Acta histochem. 85, 175 -186 (1989)

VEB Gustav Fischer Verlag lena

Aus dem Institut ftir Anatomie ') und der Sektion Chemie2) der Martin-Luther-Universitiit Halle - Wittenbergzu Halle (Saale), DDR

Lasermikrospektralanalytisehe Bestimmungen (LMA)von Aluminium (AI) in Lendenwirbeln nieht nephrektomierter

und 5/6 nephrektomierter Ratten naeh Applikationdosis- und zeitabhangiger Aluminiumehloridlosungen

Lasermicroanalytical determinations (LMA) of aluminium (AI)in lumbar vertebrae of non-nephrectomized and 5/6 nephrectomized rats

after application of AICI3 solutions in dependence of dose and time

Von RAINER SCHMIDT 1), LIESELOTTE MOENKE-BLANKENBURG2) und DETLEF GDNTHER2)

Mit 6 Abbildungen

(Eingegangen am 3. Mai 1988)

Summary

In order to obtain further informations on the mode of action of AI, we carried out lasermicroanalyticaldeterminations (LMA) of Aluminium (AI) on different parts of lumbar vertebrae in 54 non-nephrectomized ratsand 54 ones 5/6 nephrectomized which were divided in 3 groups. The animals were treated with solutions ofphysiological NaCI in the control group (0.25 mIll 00 g b.w.) and different AI-doses (0.05 and 0.5 mg/kg b.w.)intraperitoneally and daily for 4, 8, and 12 weeks. The results were compared with those of histochemical AI­detections by the method of IRWIN (1955). Lumbar vertebrae of the non-nephrectomized rats in the controlgroup did not contain AI by LMA- and histochemical determination investigated in all the time intervals. AI­doses of 0.05 mgllOO g b.w. induced only a positive AI-proof 12 weeks after the beginning of the injections inthe 5/6 nephrectomized animals by LMA, whereas AI-doses 10 times higher effected an AI-deposit of differentconcentration in the substance compact and substance spongioid of the lumbar body of vertebrae from the 4thweek in the 5/6 nephrectomized and the 8th in the non-nephrectomized rats. The sensitiveness of the AI­detection by LMA was higher in comparison with the histochemical procedure, and an AI-accumulation in thelumbar vertebrae of the 5/6 nephrectomized rats is distinctly earlier than in those of non-nephrectomizedanimals.

1. Einleitung und Problemstellung

Seit etwa 15 a beschreiben Arzte weltweit ein neues Krankheitsbild (MAHURKAR et a1.1973; ALFREY et a!. 1976; ALLEN et a1. 1976; BURKs et a!. 1976; FLENDRIG et a1. 1976a, b;PLATTS und HISLOP 1976; WARD et a!. 1976; SULLVIAN et a1. 1977; MASRAMON et a1. 1978;MASSELOT et a1. 1978; BUGE et al. 1979; LAf>URNER et a1. 1981; ZUMKLEY 1981; WILLS undSAVORY 1983; KNICKENBERG und MEERMANN 1984; DRDcKE 1985; LEOPOLDER-OCHSENKOPFund HOLTERMDLLER 1985; WELLER et a1. 1986), dessen klinische Symptome sich inSprachstorungen, Myoklonien, Ataxien, Tremor und psychischen Veranderungen verbundenmit Knochenschadigungen auGern. Da vor aHem 0,6 bis 36 % der zwischen 1,5 und 3 adialyselangzeitbehandelten Patienten (SPERSCHNEIDER 1984) solche Symptome zeigten und dieneurotoxische Wirkung des Aluminiums bei Tieren bereits im vorigen lahrhundert (DOLLKEN

176 RAINER SCHMIDT, L. MOENKE-BLANKENBURG und D. GUNTHER

1897) erkannt und beschrieben wurde, konnten durch gezielte Untersuchungen als aus16sendeUrsache fUr das neue Krankheitsbild Aluminiumionen verantwortlich gemacht werden.

Sie gelangen durch aluminiumbelastetes Wasser bei der Herstellung der Dialysefltissigkeiten(FLENDRIG et al. 1976a, b; MAYNARD und FINK 1956; ROZAS et al. 1978; SABOURAUD et al. 1978),durch Metallabrieb an den Pumpen der Dialysemaschinen (ACHENBACH et al. 1985;SPERSCHNEIDER 1984) und infolge oraler Verabreichung aluminiurnhaltiger Phosphatbinder wieAludrox® und Alugel tabs® zur Unterbindung einer aus der Niereninsuffizienz resultierendenHyperphosphataemie (ALLEN et al. 1976; ANDREOLI et al. 1984; LANGER 1984; DOLLINGER undHOLZBERG 1986; WEILLERetal. 1986 u. a.) in den Organismus der Patienten. Durch unzureichendeAusscheidung der Aluminiumionen tiber die Nieren erfolgt ihr Einbau in die Knochen sowieEinlagerung in andere Organe, vor allem in das Gehim (BLOOM und FLINCHUM 1960; YOKEL 1982;BISWAS et al. 1982; ANDREOLI et al. 1984). Die zentralnervosen encephalitischen Veranderungengingen deshalb als "progressive Dialysedemenz" oder "Dialyseencephalopathie" und dieKnochenschiidigungen als "Dialyseosteomalazie" oder "Dialyseosteodystrophie" in die Literaturein (PARSONS et al. 1971; ELLIS et al. 1979; KUMAR 1976; PARKINSON et al. 1979; COURNOT­WITMER et al. 1979; DRUCKE 1980, 1985; SCHULZ et al. 1981; NETTER et al. 1981; ELLIS 1983;KINGSWOOD et al. 1983; CHARHON et al. 1984; ABENDROTH et al. 1986; ACHENBACH et al. 1985;ANDREOLI et al. 1984; RINGE und DELLING 1985; RINGE 1986 u. a.).

Nach Angaben der European-Dialysis- and Transplantation-Association Reports 1986 werdenz. Z. in 33 europiiischen Liindern etwa 65000 Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz auchheute noch tiberwiegend (84%) mit dem Standardtherapieverfahren einer Acetat-Hiimodialysebehandelt (PRECHT 1987). Umfangreiche tierexperimentelle Untersuchungen im NephrologischenLaboratorium der Klinik fUr Innere Medizin der Friedrich-Schiller-Universitiit lena zu Fragen einermoglichen Abhiingigkeit der Aluminiumablagerung im Knochen von der Aluminiumdosis undJodereiner chronischen Niereninsuffizienz ergaben zwar hinsichtlich der Aluminiumverteilung inLendenwirbeln bei normalen und 5/6 nephrektomierten Ratten mit der Aurin-Methode zumAluminiumhydroxidnachweis nach IRWIN (1955) erste topologische Befunde (GUNTHER 1985), dieaber mit vorliegenden lasermikrospektralanalytischen Bestimmungen sowohl qualitativ als auchquantitativ nach Entwicklung eines Eichverfahrens fUr Lokalanalysen in einer Knochenmatrixergiinzt und in ihrer Aussagespezifitiit wesentlich erweitert werden sollen.

2. Material und Verfahren

108 weibliche Wistarratten eines institutseigenen Inzuchtstammes im Alter von 90 d und mit einem mittlerenKorpergewicht (KG) von 177 ± 5 g wurden in 2 Hauptgruppen zu je 54 nicht nephrektomierten und 5/6 nephrek­tomierten Tieren und jede Hauptgruppe nochmals in 3 Untergruppen nach folgendem Schema aufgeteilt und mitphysiologischer Kochsalzlosung sowie 2 unterschiedlich dosierten Aluminiumchloridlosungen taglich bis maximal 12Wochen behandeIt:

Gruppen A, B: Je 54 Ratten; nicht nephrektomiert (A), 5/6 nephrektomiert (B)AI, B1: Je 18 Kontrolltiere ohne AICIJ-Belastung (0,95%ige NaCI-Losung: 0,25 mVlOO g KG)Az, Bz: Je 18 Tiere mit geringer AIClJ-Belastung (0,05 mg AI/IOO g KG)AJ, BJ: Je 18 Tiere mit hoher AIClrBelastung (0,5 mg AI/IOO g KG)

Wahrend des Yersuchs und auch bei der Aufzucht erhielten die Tiere Pelletfutter Typ R vom YEBYersuchstierproduktion Schonwalde, Wasser ad libitum und samtliche applizierten Losungen wahrend des Yersuchs­ablaufes anjeweils 5 d der Woche zu einem zeitlich fixierten Tagesabschnitt (morgens zwischen 07.00 h una 08.00 h)in einem oberflachlichen Atherrausch intraperitoneal verabreicht, wobei die Konzentrationen von 0,05 bzw. 0,5 mgAVIOO g KG in 0,25 ml Aqua ad injectionem enthalten waren. Aus den einzelnen Untergruppen wurden 4;' 8 und 12Wochen nach Beginn der Substanzverabfolgung jeweils 6 Tiere getotet, der I. Lendenwirbel herausprapariert, inCARNOYscher Losung fixiert, in absolutem Alkohol nach 6- bis 8maligem Wechsel entwassert, in einem Gemisch ausMethacrylsauremonomethylester, Benzoylperoxid und Dibutylphthalat eingebettet, bei 37°C 48 h polymerisiert unddie unentkalkten Praparate mit dem Hartschnittmikrotom (R. lung, Heidelberg) geschnitten. Die histochemischeAnalyse erfolgte bei dem einen Teil der Schnitte im Nephrologischen Laboratorium der Klinik ftir Innere Medizin der

Lasermikrospektralanalytische Bestimmungen 177

Friedrich-Schiller-Universitat Jena (GUNTHER 1985), wahrend die verbliebenen Blocke der histochemisch aufgear­beiteten Schnitte in Halle lasermikrospektralanalytisch untersucht wurden.

2.1. Lasermikrospektralanalytische Untersuchungen: Um eine annahernd reprasentative Aussage tiber dieAluminiumverteilung treffen 7U konnen, wurden die Lendenwirbel vom Wirbelkorper (WK) zum Dornfortsatz (DF)und die Gelenkfortsatze (G Ibis G4) jeweils von auBen zum Rtickenmarkskanal in 2 Diagonalrichtungen mit dem

WK

G2

OF

Abb. I. a Eingebetteter Rattenlendenwirbel im Probenhalter fUr LMA, photographische VergroBerung 4: I. bSchema des Lendenwirbels mit Rasteranordnung der LasereinschuBkrater (Triplets). WK Wirbelkorper, DF

Dornfortsatz, GIbis G4 Gelenkfortsatze.

Laserstrahl beschossen (Abb. I). Bei der Laser-Mikro-Spektralanalyse (LMA) wird die zu untersuchende Probenober­f1ache mit dem Mikroskop ausgewahlt und die Strahlung eines Festkorperlasers (Rubinlaser) mit einer Outputenergiezwischen 0, I und 1,2 J mit dem gleichen optischen System auf den ausgewahllen Bereich fokussiert (MOENKE­BLANKENBURG 1986). Bei LaserbeschuB entsteht ein Mikroplasma, das nach einer Zusatzanregung mit Hochspan­nungsfunken direkt auf den Spall eines Spektrographen abgebildet wird und ein photographisch registriertes Spektrumzur Elementcharakterisierung ftir qual itative und nach entsprechender Eichung auch ftir quantitative Auswertungentstehen laBt. Die Probleme der auf Laserverdampfung basierenden Analysenverfahren beruhen hauptsachlich aufden nicht linear ablaufenden Wechselwirkungen zwischen Laserstrahlung und Probe sowie den bestehendenInhomogenitaten der Probenmatrix. Bei biologischen Proben ist die notwendige Homogenitat kaum gegeben. Deshalbhaben quantitative Untersuchungen Grenzen, die auBerdem sehr wesentlich von der verwendeten Eichmethodeabhangen (KAUFMANN et al. 1978). Als Voraussetzung fUr die experimentellen Untersuchungen muBte daher eineEichmethode erarbeitet werden. die das Auflosungs- und Nachweisvennogen der LMA fUr eine quantitative Lokal­und Verteilungsanalyse des Aluminiums in der Knochenmatrix nutzen laBt.

2.2. Eichmethode: Da die Laser-Mikro-Spektralanalyse eine Relativmethode darstellt, sind Eichungen fUrquantitative Untersuchungen notwendig, wobei sich die zu untersuchenden Proben und die Eichproben in chemischerund physikalischer Hinsicht moglichst iihneln soillen.

Zu diesem Zweck wurden 6 Wirbelsaulen normaler Ratten prapariert, von den Weichteilen befreit, die Knochenpulverisiert und in Tablenenform gepreBt und unter den angegebenen Parametern (Tabelle 2) qualitativ analysiert. DaAluminium in diesen Prohen nicht nachgewiesen werden konnte. erfolgte ftir die AI-Eichung cine Mischung von Igpulverisiertem Knochengewebe mit 5 g Borax und ein Verschmelzen des Gemisches bei 1000 dc. Den einzelnenGemischen wurden die in Tabelle 2 angegebenen Mengen einer 0,0 I mol AIClrLosung zugesetzt, im Trockenschrankbei 100°C getrocknet, mehrmals erneUI aufgemahlen und in Tablettenform gepreBt. Die Aufstellung der Eichkurveerfolgte anhand der 6 hergestellten Eichproben. wobei jede Probe etwa 15- bis 18mal beschossen wurde und je 3 SchuBpro Spektrum registriert wurden.

Durch die relativ hohe Anzahl der Spektren konnten reproduzierbare Intensitaten erreicht werden.In Tabelle 2 sind auch die Mittelwerte der transformierten Schwiirzungen der Spektrallinien (KAISER 1947) i und

die relativen Standardabweichungen (s) mit aufgefUhrt.Minels linearer Regression IDoERFFEL 1987) konnlen folgende Werte fUr die Eichkurve ermittelt werden

(Abb.1J.

178 RAINER SCHMIDT, L. MOENKE-BLANKENBURG und D. GUNTHER

Tabelle I. Arbeitsparameter fiir die LMA-Bestimmungen

Laser-Mikro-Analysator (LMA 10)*)

Kiivettenstufe (Q-switch LASER)BlitzlampenspannungObjektivKapazitiitVerzogerungInduktivitiitHilfsfunkenentladungElektrodenabstandKraterdurchmesser

Plangitterspektrograph (PGS 2)*)

WellenHingenbereichSpaltbreitePhotomaterialEntwicklerEntwicklungsdauerFixierbadFixierdauer

Photometer*)

*) Kombinat VEB Carl Zeiss Jena

20,95 kV16xIO,2°°10II, I 200 !!F300ns125 !!H3,5 kVImm80!!m

651 Llmm, Blaze 300 nm

280 bis 450 nm30!!mORWO WUI, blau extrahartMH 28,1:45 minORWO A 30015 min

GIl

Tabelle 2. Angaben zu den Aluminiumkonzentrationen, den transformierten Schwiirzungswerten der SpektrallinieneinschlieBlich ihrer relativen Standardabweichungen (sr) fiir die Erstellung der Eichkurve

LOsung [ml] AI-Konzentration [Massen %] x*) sr[%]

50,0 2,25 X 10- 1 0,745 3,54925,0 1,12xlO- 1 0,491 6,88010,0 4,50X 10-2 0,389 10,0805,0 2,25 x 10-2 0,173 21,5901,0 4,50X 10-3 -0,094 22,2300,5 2,25 x 10-3 -0,443 46,310

*) Mittelwerte der transformierten Schwiirzungen der Spektrallinien nach SEIDEL [zit nach KAISER (1947)]: W = Ig

( ; - I ) , D Durchliissigkeit

3. Ergebnisse

Die Lendenwirbel von nicht aluminiumbelasteten Kontrolltieren der nicht nephrektomierten(AI) und 5/6 nephrektomierten (B I) Gruppen enthielten unter den angegebenen Versuchsbedingun­gen kein lasermikrospektralanalytisch oder histochemisch nachweisbares Aluminium 4, 8 und 12Wochen nach tiiglicher intraperitonealer Applikation von 0,25 rnl NaCl/lOO g Korpergewicht.

Bei geringer AICl3-Belastung zeigte keiner der laserspektralanalytisch und histochernischaufgearbeiteten Lendenwirbel der nicht nephrektomierten Ratten (Az) Aluminiumablagerungen4, 8 und 12 Wochen nach tiiglicher Applikation von 0,05 mg AlIlOO g Korpergewicht imKnochengewebe, wiihrend in der 5/6 nephrektomierten Gruppe (Bz) nach 12 Wochen nurlasermikrospektralanalytisch, nicht histochemisch, erste Aluminiumspuren erfaBbar waren.

Bei lOfach hoherer Aluminiumbelastung (0,5 mg All100 g KG) lagerte sich bei den nicht

Lasermikrospektralanalytische Bestimmungen

Sw

179

0,5

o

-o,~ o

o

o

Spelrfralfinie AIAnstiegAbschnitfRestslreuungKorrelation

A = 396,1nma = MJ8b = f.07252 = 5,8ZS' 10-Jr = 0.987

-2,5 -2,0 -1.5 -1,0 -a,s log c

Abb. 2. Aluminiumeichkurve im Bereich von 2,2 x 10- 3 bis 2,23 x 10- 1 Massen %.

nephrektomierten Tieren (A3) ab der 8. Woche und bei den nephrektomierten (B3) schon von der4. Woche an Aluminium vor aHem im Wirbelkorper ein. Wiihrend der histochemische Nachweisdes Aluminiums in der Gruppe B3 erst ab der 12. Woche positiv ausfiel und in der Gruppe B2

12 Wochen nach Applikation Aluminium fiirberisch nicht erfaBt werden konnte, lassen dielaserspektralanalytischen Ergebnisse auf eine groBere Empfindlichkeit dieses Verfahrens imVergleich mit der Aurin-Methode schlieBen (Tabellen 3,4).

Tabelle 3. Aluminiumbestimmungen in Lendenwirbeln (Histochemie, LMA) Gruppe A (nicht nephrektomiert)

Vor Injektion 4 Wochen 8 Wochen 12 Wochen

H L H L H L H L

AlA2

Ma Ma MaA} + + + +

Ma Ma Ma

AI 0,25 ml NaCl/lOO g KG;A 2 0,05 mg AlII 00 g KG;A 3 0,5 mg AI/IOO g KG; Ma Makrophagen (AI +); H- undMa­Befunde nach GUNTHER (1985)

Tabelle 4. Aluminiumbestimmungen in Lendenwirbeln (Histochemie, LMA) Gruppe B (5/6 nephrektomiert)

Vor Injektion 4 Wochen 8 Wochen 12 Wochen

H L H L H L H L

B I

B2

B} + + + +Ma Ma Ma

BI 0,25 ml NaCl/lOO g KG; B2 0,05 mg AI/IOO g KG; B3 0,5 mg AI/100 g KG; Ma Makrophagen (AI +); B3 > A3 ;

A3 > A2 ; H- und Ma-Befunde nach GUNTHER (1985)

180 RAINER SCHMIDT, L. MOENKE-BLANKENBURG und D. GUNTHER

Aus diesem Grunde erweiterten wir als Ergiinzung zu den histochemischen Befunden dielasermikrospektralanalytischen Untersuchungen und berechneten Verteilungsprofile von deneinzelnen Knochenarealen (Wirbelkorper, Domfortsatz, 4 Gelenkfortsiitze) unter Beriicksichti­gung der Zeitabhiingigkeit und der Dosierung der Aluminiumgaben.

3.1. Aluminiumverteilung in verschiedenen Knochenarealen

Unterschiede in der Aluminiumverteilung zwischen Al-positiven Gruppen nicht nephrek­tomierter und 5/6 nephrektomierter Ratten (A3 , B3) konnten nicht gefunden werden. Ober eineeinfache Varianzanalyse lieBen sich auch keine signifikanten Unterschiede (P = 0,90) derAluminiumverteilung im Domfortsatz und in den 4 Gelenkfortsiitzen des Lendenwirbels finden.Die deutlichsten Verteilungsunterschiede hinsichtlich der Aluminiurnkonzentrationen konnten imWirbelkorper am Obergang von der Compacta (Rand des WK) zur Spongiosa (Zentrum) und zumRiickenmarkskanal gefunden werden. Dieses parabelformige Konzentrationsprofil priigte sich abder 4. Woche iiber die 8. Woche bis zur 12. Woche immer deutlicher aus (Abb. 3).

3.2. Zeitabhiingigkeit der Aluminiumakkumulation

Betrachtet man die Aluminiumverteilungskurven hinsichtlich ihres zeitlichen Auftretens,lassen sich 2 Feststellungen treffen. Die Tiere mit normaler Nierenfunktion (A3) lagerten nach der4. Woche bei hoher Aluminium-Belastung noch kein Aluminium im Knochen ab und zeigten Al­positive Befunde erst in der 8. und 12. Woche, wiihrend die 5/6 nephrektomierten Ratten Al­positive Ablagerungen schon nach der 12. Woche bei geringer Aluminiumbelastung (B2) und inallen getesteten Zeitintervallen (4., 8., 12. Woche) der Gruppe B3 mit hoher Aluminiumzufuhraufwiesen (Abb. 4,5). Wenn auch der EinfluB der Nierenfunktion auf die Aluminium-Knochenein­lagerung als nicht signifikant (V. GUNTHER 1985; D.GUNTHER 1987) ermittelt wurde, ist einezeitlich friihere Aluminiumakkumulation bei den nierengeschiidigten Tieren nicht zu iibersehen(s. Tabellen 3, 4).

3.3. Dosisabhiingigkeit der Aluminiumakkumulation

Statistisch gesichert (P = 0,95) sind die Aluminiumeinlagerungen 12 Wochen nach geringerund hoher Aluminiumbelastung (0,05 und 0,5 mg AI/lOO g KG). Unterschiede zwischen 5/6nephrektomierten und nicht nephrektomierten Ratten bestanden in der Aluminiumeinlagerung beieiner Belastung von 0,05 mg Al/lOO g KG dahingehend, daB bei den Tieren mit eingeschriinkterNierenfunktion Aluminium nachgewiesen werden konnte, bei den Tieren mit normaler Nierenfunk­lion nicht (Abb. 6).

4. Diskussion der Befunde

Aluminium gehort zu den weit verbreiteten Elementen in der Erdrinde (REMY 1954) mit jahrlich steigenderGewinnung und technologischer Nutzung. Es gelangt u. a. tiber Grund- und Trinkwasser, dessen Aluminiumkonzen­trationen bei der Wasserautbereitung durch Zusatz von Aluminium als Klarmittel zur Fallung organischer Bestandteileoft noch weiter erhoht werden (ELLIOT et al. 1978) in den Gastrointestinaltrakt oder beispielsweise bei der Herstellungund Verabfolgung von Dialysefltissigkeiten auch in die Blutbahn. Aus der Luft aufgenommenes Aluminium wird tiberdie Atemwege inhaliert und soli, da sich die hochsten Him-Aluminium-Konzentrationen im Bulbus und im Tractusolfactorius finden lieBen, vermutlich hauptsachlich tiber den axoplasmatischen Strom des N. olfactorius und in zweiterLinie tiber die Blut-Him-Schranke in das Gehim gelangen konnen (BEISTER 1987). Da unter normalen Umweltbedin­gungen die Aufnahme von Aluminium tiber Haut, Schleimhaute und Lunge vemachlassigbar gering ist und tiber denGastrointestinaltrakt in den Korper gelangtes Aluminium normalerweise tiber die Nieren mit dem Ham, tiber die

Lasermikrospektralanalytische Bestimmungen 181

AI-Konzentration c·!g-3 %l1asse

At-I<onzentration c·IO-3 %l1asse

nich! nephre/rtomiert-x- 12 Wochen I A3)---x--- 8Wodlen (Aj)

5/5 nephrelftomiert-x- 12 Wochen (83)

--x__ 8 WochenlB3)

.

" '''. /.\ /, --"""')1; _,JIC "')(~I_)l ",,/"x X,__lC- ---.....

5

15

10

o

8

2

6

18

12

16

10

oo 0.2 0." 0,6 0.8normierler Abstand

1,0

OL....,. ~...

1 0normierter Abstand

Abb.3 Abb. <I

Abb. 3. Aluminiumablagerung in den verschiedenen Knochenarealen nach hoher Aluminiumbelastung (83),

Abb. 4. Zeitabhangige Aluminiumakkumulation im Wirbelkorper bei 5/6 nephrektomierten und nicht nephrektomier­ten Ratten 8 und 12 Wochen nach hoher Aluminiumbelastung (83, A3).

A/-Konzen/ra/ion c·l0-3 %l1asse

normierter Abstand

-x- f/6 nephreldomierl-x- nichl nephre/rlomierl-v- 5/6 nephrelrlomiert-v- nichl nepllrektomierl

o

Abb. 6

.",>~:~?~"v vo v--v--v--v--v

5

10

15

" 8 12nich! nephreMomiert

IA3 )

" 8 125/6 nephrelrtomiert

(83)

80

Houfiglrei/ COlo ]

Abb.5

Abb. 5. Prozentuale Haufigkeiten der Aluminiumspektren mit Konzentrationen ~ 2,2 x 10-3 Massen % bezogenauf die Gesamtspektrenanzahl.

Abb. 6. Dosisabhangige Aluminiumakkumulation im Wirbelkorper bei 5/6 nephrektomierten und nicht nephrek­tomierten Ratten 12 Wochen nach geringer (82 , A2 ) und hoher Aluminiumbelastung (83, A3 ).

14 Acta histochcm., Bd. 85

182 RAINER SCHMIDT, L. MOENKE-BLANKENBURG und D. GUNTHER

G31lensekretion oder in Form des unliislichen Aluminiumphosphates mit der Faeces ausgeschieden wird (WILLS undSAVORY 1983), sind biologische Nebenwirkungen bisher kaum mitgeteilt worden (GRAF et al. 1980). Einhomiiostatischer Regulationsmechanismus halt vermutlich die aufgenommene Aluminiummenge niedrig, so daB beieiner Aluminiumaufnahme von Ibis 5 mgld bei gesunden Personen die mittlere Aluminiumgesamtmenge im Kiirperetwa 30bis6O mg betragt (KAEHNyetal. 1977; SCHMIDTund MISSNER 1980). 1m Blutwirddas Aluminium zu 80% anProteine (10 bis 20 % an Albumine, 60 bis 70 % an hochmolekulare Proteine) gebunden, und ca. 20 % des Aluminiumssind ungebunden und ultrafiltrabel. Erst bei erhiihter Aluminiumaufnahme durch Nahrungsmittel mit hohemAluminiumgehalt, bei Verwendung aluminiumh31tiger Kosmetika und Pharmaka, nach Staubinhalation oderLangzeitdialyse infolge einer Niereninsuffizienz kommt es durch Oberschreiten der Plasma-Proteinbindungskapazitatfur Aluminium zu einer Ablagerung und Anreicherung des Metalls vor allem in Gehirn und Knochen (DRUCKE 1980,1985; DELLING et al. 1983 u. a.). Wie fiir eine Reihe anderer Metalle sind Transportweg und Einlagerungsmechanis­mus des Aluminiums in Gewebe und Organe noch nicht viillig geklart. Bei peroraler Aufnahme wird in Abhangigkeitvon der Dosis, vom Phosphatgehalt der Nahrung, von der Resorptionsoberflache und vom pH-Wert (POGGLITSCH1981) Aluminium in griiBeren Mengen in Magen und proximalem Duodenum, meist in Form von Aluminiumhydroxidund Aluminiumcarbonat, aufgenommen (KAEHNY et al. 1977), wobei Niereninsuffizienz, Magenschleimhautveran­derungen und Duodenalaffektionen die gastrointestinale Resorption des Aluminiums bis zu 40% erhiihen sollen(ALFREY et al. 1980; CARTIER et al. 1981). Das AusmaB der Aluminiumkonzentrationszunahme, die Art und Anzahlder befallenen Organe mit morphologischen Schadigungen hangt auch von der Form der Aluminiumaufnahme ab. Beiparenteraler Zufuhr nach jahrelanger Dialyse sind Aluminiumwerte im Gesamtkiirper bestimmt worden, die dasl00fache von Normalwerten erreichten (ELLIOT et al. 1978) und bevorzugt durch die chronische Niereninsuffizienzdialysezeitabhangige Aluminiumablagerungen in Gehirn und Skelet bewirkten. Eine durch Aluminium bedingteOsteomalacie kiinnte Folge eines verminderten Phosphateinbaues in den Knochen und einer Stiirung der oxidativenPhosphorylierung sein (BERSIN 1963), indem Calcium durch das Aluminium aus der Bindung mit saurenPhospholipiden verdrangt wird (WARDLE 1983). Die bei der Aluminiumosteomalacie typischen k1inischen Erschei­nungen wie Knochenschmerzen, pathologische Frakturen und Resistenz gegeniiber einer Vitamin-D-Therapie sindmit entsprechenden morphologischen Befunden korreliert. Aluminiumablagerungen an der Mineralisationsfront undim Osteoid (BONUCCI et 31. 1984; DELLING et 31. 1983; ELLIS et al. 1979; ROBERTSON et al. 1983; SCHMIDT 1983;ZUMKLEY et al. 1984), Stiirungen im Knochenumbau durch verminderte Osteoblastenaktivitat und verziigerteMineralisation (DELLING et al. 1983; DRUCKE 1980; SCHMIDT 1984) konnten teilweise histochemisch bei den durch 5/6 Nephrektomie in einen chronisch-uramischen Zustand versetzten Tieren nachgewiesen werden. Die im gleichenTierversuch (GUNTHER 1985) bestimmten zusatzlichen Parameter wie Kiirpergewicht, C31cium- und Phosphat­spiegel, Harnstoff- und Kreatininwerte zeigten bei den angegebenen Versuchsbedingungen nur Unterschiedezwischen den nicht- und 5/6 nephrektomierten Ratten bei den beiden letztaufgefiihrten Parametern. Der Anstieg derHarnstoff- und Kreatininwerte bei den 5/6 nephrektomierten Ratten wurde jedoch als Reaktion auf die chronischeNiereninsuffizienz bei diesen Tieren zuriickgefiihrt und nicht als Foige der hohen Aluminiumbelastung gewertet. Dieintracytoplasmatischen Aluminiumeinlagerungen im Makrophagen des Knochenmarks zeigten ein gegensatzlichesVerhalten zu den Aluminiumeinlagerungen in den Wirbelknochen. Bei den nicht nephrektomierten Tieren konntenhistochemisch in den Gruppen mit geringer (Az) und hoher Aluminiumbelastung (A)) und normaler Nierenfunktionbereits ab der 4. Woche und bei den 5/6 nephrektomierten nur in der Gruppe mit IOfach hiiheren Aluminiumgaben (B))zu diesem Zeitpunkt (4. Woche) Aluminium nachgewiesen werden, wobei die Gruppe der nephrektomierten Tiere mithoher Aluminiumzufuhr (B)) mehr Aluminium einlagerten als die der entsprechenden Versuchsgruppe bei dennierengesunden Tieren (A)). Die Gruppe A), nierengesund mit hoher Aluminiumzufuhr, enthielt wiederum mehraluminiumhaltige Makrophagen als die Gruppe mit niedriger Aluminiumbelastung (Az). Eine Funktionsiiberlastungbei den Makrophagen der 5/6 nephrektomierten Tiere kiinnte eine Ursache fiir die friihzeitigere Einlagerung vonAluminium in den Knochen mitbewirken. Vergleicht man unsere nach einem festgelegten Raster mit derLasermikroanalyse gewonnenen qualitativen und quantitativen Aluminiumbestimmungen in Wirbelkiirper, Dornfort­satz und in den 4 Gelenkfortsatzen in Abhangigkeit von der applizierten Aluminiumdosis, der Zeitdauer derVerabfolgung und einer normalen oder insuffizienten Nierenfunktion mit den entsprechenden histochemischenAluminiumnachweisen, besticht die gute Obereinstimmung der Aluminiumlokalisationen bei 2 voneinanderunabhangigen, sich aber gut erganzenden Verfahren. Die Lasermikroanalyse eignet sich somit zur Objektivierung undauch zur begrenzten Quantifizierung histochemischer Metallnachweise. Wenn der EinfluB der Nierenfunktion auf dieAluminiumknocheneinlagerungen von V.GUNTHER (1985) und D.GUNTHER (1987) anhand ihrer getrenntenBefunddeutungen als nicht sicher eingeschatzt wurde, darf nach den lasermikroanalytischen Befunden eine zeitlichfriihere Aluminiumakkumulation im Lendenwirbel bei den nierengeschadigten Tieren nicht iibersehen werden.

Lasermikrospektralanalytische Bestimmungen

Zusammenfassung

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Lasermikrospektralanalytisch wurden Anschnitte von in Kunstharz eingebetteten Rattenlendenwirbeln (108 Rat­ten, davon 54 nicht nephrektomiert und 54 Tiere 5/6 nephrektomiert, geteilt in jeweils 3 Gruppen mit unterschied­lichen Aluminiumbelastungen bis zu 12 Wochen) nach einem festgelegten Raster topographisch auf Aluminiumqualitativ und quantitativ im Wirbelk6rper, im Dornfortsatz und in den 4 Gelenkfortsiitzen in Abhiingigkeit von derapplizierten Aluminiumdosis, der Zeitdauer der Verabfolgung und einer normalen oder insuffizienten Nierenfunktionuntersucht und mit histochemischen Aluminiumnachweisen nach IRWIN (1985) am gleichen Untersuchungsmaterialverglichen (GONTHER 1985).

Lendenwirbel nichtaluminiumbelasteter Kontrolltiere der nicht und 5/6 nephrektomierten Gruppen enthieltenkein laserspektralanalytisch oder histochemisch nachweisbares Aluminium in den getesteten Zeitintervallen, wiihrendbei geringer tiiglicher Aluminiumbelastung (0,05 mg/100 g KG) nur bei den 5/6 nephrektomierten Tieren nach12 Wochen Applikationsdauer Aluminiumspuren spektralanalytisch nachweisbar waren. Bei IOfach h6hererAluminiumverabreichung pro d (0,5 mg/IOO g KG) lagerte sich bei den nicht nephrektomierten Ratten ab der8. Woche und bei den 5/6 nephrektomierten Rauen schon von der 4. Woche an Aluminium vor allem in denWirbelk6rpern ein. Unterschiede in der Aluminiumverteilung zwischen Al-positiven Gruppen nicht nephrektomierterund 5/6 nephrektomierter Tiere bestanden nicht, wohl aber signifikante Aluminiumverteilungsunterschiede hinsicht­lich der Konzentration am Obergang von der Compacta (Rand des Wirbelk6rpers) zur Spongiosa (Zentrum desWirbelk6rpers) und zum Canalis vertebralis, die sich ab der 4. Woche tiber die 8. bis zur 12. Woche immer deutlicherauspriigten.

Da der histochemische Nachweis des Aluminiums in der 5/6 nephrektomierten Gruppe bei hoher Aluminium­dosierung erst nach der 12. Woche positiv ausfiel und bei 10fach geringerer Dosis in der 12. Woche Aluminiumhistochemisch im Gegensatz zur LMA nicht erfaBt werden konnte, darf auf eine h6here Empfindlichkeit derLasermikroanalyse im Vergleich mit der histochemischen Aluminiumerfassung nach IRWIN (1955) auf eine zeitlichfrtihere Aluminiumakkumulation geschlossen werden.

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Anschrift: Prof. Dr. sc. med. Dr. rer. nat. RAINER SCHMIDT, Institut fUr Anatomie der Martin-Luther-Universitiit,PSF 302, Halle, DDR - 4010; Prof. Dr. sc. nat. LIESELOTTE MOEHNKE und Dipl.-Chem. DETLEF GUNTHER, SektionChemie der Martin-Luther-Universitiit, Weinbergweg 16, Halle, DDR - 4050.