Originalarbeiten: Chromverbindungen

Das Metall Chrom sowie die drei- und sechswertigen Verbindungen, sind von großer technischer Bedeutung. Es kann daher eine berufliche Gefährdung bei der Produktion, bei der Bearbeitung und bei der Weiterverarbeitung von Chrom und seinen Verbindungen bestehen. Im Gegensatz zu den mindertoxischen dreiwertigen Chromverbindungen sind die sechswertigen Chromverbindungen starke Oxidationsmittel, die neben einer direkten Gewebeschädigung (= akute Toxizität) auch ein cancerogenes, mutagenes und teratogenes Potential besitzen (= chronische Toxizität). Das wichtigste Zielorgan bei oraler und/oder dermaler Aufnahme von sechswertigen Chromverbindungen ist die Niere: Tubulusnekrosen sind bei akuter Toxifikation die Folge.
In dieser Arbeit wird - exemplarisch anhand des unterschiedlichen Wirkungsprofils von drei- und sechswertigen Chromverbindungen - ein rasch durchführbares, aussagekräftiges und reproduzierbares in vitro-Testsystem an kultivierten Zellen vorgestellt, das es erlaubt, die akute Toxizität von Gefahrstoffen in der Arbeitsmedizin zu bestimmen. Gleichzeitig sollte untersucht werden, ob sich die bekannten unterschiedlichen Wirkungen des Chroms in Abhängigkeit von seiner Wertigkeit auch im Testsystem verifizieren lassen. Bei den hierfür verwendeten Nierenepithelzellen ist eine akute Toxizität nach 24-stündiger Inkubation mit der dreiwertigen Chromverbindung (Chrom(III)-chlorid-Hexahydrat) bis zu der maximal verwendeten Konzentration von 200 µmol/l nicht nachweisbar. Im Gegensatz dazu sind für Zellen, die mit der sechswertigen Chromverbindung (Kaliumchromat) für den gleichen Zeitraum inkubiert wurden, dosisabhängige toxische Effekte ab einer Konzentration von 5 µmol/l nachweisbar. Hierzu gehören das Abrunden und Ablösen der Zellen vom Kulturschalenboden, die Elongation und perinukleäre Vakuolenbildung bei noch adhärenten und vitalen Zellen, Zellschwellung und das Entstehen von zahlreichen Zellfragmenten als Folge des nekrotischen Zelltods mit anschließender Lyse.
Zusammenfassend erscheint das hier vorgestellte Testsystem sehr gut für ein in vitro-Screening von Gefahrstoffen in der Arbeitsmedizin geeignet zu sein. Durch zusätzliche Einzeltests kann das Testsystem problemlos erweitert und auch zur Untersuchung einer chronischen Toxizität herangezogen werden. Durch die Wahl des verwendeten Zellstammes können neben nephrotoxischen auch hepatotoxische, neurotoxische u.a. Wirkungen von Gefahrstoffen untersucht werden. Neben der Aufklärung von Wirkmechanismen bietet das Testsystem zudem den Vorteil, daß Tierversuche eingespart werden können und auch die simultane Reaktivität von mehreren Gefahrstoffen getestet werden kann.

Chromium, especially the metal and its trivalent and hexavalent compounds, are of great industrial interest. As a matter of fact, chromium workers have an occupational risk. While trivalent chromium compounds are of low toxicity, the hexavalent compounds are strong oxidants which cause not only a direct tissue damage (= acute toxicity), but also possess a carcinogenic, mutagenic and teratogenic potential (= chronic toxicity). Since the kidney is the main target organ after oral and/or dermal uptake of hexavalent chromium is the kidney, tubular necrosis might be the result of an acute toxification.
This report presents an in vitro assay with cultured renal epithelial cells which allows the evaluation of the acute toxicity not only of trivalent and hexavalent chromium compounds, but also of various hazardous substances used in industrial production process. As shown here, an acute toxic effect was not detectable for the trivalent chromium (chromium(III)-chloride-hexahydrate) within 24 h of exposure to concentrations as high as 200 µmol/l. In contrast, renal epithelial cells which were exposed to hexavalent chromium (potassium chromate) for the same time period exhibited marked signs of toxicity such as a rounding and detachment of the cells from the floor of the culture plates, an elongation and perinuclear development of vacuoles in the vital cells which were still attached, as well as a cell swelling and cellular fragments caused as a result of necrotic cell death and subsequent lysis. This toxic effect was already observed at concentrations above 5 µmol/l.
In conclusion, the in vitro assay might be a good tool for the screening of hazardous substances in industrial medicine. Moreover, by using additional tests, the chronic toxicity of such substances can also be examined. The selection of specific cell strains such as hepatocytes, neural cells etc. also allows the evaluation of toxic effects in individual organs. The in vitro assay can not only be applied for the investigation of basic mechanisms of toxification and detoxification of specific compounds, but also delivers a basis for the screening of the reactivity of individual hazardous substances. Finally, the assay would allow a reduction in animal experiments as well as the simultaneous testing of a reactivity to multiple hazardous substances.