Durchbruch in der Fluglärmforschung

14. Juni 2018

Mainzer Wissenschaftler identifizieren Enzym, das für Gefäßschäden durch Fluglärm verantwortlich ist


Neue Studie der Kardiologie der Universitätsmedizin Mainz zeigt weiterhin: Nachtfluglärm ist besonders schädlich für Gefäße und Gehirn

In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler des Zentrums für Kardiologie der Universitätsmedizin Mainz ein Enzym identifiziert, welches für fluglärmbedingte Gefäßschäden verantwortlich ist. Sie konnten weiterhin zeigen, dass Nachtfluglärm eine besonders schädliche Wirkung hat und fordern daher, die Nachtruhe unbedingt vor Lärm zu schützen. Mit der aktuellen Studie setzen die Wissenschaftler um Univ.-Prof. Dr. Thomas Münzel, Direktor Kardiologie I im Zentrum für Kardiologie, und Univ.-Prof. Dr. Andreas Daiber, Leiter der Molekularen Kardiologie im Zentrum für Kardiologie, ihre Forschungen auf dem Gebiet der Lärmforschung konsequent fort und können dabei einen weiteren Durchbruch vermelden. Publiziert wird die neue Studie im European Heart Journal, der weltweit renommiertesten kardiologischen Fachzeitschrift.

Fluglärm führt langfristig zu einer vermehrten Ausbildung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen – wie eine Reihe von Vorläuferstudien inzwischen zweifelsfrei zeigen konnte. So ist es der Arbeitsgruppe von Professor Münzel 2013 gelungen, nachzuweisen, dass simulierter Nachtfluglärm das Stresshormon Adrenalin erhöht, die Schlafqualität vermindert und einen Gefäßschaden, genannt endotheliale Dysfunktion, auslöst. Weitere Untersuchungen an einem neu entwickelten Tiermodell ergaben im letzten Jahr, dass Fluglärm eine deutliche Erhöhung der Stresshormone, eine Gefäßfunktionsstörung, erhöhten oxidativen Stress und Entzündungsprozesse in den Gefäßen sowie eine deutliche Änderung der Expression von Genen in der Gefäßwand nach sich zieht.

Die Professoren Münzel und Daiber kommentieren: „Mit unserer neuen Studie können wir erstmals nachweisen,  dass insbesondere ‚Nachtfluglärm‘ – also Lärm während der Schlafphase der Mäuse – und nicht Lärm während der Wachphase für Gefäßfunktions-störungen verantwortlich ist. Wir können weiterhin zeigen, dass die Ausschaltung des Enzyms ‚phagozytische NADPH Oxidase‘, welches hauptsächlich in Entzündungszellen vorkommt,  Fluglärm-induzierte negative Auswirkungen an Gefäßen und Gehirn komplett verhindert.“ Dieses Enzym war in der letzten Studie in den Fokus der Wissenschaftler geraten. Die aktuellen Untersuchungen beweisen nun endgültig dessen zentrale Rolle und liefern den Beweis, dass die negativen Fluglärmeffekte über dieses Enzym vermittelt werden. 

Bei den jetzigen Untersuchungen haben die Wissenschaftler auch die Auswirkungen von Fluglärm auf das Gehirn untersucht. Hierbei stand die neuronale Stickstoffmonoxid (NO)-Synthase, ein wichtiges Enzym in unserem Gehirn, im Blickfeld. Das Enzym, das für  die Bereiche Lernen und Gedächtnis verantwortlich ist, wird durch Fluglärm herunterreguliert und so seine Funktion beeinträchtigt. Dieser neue Befund erklärt möglicherweise die beschriebenen kognitiven Entwicklungsstörungen bei Kindern nach Fluglärmexposition.

Eine weitere Erkenntnis ist, dass der Transkriptionsfaktor FoxO3 eine zentrale Rolle für die Lärm-induzierten Gefäß- und Gehirnschäden spielt: Die Fehlregulation dieses Faktors durch „Nachtfluglärm“ führt zu einem gestörten Genexpressions-Netzwerk, das zelluläre Vorgänge in Abhängigkeit der Tageszeiten steuert – gerät diese circadiane Rhythmik durch Lärm aus dem Takt, kann dies zu Schlafstörungen und in der Folge zu kardiovaskulären, psychischen und metabolischen Erkrankungen führen. Zu diesen Erkenntnissen gelangten die Wissenschaftler durch umfangreiche genetische Analysen mittels „Next Generation Sequencing (NGS)“ und durch den Nachweis einer Verhinderung der erwähnten Gefäßschäden durch Behandlung mit dem FoxO3-Aktivator Bepridil.

Nach Auffassung der Studieninitiatoren bedeuten diese Ergebnisse einen weiteren Durchbruch in der Lärmforschung. „Mit unseren Befunden, insbesondere bezüglich des Nachtfluglärms, können wir nun klinische Ergebnisse z.B. der sogenannten HYENA Studie erklären, wonach insbesondere Nachtfluglärm Bluthochdruck auslösen kann. Der Befund, dass die Ausschaltung des Enzyms ‚phagozytische NADPH Oxidase‘ Gefäßschäden komplett verhindert, versetzt uns dabei möglicherweise in die Lage, medikamentöse Strategien zu entwickeln, um die negativen Effekte von Fluglärm auf den Körper zu neutralisieren“, kommentieren beide Wissenschaftler.

Beide Autoren schließen aus ihren Befunden, dass es ein wichtiges Ziel sein muss, die Nachtruhe vor Lärm zu schützen und insbesondere die gesetzlich definierte Nachtruhe von 22 Uhr abends bis 6 Uhr morgens zu implementieren.

Die Studie wurde unterstützt durch die Förderung der Stiftung Mainzer Herz an S. Steven und A. Daiber, der Universitätsmedizin Mainz (NMFZ) an A. Daiber, die Deutsche Stiftung für Herzforschung an S. Kröller-Schön und die Boehringer Ingelheim Stiftung (Projekt: „Neue und vernachlässigte Herzkreislaufrisikofaktoren“) an T. Münzel, S. Steven und A. Daiber.

Originalpublikation:

Swenja Kröller-Schön, Andreas Daiber, Sebastian Steven, Matthias Oelze,  Katie Frenis, Sanela Kalinovic, Axel Heimann, Frank P. Schmidt, Antonio Pinto, Miroslava Kvandova, Ksenija Vujacic-Mirski, Konstantina Filippou, Markus Dudek,  Markus Bosmann,  Matthias Klein, Tobias Bopp, Philipp Wild, Katrin Frauenknecht, Omar Hahad, Axel Methner, Erwin R. Schmidt, Steffen Rapp, Hanke Mollnau, Thomas Münzel
„Crucial role for Nox2 and sleep deprivation in aircraft noise-induced vascular and cerebral oxidative stress, inflammation and gene regulation” 

https://academic.oup.com/eurheartj/article-lookup/doi/10.1093/eurheartj/ehy333

 

 

17.02.2017

Neue Studie der Kardiologie der Universitätsmedizin Mainz entschlüsselt Mechanismen, die für Gefäßschaden infolge von Fluglärm verantwortlich sind

Fluglärm führt langfristig zu einer vermehrten Ausbildung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. 2013 ist es der Arbeitsgruppe von Professor Münzel gelungen nachzuweisen, dass simulierter Nachtfluglärm das Stresshormon Adrenalin erhöht, die Schlafqualität vermindert und einen Gefäßschaden, genannt endotheliale Dysfunktion, auslöst. Die molekularen Mechanismen dieser Gefäßschädigung waren bis jetzt jedoch unbekannt. In einem neu entwickelten Tiermodell konnten die Wissenschaftler nun messbar feststellen, dass Fluglärm eine deutliche Erhöhung der Stresshormone, eine Gefäßfunktionsstörung, erhöhten oxidativen Stress in den Gefäßen und eine deutliche Änderung der Expression von Genen in der Gefäßwand nach sich zieht. Zudem entschlüsselten sie die Enzyme, die für den Gefäßschaden verantwortlich sind. Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen es erstmalig, spezifische Strategien zu entwickeln, die die durch Lärm ausgelösten negativen Konsequenzen für Gefäße abschwächen. Die im European Heart Journal, dem renommiertesten kardiologischen Journal in Europa, veröffentlichte Studie bezeichnen die Wissenschaftler als Durchbruch in der (Flug)-Lärmforschung. Die Ergebnisse wurden nun am 17.2.2017 in der Universitätsmedizin Mainz vorgestellt.

Im Rahmen dieser neuen Studie wurden die Effekte von zwei unterschiedlichen Lärmszenarien auf die Gefäße in einem Tiermodell getestet. In dem einen Lärmszenario wurden Mäuse für vier Tage mit Fluglärm, in dem anderen für vier Tage mit Umgebungslärm ("White Noise") ausgesetzt. Die mittlere Schallintensität war identisch. Die Arbeitsgruppe stellte fest, dass Fluglärm, ähnlich wie bei den mit Fluglärm exponierten gesunden Probanden in der Vorgängerstudie, innerhalb eines Tages schon eine endotheliale Dysfunktion auslöst, eine Überempfindlichkeit gegenüber gefäßverengenden Substanzen verursacht und die Stresshormonspiegel deutlich ansteigen lässt. Dies führt unter anderem zu einem Bluthochdruck. Verantwortlich hierfür war in erster Linie eine vermehrte Bildung freier Radikale als Folge des Fluglärms. Die Arbeitsgruppe identifizierte zwei Radikal-bildende Enzyme: die Nicotinamidadenindinukleotidphosphat-Oxidase (NADPH Oxidase) und Stickstoffmonoxidsynthase (NOS). Interessanterweise hatten gleiche Lärmpegel mit Umgebungslärm innerhalb von vier Tagen keine negativen Folgen für die Gefäße.

Die an der Studie beteiligte Arbeitsgruppe von Prof. Erwin Schmidt vom Institut für Molekulare Genetik der Johannes Gutenberg-Universität analysierte die Erbanlagen (Gene) in den Gefäßen, die durch den Lärm entweder hoch- oder herunterreguliert werden. "Im Vordergrund stand hierbei die Änderung der Regulation derjenigen Gene, die für den Spannungszustand der Gefäße, die Gefäßwandstruktur und den Gefäßzelltod verantwortlich sind", so Prof. Schmidt.

Nach Auffassung der Studieninitiatoren Univ.-Prof. Dr. Thomas Münzel, Direktor Kardiologie I im Zentrum für Kardiologie, Univ.-Prof. Dr. Andreas Daiber, Leiter der Molekularen Kardiologie im Zentrum für Kardiologie der Universitätsmedizin Mainz und Prof. Dr. Erwin Schmidt bedeuten die Ergebnisse einen Durchbruch in der Lärmforschung. "Da traditionelle Risikofaktoren über die gleichen Mechanismen zu Gefäßfunktionsstörungen führen, muss man damit rechnen, dass Lärm die Wirkung von Herzkreislaufrisikofaktoren verstärkt und damit den Prozess der Gefäßverkalkung stimuliert", schließen die drei Wissenschaftler aus ihren Ergebnissen.

"Erstmals wird es nun auch möglich sein zu testen, inwieweit Herz- und Kreislaufwirksame Medikamente Fluglärm-induzierte Schäden an Gefäßen verhindern können. Zudem werden wir in naher Zukunft auch die Effekte von Straßen- und Schienenlärm untersuchen", so Prof. Münzel.

Die Studie wurde finanziell durch die Stiftung Mainzer Herz und die Boehringer Ingelheim Stiftung (Projekt: Neue und vernachlässigte Herzkreislaufrisikofaktoren) unterstützt.

Originalpublikation:

Thomas Münzel, Andreas Daiber, Sebastian Steven, Lan P. Tran, Elisabeth Ullmann, Sabine Kossmann, Frank P. Schmidt, Matthias Oelze, Ning Xia, Huige Li, Antonio Pinto, Philipp Wild, Kai Pies, Erwin R. Schmidt, Steffen Rapp und Swenja Kröller-Schön „Effects of noise on vascular function, oxidative stress, and inflammation: mechanic insight from studies in mice“, European Heart Journal DOI 10.1093/eurheart/ehx081

Die Publikation ist abrufbar unter:

academic.oup.com/eurheartj/article-lookup/doi/10.1093/eurheartj/ehx081

v.l.n.r.:-Univ.-Prof. Dr. Andreas Daiber, Univ.-Prof. Dr. Thomas Münzel, Dr. rer. nat. Swenja Kröller-Schön, Prof. Dr. Erwin Schmidt

Neue Studie beweist: Nachtfluglärm kann Gefäßschäden verursachen

Juli 2013

Autoren: F.Schmidt und Th.Münzel

Mainzer Wissenschaftler publizieren Forschungsergebnisse der Fluglärm­studie im „European Heart Journal“

Eine neue Studie der 2. Medizinischen Klinik und Poliklinik der Universitätsmedi­zin Mainz (heute: Kardiologie I) belegt: Fluglärm kann bei gesun­den Menschen zu Gefäßfunktionsstörun­gen, erhöhtem Stresshormonspiegel und zu einer verminderten Schlafqualität mit drastischen Auswirkungen auf das Herz- Kreislauf-System führen.

"Wir wissen, dass Fluglärm Bluthochdruck, Herzinfarkte und auch Schlaganfälle auslösen kann.  Die genauen Mechanismen, die zu diesen Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen, waren bisher jedoch nicht be­kannt", so Univ.-Prof.Dr.Thomas Münzel, Leiter der Studie. Nach Einschätzung von Professor Münzel bedeuten die Ergebnisse der Studie einen Durchbruch im Bereich der Fluglärmforschung: "Diese Studie zeigt ganz konkret auf, wie und bei welchen Schallpegeln Gefäßschäden entstehen."

Im Rahmen der Studie wurden 75 gesunde Freiwillige — ohne diagnostizierte Vorschä­digung des Herz-Kreislauf-Systems — während des Schlafs drei unterschiedli­chen Lärmszenarien ausgesetzt.Das Durchschnittsalter der Probanden lag bei 26 Jahren. "In diesen Lärmszenarien haben wir Nachtflüge mit einem durchschnittlichen Lärmwert von 60 Dezibel simuliert und die Probanden zu Hause dieser Lärm­belastung in einem Feldversuch ausge­setzt. Mal waren es 30, mal 60 simulierte Nachtflüge, mal war es eine "lärmfreie" Nacht, erklärt Dr. Frank Schmidt, der die Studie durchgeführt hat.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass Nachtfluglärm bei den Probanden das Stresshormon Adrenalin steigerte und die Gefäßfunktion, die mit hochauflösenden Ultraschallgeräten gemessen wurde, signifikant verschlechterte. "Unsere Studienergebnisse belegen, dass in gleicher Weise wie die Fluggeräusche zunehmen, die Erweiterungsfähigkeit der Arterien (Endothelfunktion) abnimmt und sich eine sogenannte endotheliale Dys­funktion entwickelt", berichtet Dr. Schmidt.

"Bemerkenswert ist, dass sich die durch Lärm ausgelöste Gefäßschädigung durch Vitamin C korrigieren lässt", betont Professor Münzel. In der Konsequenz bedeutet dies, dass in den Gefäßen als Folge der Verlärmung viele freie Radikale gebildet werden, die die Gefäßfunktion negativ beeinflussen. Somit besteht Grund zur Annahme, dass die Verschlechterung der Gefäßfunktion durch oxidativen Stress ein wichtiger Mechanismus für die Entstehung von lärmbedingtem Bluthochdruck und möglicherweise dessen Folgen wie Herzinfarkt und Schlaganfall ist.

"Ebenso konnten wir einen sogenannten "priming"-Effekt feststellen: Eine Beschallung mit 30 Überflügen induzierte bei einer nachfolgenden Nacht mit 60 Überflügen eine deutlich schlechtere Gefäßfunktion. Das bedeutet, dass man sich im Rahmen von mehreren Beschallungen nicht an den Fluglärm gewöhnt, sondern das Ausmaß der Gefäßschäden eher zunimmt", ergänzt Professor Münzel. "Das muss aber in weiteren Studien inten­siv geprüft werden", so Professor Münzel.

„Nächtlicher Fluglärm ist damit als wichtiger Risikofaktor für Herz-Kreis­lauf-Erkrankungen zu bewerten. Daher sollte die Lärmbelastung der Bevölkerung möglichst gering gehalten werden.

 

Welche Bedeutung hat der Nachweis einer endothelialen Dysfunktion als Folge von simuliertem Nachtfluglärm?

Bei der Untersuchung von Dr. Schmidt haben wir uns für die Bestimmung der endothelialen Dysfunktion als Marker für einen Gefäßschaden entschieden.Zum einen reflektiert es das Spezialgebiet unserer Klinik und wurde bisher erfolgreich bei mehr als 20.000 Teilnehmern der Gutenberg-Gesundheitsstudie eingesetzt, zum anderen ist es die wissenschaftlich anerkannte Methode, um frühe Gefäßschäden erfassen zu können.

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass man im Falle einer endothelialen Dysfunktion und einem gleichzeitigen Bluthochdruck im Verlauf mit mehr Herz-Kreislaufereignissen wie Herzinfarkt und Schlaganfall zu rechnen ist.

Das heißt ganz klar: Die Endothelfunktion hat eine prognostische Bedeutung.Dies zeigt uns die Abbildung oben aus em Artikel von Perticone und Mitarbeiter (Circulation 2001, 104:191).Diese Arbeits­gruppe konnte zeigen, dass in Abhängigkeit von einer endothelialen Dysfunktion die Zahl der Herz-Kreislaufereignisse innerhalb von 84 Monaten doch deutlich zunimmt (Abbildung oben).

Eine weitere wichtige Beobachtung gelang Heitzer und Mitarbeitern: Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Verbesserung der Gefäßfunktionsstörung und Vitamin C (Heitzer et al, Circulation 2001,104:2673).D.h.je mehr Vitamin C die Gefäßfunktion verbessert, umso höher der oxidative Stress im Gefäß, umso wahrscheinlicher ist das Auftreten von Herzinfarkt und Schlaganfall in den Folgemonaten.

Die Abbildung auf der nächsten Seite ver­deutlicht dies: Hatte man einen schwachen Vitamin-C Effekt, war die Wahrscheinlich­keit von Herzinfarkt und Schlaganfall doch deutlich geringer, als wenn man einen starken Vitamin-C-Effekt hatte.

Mit dem Einsatz dieser sehr sensiblen Ultraschallmethode ist es uns erstmals gelungen, die direkt krankmachende Wirkung von Nachtfluglärm nachzuweisen.

Wichtig ist es hierbei mehrere wichtige Punkte herauszustellen:

Bei der Konzeption, der Interpretation der Ergebnisse und auch beim Verfas­sen der Veröffentlichung war Herr Professor Mathias Basner (Philadel­phia (USA), früher Deutsches Insti­tut für Luft- und Raumfahrtfor­schung), kontinuierlich mit involviert.Dies ist ein wichtiges Qualitätskriterium, da wir als Kardiologen Fluglärmexperten fest mit in der Gestaltung des Versuchsplans und in der Auswahl der Messparameter und Messmethoden eingebunden haben.

Der Nachweis einer Gefäßschädi­gung gelang bei jungen gesunden Freiwilligen mit einem Durchschnitts­alter von 26 Jahren, meistens handelte es sich um Studenten, aufgrund einer Simulation von 60 Überflügen pro Nacht.Dies ist insofern bedeutend, da man bei Gesunden von einer starken Strapazierfähigkeit des Endothels ausgeht und nicht unbedingt eine sofor­tige Schädigung erwartet

Der „Priming“ Effekt, d.h. die Ver­stärkung des Gefäßschadens durch vorherige „Überflüge“ zeigt uns, dass man am Gefäßsystem keinen hat, sondern eher mit einer Sensibilisierung Richtung Gefäßschaden rechnen muss. Die „Vitamin-C-Antwort“ zeigt uns, dass Nachtfluglärm die Bildung freier Radikale stimuliert, und dass dies wahrscheinlich der zugrunde liegende Mechanismus der Gefäßfunktionsschädigung ist

Die Tatsache, dass sich die gefundenen Gefäßschäden durch die Gabe von Vitamin C korrigieren lassen, zeigt frappierende Parallelen zu Untersuchungen bei Patienten mit Diabetes mellitus, hohem Cholesterin und akutem und chronischen Rauchen auf, wo Vitamin C in der Lage war, die Gefäß­funktion (Endothelfunktion) zu verbessern.

Die schlechte Stoffwechselsituation bei Diabetikern wurde auch bei Gesunden durch eine Akutinfusion von Zucker nach­gespielt.Hier entwickelte sich rasch eine Gefäßschädigung, die durch die Akutgabe von Vitamin-C-Gabe korrigiert wurde.Dieses Beispiel zeigt deutlich Parallelen zu unserer Studie, bei der Gefäßschäden ausgelöst durch die Akutbelastung durch den Fluglärm mit Hilfe von Vitamin C korrigiert werden konnten.Das Gleiche gilt für chronische Raucher oder das akute Rauchen.Auch hier war Vitamin C jeweils in der Lage den nachgewiesenen Gefäßschaden zu verbessern.

Zusammen mit den bisherigen epidemiologischen Befunden zu Herz-Kreislauferkrankungen belegen diese Befunde, dass es sich bei Fluglärm wie bei zu hohem Cholesterin oder Diabetes oder auch Rauchen um einen wichtigen Risikofaktor für die Entwicklung von Herz-Kreislauferkrankungen handelt, nur:

Das Cholesterin und den Blutzucker können wir senken, mit dem Rauchen aufhören, dem Fluglärm können wir aber nicht aus dem Weg gehen!