Essentielle Spurenelemente und toxische Metallverbindungen: Funktionen, Wirkmechanismen, Risikobewertung

Metallverbindungen sind ubiquitär in der Erdkruste vorhanden und unverzichtbar für viele technische Anwendungen. Auch Spurenelemente sind in biologischen Systemen essentiell. Allerdings sind einige Metallverbindungen toxisch und sogar krebserzeugend, und auch bei Spurenelementen kommt der zellulären Homöostase eine entscheidende Rolle zu. Ein wichtiger Aspekt ist die Rolle von Metallionen bei der Aufrechterhaltung der Stabilität des Genoms. Während Spurenelemente beispielsweise als Bestandteile von Zink‐bindenden Domänen entscheidend zum korrekten Ablauf von DNA‐Reparaturprozessen und Tumorsuppressorfunktionen beitragen, sind es genau diese Strukturen, die besonders empfindliche Angriffspunkte für toxische Metallionen darstellen können. Aber auch Spurenelemente können toxisch sein, wenn die bei ausgewogener Ernährung gut regulierten intrazellulären Gehalte beispielsweise durch zu hohe Aufnahmemengen oder durch nicht physiologische Aufnahmewege deutlich überschritten werden. Einen vielversprechenden Ansatz zur Aufklärung von Wirkungsmechanismen bietet eine kürzlich etablierte High‐Throughput‐RT qPCR‐Methode, die es ermöglicht, den Einfluss auf 95 ausgewählte Gene, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität spielen, in 96 Proben parallel zu untersuchen. Neben der Erstellung toxikologischer „Fingerprints“ ermöglicht dieses System die Betrachtung von Dosis‐Wirkungs‐Beziehungen, vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher Metallspezies sowie detaillierte mechanistische Analysen beispielsweise metallhaltiger Nanopartikel. Alle diese Aspekte sind wichtige Voraussetzungen für eine wissenschaftlich basierte Nutzen‐Risiko‐Bewertung. Metal compounds are ubiquitously distributed in the earth crust and indispensable for many technological applications. In addition, trace elements are essential for all biological systems. Nevertheless, several metal compounds are toxic and even carcinogenic, and in case of trace elements, a strict cellular homeostasis is highly required. One important aspect concerns the role of metal ions in maintaining genomic stability. Thus, for example, zinc‐binding structures in DNA processing proteins contribute greatly to the fidelity of DNA repair and tumor suppressor processes. On the other hand, exactly these structures appear to be very sensitive targets towards toxic metal ions. However, also trace elements may become toxic if cellular levels are highly exceeded due to elevated uptake levels and/or non‐p