stadt für Alzheimer charakteristische Zerstörungen. Die Probanden waren allesamt jünger als 40 Jahre. Normalerweise zeigen sich erste Anzeichen der Erkrankung erst in wesentlich höherem Alter. Mexiko-Stadt nimmt hier keine Sonderstellung ein: Vor einigen Jahren veröffentlichte ein Team an der Harvard University seine Analyse der Daten von zehn Millionen US-amerikanischen Medicare-Empfängern über 65, die in 50 unterschiedlichen Städten im Nordosten der USA lebten. Die Wissenschaftler hatten einen starken Zusammenhang zwischen bestimmten Luftschadstoffen und der Häufigkeit von mehreren neurodegenerativen Erkrankungen entdeckt, darunter Alzheimer.Weitere Untersuchungen lieferten ähnliche Ergebnisse. »Der Einfluss der Luftverschmutzung entwickelt sich zu einem der heißesten Gebiete in der Alzheimerforschung«, erklärt George Perry, Neurobiologe an der University of Texas in San Antonio und Chefredakteur des »Journal of Alzheimer’s Disease«. Viele Experten haben erkannt, dass Luftverschmutzung zur Krankheitsentstehung beitragen kann, so Perry. Der Toxikologe Masashi Kitazawa von der University of California in Irvine bestätigt diese Einschätzung. »In der Alzheimerforschung spielt die Wirkung von Genen eine große Rolle, und lange wollte fast niemand darüber hinausblicken«, sagt er. »In den letzten drei oder vier Jahren ist die Zahl der Arbeiten, die Luftverschmutzung und kognitive Einbußen in Verbindung bringen, jedoch geradezu explodiert.« Bei der häufigsten Form der Alzheimerkrankheit, die erst spät beginnt, könnten Lebensstil und schädliche Umwelteinflüsse 40 bis 65 Prozent des Erkrankungsrisikos bedingen. Luftverschmutzung ist dabei einer der Hauptfaktoren.

Feinstaubbelastetes Gehirn

Besonders bedenklich sind Daten zu schwebenden, mit Giftstoffen gefüllten Tröpfchen oder Festkörperpartikeln mit einem Durchmesser von etwa dem Dreißigstel eines menschlichen Haares. Dieser Feinstaub (wegen seiner spezifischen Größe auch als PM_2,5 bezeichnet) entsteht typischerweise beim Verbrennen von Öl, Gas, Kohle und Holz. Vor allem Autos, Lastwagen und Kraftwerke stoßen ihn aus. Mit jedem Atemzug gelangen die Partikel tief in die Lunge und von dort aus ins Blut. PM_2,5 hat auf diese Weise verheerende Auswirkungen auf die Atemwege und das Herz-Kreislauf-System des Menschen. Krebs, Herzinfarkte, Schlaganfälle und vorzeitige Todesfälle nehmen mit der Schadstoffbelastung zu.

»Der Einfluss der Luftverschmutzung entwickelt sich zu einem der heißesten Gebiete in der Alzheimerforschung« George Perry

Früher glaubte man, das Gehirn sei vor einem solchen Angriff geschützt. Es verfügt schließlich über die Blut-Hirn-Schranke, eine Schicht dicht gepackter Zellen, die Blutgefäße des Gehirns auskleidet. Die Barriere hindert toxische Substanzen daran, aus dem Blut in das Hirngewebe zu sickern. Leider gibt es überzeugende Belege dafür, dass PM_2,5 nichtsdestoweniger ins Gehirn gelangen kann, und zwar auf gleich zwei Wegen: Erstens können die Partikel die Blut-Hirn-Schranke verändern, um sie für Schadstoffe durchlässiger zu machen. Zweitens können sie die Schranke vollständig umgehen, indem sie über die Nase in den Riechnerv eindringen und von hier aus in den Riechkolben wandern. Das Gehirn ist, wie sich herausgestellt hat, nicht besser vor den unerbittlichen Angriffen der Luftverschmutzung geschützt als andere Organe.

Frühe Anzeichen für Alzheimer sogar bei Babys und Kleinkindern

Viele der neueren Arbeiten, die Zusammenhänge zwischen schlechter Luftqualität und Hirnerkrankungen sehen, bauen auf den Forschungen von Lilian Calderón-Garcidueñas auf. Die Neuropathologin von der University of Montana wurde unweit von Mexiko-Stadt geboren und wuchs nahe der Metropole auf. Seit Jahrzehnten untersucht sie die gesundheitlichen Auswirkungen der Schadstoffbelastung in der Region. Anfang der 2000er Jahre sezierte sie 32 Hunde, die im Südwesten von Mexiko-Stadt gelebt hatten. In deren Gehirn fand sie Anzeichen für degenerative Prozesse.

Diese Entdeckung veranlasste sie dazu, Menschen zu untersuchen, die in ähnlichen Stadtvierteln gelebt hatten. Was sie sah – Ablagerungen wie bei Alzheimerpatienten im Gehirn von Babys und Kleinkindern –, alarmierte sie. Die Belastung durch Luftverschmutzung, schrieb sie 2008, solle als Risikofaktor für Alzheimer angesehen werden. Das gelte insbesondere für Menschen, die auf Grund ihrer Erbanlagen anfälliger für die Krankheit sind.

Jüngere Studien untermauern die Schlussfolgerungen von Calderón-Garcidueñas. Jennifer Weuve, außerordentliche Professorin an der Boston University School of Public Health, leitete eine der ersten USA-weiten Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und neurologischen Erkrankungen. Die Ergebnisse veröffentlichten sie und ihr Team 2012. »Wir hatten zwei Hinweise auf die Verbindung zwischen dem alternden Gehirn und der Luftverschmutzung«, erklärt sie. Der erste war die Auswirkung auf das Herz-Kreislauf-System: eine zunehmende Anzahl an Herzinfarkten und Schlaganfällen. »Das Gehirn ist auf eine funktionierende Blutzirkulation angewiesen. Deshalb gab das natürlich Anlass zur Sorge, das Gehirn könnte ebenfalls betroffen sein.«

Der zweite Hinweis war subtiler. Toxikologen führten mehrere gut kontrollierte Studien an Tieren durch, die Luft mit einem hohen Anteil an Schwebstaub ausgesetzt wurden. Tatsächlich gelangten dabei Teilchen ins Gehirn. »Einige dieser Partikel enthielten bekannte Neurotoxine wie Mangan. Wir wussten, das kann nicht gut sein«, so Weuve.

Inzwischen bestätigen Daten aus weiteren epidemiologischen Untersuchungen, dass der Feinstaub einen Risikofaktor darstellt. Für eine 2018 veröffentlichte Studie hatten Forscher die Gesundheit von rund 131 000 Londonern im Alter von 50 bis 79 Jahren über acht Jahre überwacht. Bei jenen, die der schlimmsten Luftverschmutzung ausgesetzt waren, zählten sie die meisten Demenzfälle. Besonders stark war der Zusammenhang zwischen Alzheimer und PM_2,5-Partikeln. Eine Untersuchung mit fast 100 000 Personen in Taiwan kam zu ähnlichen Ergebnissen. Wissenschaftler der University of Toronto analysierten Daten von 6,6 Millionen Menschen in der kanadischen Provinz Ontario. Personen, die in einem Umkreis von 50 Metern um eine Hauptverkehrsstraße wohnten, hatten ein zwölf Prozent höheres Demenzrisiko als jene, die mehr als 200 Meter entfernt wohnten.

Alles Zufall?

Derartige Studien haben ihre Grenzen. Sie zeigen zwar auf, wenn zwei Faktoren – in diesem Fall Luftverschmutzung und Morbus Alzheimer – vermehrt gemeinsam auftreten. Sie können aber nicht belegen, ob und wie sie zusammenhängen. Dafür braucht es Untersuchungen, bei denen Organismen gezielt einem vermuteten Risikofaktor ausgesetzt werden. Es wäre allerdings unethisch, Menschen zu bitten, sich wissentlich über Monate oder Jahre hinweg verschmutzter Luft auszusetzen. Doch nur mit Daten aus solchen kontrollierten Experimenten können Forscher feststellen, ob die Luftverschmutzung die Bewohner einer Region für Alzheimer anfälliger machen oder ob den gehäuften Krankheitsfällen andere Faktoren zu Grunde liegen.

»In einer perfekten Welt würde jeder einen Luftverschmutzungsmonitor tragen, so dass wir in Echtzeit Daten über seine Schadstoffbelastung erhalten könnten« Jennifer Weuve

»In einer perfekten Welt würde jeder einen Luftverschmutzungsmonitor tragen, so dass wir in Echtzeit Daten über seine Schadstoffbelastung erhalten könnten«, sagt Weuve. »Wir leben aber nicht in einer perfekten Welt.« Deshalb arbeitet ihr Team mit Experten, die Modelle erstellen, um die Belastung in einer Region abzuschätzen. Das reicht allerdings nicht aus: Bei Alzheimer zählt die chronische, langfristige Einwirkung. »Wir verfügen noch nicht einmal über ein weltweites Register von Alzheimerpatienten, geschweige denn über genügend Ressourcen, um Menschen viele Jahre lang zu beobachten, bevor sie die Krankheit entwickeln.« In einigen Regionen der Welt ist die Luftverschmutzung so schlimm, dass Menschen an Herzkrankheiten sterben, bevor sie jemals Symptome einer spät einsetzenden Alzheimerkrankheit zeigen können.

Um den Zusammenhang genauer zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler Tiermodelle. Mit ihrer Hilfe spüren sie auch biologischen Mechanismen nach, die den kognitiven Abbau bewirken könnten. Im Jahr 2015 pumpte ein Team um den Neurobiologen Colin Combs von der University of North Dakota verschmutzte Luft in Käfige mit genetisch identischen Mäusen. Die Forscher variierten dabei die Schadstoffkonzentration und die Dauer der Behandlung. Je höher die Belastung, desto mehr Schäden beobachteten sie bei den Tieren. »Unsere Daten stützen die Theorie, dass eine langfristige Belastung durch luftgetragene Feinstaubpartikel das Gehirn verändert und die Entwicklung einer frühen alzheimerähnlichen Pathologie fördert«, erläutert Combs. 2018 berichteten Wissenschaftler des Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles, Schwermetalle aus verschmutzter Luft würden nach nur wenigen Monaten in das Gehirn von Ratten eindringen. Die Stoffe aktivieren dort offenbar Gene, die neurodegenerative Prozesse und Krebs begünstigen.

Umweltverschmutzung schädigt Blutgefäße und erhöht so das Risiko für Alzheimer sowie andere Formen von Demenz. In der DNA vieler Menschen mit spät einsetzender Alzheimerkrankheit finden sich Genvarianten, die sie anfälliger für die Erkrankung machen. Luftverschmutzung könnte mit manchen von ihnen zusammenwirken und so eine Krankheitsentstehung begünstigen, erläutert die klinische Psychologin Margaret Gatz von der University of Southern California. Das Gehirn von Betroffenen würde dann schneller altern, und mehr ihrer Neurone würden absterben. »Es gibt Hinweise darauf, dass vaskuläre Risikofaktoren für Menschen mit der APOE₄-Gen-Variante gefährlicher sind«, erklärt sie. »Viele Untersuchungen haben sich jedoch auf das genetische Risiko der Krankheit konzentriert und die Lebensstil- und Umweltkomponente praktisch ignoriert.

«Das, was giftige Substanzen aus Feinstaub im Gehirn anrichten, deckt sich gut mit den Vorstellungen darüber, wie sich alzheimerbedingte Schäden entwickeln. Wie die Neurotoxikologin Deborah Cory-Slechta vom University of Rochester Medical Center erklärt, regen die Stoffe sowohl bei Tieren als auch bei Menschen Immunzellen im Gehirn, so genannte Mikroglia, dazu an, Zytokine freizusetzen. Diese Signalmoleküle helfen dabei, die Immunabwehr und Entzündungen zu steuern. Unter normalen Umständen schützt das unser Gehirn gegen Eindringlinge von außen.

Eine länger andauernde Belastung durch verschmutzte Luft kann zu einer Überproduktion von entzündungsfördernden Zytokinen und damit zu einer chronischen Entzündung führen, in deren Folge Nervenzellen absterben. »Ultrafeinstaub scheint der wichtigste Faktor in diesem Prozess zu sein«, merkt Cory-Slechta an.

Es sei allerdings schwierig, zu bestimmen, welche Bestandteile der Partikel die Probleme bedingen. »Zum einen haben wir nur sehr wenige historische Daten darüber«, erklärt die Forscherin. Das erschwere es, die relative Konzentration der Schadstoffe in der Umwelt zu beurteilen. Zum anderen enthalten sie viele Komponenten, die sich kaum getrennt testen lassen. Feinstaub in Abgasen umfasst Hunderte von Substanzen, von Giftstoffen wie Schwefeldioxid und Stickoxiden bis hin zu lungengängigen Partikeln aus dem Abrieb von Bremsen, Reifen und Kupplungen von Kraftfahrzeugen.

Laut Cory-Slechta neigen die Luftschadstoffe dazu, sich über viele Jahre hinweg im Gehirn anzusammeln. Was genau über die Lunge dorthin gelangt, sei noch nicht vollständig geklärt. Zudem sei fraglich, ab wann die Substanzen Probleme verursachen. »Eisen, Zink, Kupfer und andere Metalle werden vom Gehirn benötigt, jedoch nur in bestimmten Mengen«, erläutert sie. »Zu viel Eisen löst oxidativen Stress aus, der zu Neurodegeneration führen kann. Einige Schadstoffe wie Aluminium spielen keine wesentliche Rolle im Gehirn, neigen aber dazu, sich dort anzusammeln und eine Entzündungsreaktion hervorzurufen.« Nicht bloß Metalle sind problematisch. Auch organische Schadstoffe könnten an neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sein, so die Neurotoxikologin.

Von der Kläranlage ins Nervensystem

Dazu zählen zum Beispiel Lipopolysaccharide. Ursprünglich stammen sie von Bakterien. Aus Abfallbehandlungsanlagen und weiteren Quellen verteilen sie sich in der Umgebungsluft. Sie können sich an winzige Partikel anlagern und beim Einatmen eine Entzündungsreaktion in der Lunge hervorrufen. In Tierversuchen wiesen Wissenschaftler nach, dass Lipopolysaccharide und andere organische Stoffe mitunter ins Gehirn gelangen und dort Entzündungen und in der Folge Neurodegeneration auslösen.

Jiu-Chiuan Chen, ein Arzt und Epidemiologe an der University of Southern California, hat sich auf die Untersuchung von Luftschadstoffen im Gehirn spezialisiert. Obwohl noch strittig sei, wie die einzelnen Bestandteile wirken, trage die Mischung eindeutig zu Hirnschäden und kognitiven Problemen bei, erklärt er. Chen war Mitautor einer 2019 veröffentlichten Studie, die einen Zusammenhang zwischen der Feinstaubbelastung, strukturellen Veränderungen im Gehirn und Gedächtnisverlust bei älteren Frauen beschrieb. Er und seine Mitarbeiter analysierten Daten aus bildgebenden Verfahren und kognitiven Tests mit einem mathematischen Modell, das aus zwei verschiedenen Quellen Werte über die Luftqualität im Lebensumfeld der Probandinnen miteinbezog.

Schwächelndes Langzeitgedächtnis

»Wir fanden heraus, dass das episodische Gedächtnis bei Frauen mit der höchsten Schadstoffbelastung früher nachließ«, erläutert er. Diese Art des Langzeitgedächtnisses erlaubt es Menschen, sich ein vergangenes Erlebnis wachzurufen – inklusive wo und wann es sich ereignete und welche Emotionen der Moment auslöste. Die Einbußen, die Chen bei den Frauen beobachtete, zeigten sich noch vor den Symptomen der Alzheimerkrankheit. Zudem waren die Effekte nicht vom Zustand des Herz-Kreislauf-Systems der Probandinnen abhängig. Menschen mit schwächelndem episodischem Gedächtnis haben erwiesenermaßen ein stark erhöhtes Risiko, an Alzheimer zu erkranken.

»Es gibt mehr als zehn Studien, die eine hohe Schadstoffbelastung im späteren Leben und Demenz miteinander in Verbindung bringen«, sagt Chen. »Die Belege sind ziemlich überzeugend.« Ob die Belastung in jungen Jahren ebenfalls ein Faktor ist, sei dagegen weniger klar. »Toxikologen führen bereits Versuche an jungen Tieren durch, und sie sehen krankhafte Veränderungen. Es scheint, als könnten kleine Partikel den Prozess der Plaquebildung beschleunigen. Noch sind wir aber nicht sicher, ob dies auch beim Menschen geschieht.« Er fügt hinzu, dass es eine genetische Komponente geben könnte – der ein oder andere ist vielleicht deshalb anfälliger für die Auswirkungen von Umweltverschmutzung als andere. Möglicherweise existiert eine Untergruppe von Personen, die ein sehr hohes Risiko haben. »Unsere aktuellen Studien sind noch nicht umfangreich genug, um diese Frage zu beantworten.«

Manche sehen in den bisherigen Erkenntnissen auch etwas Gutes: Sie bieten eine Möglichkeit, Maßnahmen zu ergreifen, um das Erkrankungsrisiko vieler Menschen zu verringern. Die Epidemiologin Melinda Power von der George Washington University untersucht veränderliche Risikofaktoren für kognitiven Verfall und Demenz. »Im Moment sieht es so aus, als sei Prävention durch die Veränderung von Umwelt- und Lebensstilfaktoren unsere beste Chance«, sagt sie, »und die Belastung durch Luftverschmutzung scheint besonders wichtig zu sein.«

Die Daten seien ein starkes Argument für strengere Kontrollen der Luftqualität, ergänzt die Epidemiologin Kelly Bakulski von der University of Michigan. »Im Gegensatz zu unseren Genen können wir Umweltfaktoren beeinflussen. Entfernen wir die Schadstoffe aus unserem Umfeld, wird das keine schädlichen, sondern vielmehr viele positive Auswirkungen haben«, erläutert sie.

Veränderungen in der Lebensweise helfen ebenso, das Krankheitsrisiko zu senken. »Körperliche Betätigung verringert nachweislich das Alzheimerrisiko«, erklärt Margaret Gatz. Bewegung wirkt, indem sie die Durchblutung des Gehirns verbessert. Zudem steigert sie die Produktion eines Proteins namens BDNF, welches das Wachstum und den Erhalt von Gehirnzellen fördert. Man weiß um die Verwüstungen, die die Erkrankung anrichtet. Deshalb ist es an der Zeit, solche präventiven Maßnahmen zu ergreifen. »Wir haben die Mittel dazu«, sagt Bakulski, »und angesichts des Risikos müssen wir sie nutzen.«

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