Charakterisierung der endotoxinbedingten proinflammatorischen Aktivität von Bioaerosolen aus Tierställen

Abstract

Bioaerosole in Nutztierställen stellen ein komplexes Gemisch verschiedenster luftgetragener Stoffe organischer Herkunft dar, die beim Menschen und aufgestallten Tieren gesundheitliche Beeinträchtigungen vor allem aufgrund ihrer infektiösen, allergie- und entzündungsauslösenden Potenz hervorrufen können. Endotoxine als Zellwandbestandteil gramnegativer Bakterien stellen hierbei die bedeutendste proinflammatorisch aktiv wirkende Bioaerosolkomponente dar, deren entzündungsauslösendes Potential es in der vorliegenden Arbeit genauer zu charakterisieren galt. Ziel der Untersuchungen war zum einen die Differenzierung zwischen endotoxinbedingter und nicht- endotoxinbedingter proinflammatorischer Aktivität von Bioaerosolproben aus Tierställen und zum anderen die Untersuchung, wie die Endotoxine bzw. proinflammatorisch aktiven Substanzen in Abhängigkeit vom aerodynamischen Durchmesser der Staubpartikel verteilt sind. Hierzu wurde ein semiquantitativer humaner Vollbluttest angewendet, bei dem das proinflammatorische Potential der untersuchten Bioaerosolfraktionen (einatembarer Staub, PM10) mit und ohne Zusatz von Polymyxin B, einem potenten Endotoxininhibitor, mittels immunologischer Standardverfahren (ELISA) ermittelt wurde. Zum Vergleich wurde ein Limulus-Amöbozyten-Lysat (LAL)-Test zur Bestimmung der Endotoxinkonzentration in den Bioaerosolproben angewendet. Die Untersuchungen zeigten, dass durch den Zusatz von Polymyxin B die proinflammatorische Aktivität der Bioaerosolproben und potentieller Bioaerosolquellen, wie Kot, Futter und Einstreu, im Mittel um 85% reduziert wurde. Die Endotoxine stellen somit die sowohl qualtitativ als auch quantitativ bedeutendste proinflammatorisch aktive Bioaerosolkomponente dar. Eine signifikante Korrelation zwischen der endotoxischen Aktivität im LAL-Test und der gesamt-proinflammatorischen Aktivität im Vollbluttest (r=0,817, α=0,01) zeigte, dass der LAL-Test, obwohl er nur die Endotoxine erfasst, auch zur Charakterisierung des gesamt-proinflammatorischen Potentials von Bioaerosolproben aus Tierställen genutzt werden kann. Somit stellt der LAL- Test unter Berücksichtigung von Zeit-, Arbeits- und Materialaufwand zurzeit die schnellere und einfacher handhabbare Methode im Vergleich zum Vollbluttest dar, um die Belastung mit proinflammatorischen Stoffen in der Luft von Tierställen zu beschreiben. Wichtig für die Anwendung beider Testsysteme sind auf jeden Fall standardisierte Bedingungen, wie Sammelmethodik (definierte Messgeräte, Sammelzeit, Filtergröße etc.) und die Durchführung des Tests unter festgelegten, wiederholbaren Konditionen. Zwischen der Staub- und der Endotoxinkonzentration der Bioaerosolproben konnte ebenfalls ein Zusammenhang festgestellt werden (r=0,949, α=0,01). Das heißt, je höher die Staubkonzentration der untersuchten Proben war, umso höher war auch die jeweilige Endotoxinkonzentration. Die Endotoxine scheinen also in der Luft von Tierställen vorrangig an Partikel gebunden zu sein, was auch schon mehrfach in der Literatur bestätigt wurde. Bezüglich der Verteilung der proinflammatorischen bzw. endotoxischen Aktivität in Abhängigkeit vom aerodynamischen Durchmesser der Staubpartikel konnte festgestellt werden, dass die proinflammatorischen Substanzen bzw. die Endotoxine relativ gleichmäßig in beiden untersuchten Staubfraktionen (einatembare Staubfraktion, PM10-Staubfraktion) verteilt waren. In zukünftigen Untersuchungen sollte geklärt werden, wie sich die Verteilung der Endotoxine in weiteren Staubfraktionen aus Tierställen, wie PM2.5 und PM1.0 darstellt. Eine Untersuchung potentieller Bioaerosolquellen, wie Kot, Futter und Einstreu, zeigte, dass der Kot der Tiere nachweislich eine der stärksten Quellen für luftgetragene Endotoxine darstellt. So dürften vor allem Maßnahmen, die eine Aerosolbildung aus kothaltigen Substanzen in Tierställen reduzieren, wie Überspülen des Kotstapels oder Kotbandes mit dem Abluftstrom, weiterhin Maßnahmen zur Staubbindung in der Stallluft (z.B. mit Wasser- oder Ölsprühsystemen) und eine optimierte Lüftungskontrolle einen effektiven Beitrag zur Verbesserung der Stallluftqualität liefern.

Bioaerosols in animal stables represent a complex mixture of diverse airborne materials of organic origin, which can cause health impairments to humans and animals in stables due to their infectious, allergy and inflammation triggering potency. In this case endotoxins as a cell wall component of gramnegative bacteria represent the most important proinflammatoric actively working component of bioaerosols, which was to be characterized in this thesis more precisely. Aim of this study was on the one hand the differentiation between endotoxic and non-endotoxic proinflammatoric activity of bioaerosol samples from animal stables and on the other hand the analysis how the endotoxic and proinflammatoric active substances are distributed depending on the aerodynamic diameter of the dust particles. For this a semiquantitative human whole blood test was used with which the proinflammatoric potential of the analysed bioaerosol particles (inhalable dust, PM10-dust) was identified by immunological standard techniques (ELISA). The samples in the whole blood assay were tested with and without addition of Polymyxin B, a potent endotoxin inhibitor. For comparison a Limulus-Amoebocyte-Lysate (LAL)-test was used to determine the concentration of endotoxins in the bioaerosol samples. The investigations showed that by addition of Polymyxin B the proinflammatoric activity of the bioaerosol samples and potential sources of bioaerosol origins, like excrement, feed and litter, was reduced by 85% on the average. Endotoxins consequently represent the qualitative as well as quantitative most important proinflammatoric active bioaerosol component. A significant correlation between the endotoxic activity in the LAL-test and the total proinflammatoric activity in the whole blood test (r=0,817, α=0,01) proved that the LAL-test, although it only records endotoxins, can also be used for the characterization of the total proinflammatoric potential of bioaerosol samples from animal stables. Thus the LAL-test in consideration of time, work and material expenditure represents the faster and simpler method in comparison to the whole blood test at the moment to describe the amount of proinflammatoric substances in the air of animal stables. For the application of both test systems standardized conditions, like collecting-method (defined measuring instruments, measuring time, filter size etc.) and the performance of the test under defined, repeatable conditions are most important. There also was found a relationship between the concentration of dust and endotoxin in the bioaerosol samples (r= 0,949, α= 0,01). That means, the higher the dust concentration of the analysed samples, the higher was the respective endotoxin concentration. Endotoxins seem to be mainly bound to particles in the air of animal stables, which was confirmed in literature for several times. Concerning the distribution of the proinflammatoric and endotoxic activity depending on the aerodynamic diameter of the dust particles it was established that the proinflammatoric substances and the endotoxins were constantly distributed in both tested dust fractions (inhalable dust, PM10 dust). It should be analysed in future experiments how the endotoxins are distributed in further dust fractions from animal stables, like PM2.5 and PM1.0. An investigation of potential bioaerosol sources, like excrement, feed and litter, suggest that the animal’s excrement represent one of the highest sources for airborne endotoxins. Measures for the reduction of emissions which reduce aerosol formation from excrement containing substances in animal stables, like flushing of the excrement pile or excrement belt with the exhaust air stream, further measures of binding dust in the stable air (for instance water- or oil spraying systems) and an optimized ventilation control provide an effective contribution for improvement of the air quality in animal stables.