Wegen naast de weegschaal

/strong>

Het zal niet snel gebeuren, maar toch kan het. Een overdosis water. Immers, elke stof is bij een bepaalde concentratie giftig. Water is het meest voorkomende goedje, in ons lichaam en op aarde. Zou het daarom pas bij extreem grote hoeveelheden gevaarlijk zijn voor onze gezondheid?

Het zou kunnen. Voor de elementen in onze aardkorst is er een theorie met zo%n achterliggende gedachte. Hoe kleiner de concentratie waarbij een metaal toxisch is voor een organisme, hoe minder vaak ze voorkomt in de natuur. Deze inverse relatie tussen de toxiciteit van elementen en hun natuurlijke voorkomen wordt in de toxicologie het abundance priciple genoemd.

,,Grofweg gezegd is het niet eens zo gek idee”, zegt dr. Bert Wolterbeek, senior wetenschappelijk onderzoeker bij de afdeling radiochemie van het Interfacultaire Reactorinstituut (IRI). ,,De theorie sluit aan bij de evolutietheorie en natuurlijke selectiedruk. Maar als chemisch analyticus wil je dit aan de hand van experiment%resultaten laten zien.”

Het bestaande abundance priciple beschreef alle elementen die er op aarde zijn, maar niet alle toestanden waarin elementen voorkomen als ze in waterige oplossingen zitten.

Het model dat Wolterbeek bedacht, houdt wel rekening met de verschillende toestanden of oxidatietoestanden. Zo kan het de toxiciteit van metalen beter voorspellen, in welk organisme dan ook.

,,Het dondert niet of we kijken naar de hoeveelheid koper, ijzer of zilver in een muis, watervlo, enzymsysteem of waar dan ook. Met dit model kunnen we in elk systeem de toxische dosis van elementen voorspellen”, vertelt Wolterbeek. ,,En we kunnen de toxiciteit van metalen berekenen zonder dat we ze werkelijk aan dieren toedienen. Hopelijk leidt dit uiteindelijk tot veel minder proefdierexperimenten.”

Wolterbeek maakte een literatuurstudie van algemene karaktereigenschappen van alle elementen. Deze bepalen samen de chemische reactiviteit van de stoffen; hoe makkelijk ze elektronen opnemen, de atoomomvang en gewicht. Kortom, eigenschappen die omschrijven hoe graag elementen aan reacties meedoen.

Germanium, cesium, borium, lithium, uranium, mangaan en seleen waren uiteindelijk de ‘hoeksteenelementen’ die de minimale en maximale waarden van deze vier eigenschappen hadden. ,,Doordat we nu de uitersten voor chemische eigenschappen hadden, konden we een weegschaal voor toxiciteit maken die alles omvatte”, legt Wolterbeek uit.

De volgende keer als wetenschappers kijken bij welke concentratie lood muisjes bijvoorbeeld kaal worden, maken ze eerst een ‘weegschaal’ met alle hoeksteenelementen. Muizen krijgen de hoeksteenelementen toegediend, zodat de dosis waarbij geheel of gedeeltelijk haaruitval optreedt, bekend wordt. De weegschaal voor het effect ‘haaruitval’ is nu bekend. Lood valt binnen de minimale en maximale chemische eigenschappen en hoeft niet meer toegevoegd te worden. ,,Lood kun je nu voorspellen. En tegelijk ook alle andere elementen. Omdat alle uitersten zijn meegenomen in de kalibratie.”

Tot nu toe kenden toxicologen die uitersten niet. Ze trokken conclusies vanuit gemeten toxische concentraties door naar vele grotere concentraties terwijl de schaalverdeling niet klopte. ,,Sommige toxicologen maakten de fout door buiten het toegestane gebied te meten. Het model dat ik ontworpen heb, heeft echter wel de juiste schaalverdeling, je meet dus nooit naast de weegschaal.”

Niet alleen onthult het model dat veel toxicologen metaaltoxiciteit verkeerd voorspellen, maar ook dat zijn resultaten kloppen met het abundunce principle.

Commercieel

Het gedrag van een element kunnen voorspellen voor elk organisme is handig, alleen heeft een onderzoeker er weinig aan. Immers, in de natuur komt niets alleen voor. ,,Het voorspellen van mengselgedrag is het moeilijkste van de toxicologie. Nu we het gedrag van één element onder allerlei omstandigheden goed weten te voorspellen, hebben we een stevige basis om door te gaan.”

Met algenculturen wil Wolterbeek het effect van metaalmengsels achterhalen. ,,We zijn van plan te gaan werken met diercellen, gisten en bacteriën. Gelukkig zijn de meeste cellijnen commercieel verkrijgbaar en hoef je ze niet uit organen en weefsels te ontwikkelen. Van huis uit ben ik weliswaar bioloog, maar het is wel zo handig om ze te kopen.”

Wolterbeek baseert zijn vindingen op dertig studies naar de toxiciteit van metalen in de wetenschappelijke literatuur die hij met zijn nieuwe model bekeek. Hij kreeg van collega-toxicologen positieve reacties en hoopt op meer. ,,Iedereen heeft zijn eigen manier vanexperimenteren. Als iemand anders met mijn methode aan de slag gaat komen er vanzelf vragen. Dingen waar ik niet aan dacht. Zo wordt het model telkens aangepast en beter. Wie weet kunnen we uiteindelijk echt een reële mengselsituatie voorspellen.”

aut Ingrid Leeuwangh

De giftigheid van metaalmengsels is lastig te voorspellen. IRI-onderzoekers willen daar verandering in brengen. Ze werken aan een nieuw model, een glazen bol voor toxicologen. Proefdieren kunnen er blij mee zijn.

Het zal niet snel gebeuren, maar toch kan het. Een overdosis water. Immers, elke stof is bij een bepaalde concentratie giftig. Water is het meest voorkomende goedje, in ons lichaam en op aarde. Zou het daarom pas bij extreem grote hoeveelheden gevaarlijk zijn voor onze gezondheid?

Het zou kunnen. Voor de elementen in onze aardkorst is er een theorie met zo%n achterliggende gedachte. Hoe kleiner de concentratie waarbij een metaal toxisch is voor een organisme, hoe minder vaak ze voorkomt in de natuur. Deze inverse relatie tussen de toxiciteit van elementen en hun natuurlijke voorkomen wordt in de toxicologie het abundance priciple genoemd.

,,Grofweg gezegd is het niet eens zo gek idee”, zegt dr. Bert Wolterbeek, senior wetenschappelijk onderzoeker bij de afdeling radiochemie van het Interfacultaire Reactorinstituut (IRI). ,,De theorie sluit aan bij de evolutietheorie en natuurlijke selectiedruk. Maar als chemisch analyticus wil je dit aan de hand van experiment%resultaten laten zien.”

Het bestaande abundance priciple beschreef alle elementen die er op aarde zijn, maar niet alle toestanden waarin elementen voorkomen als ze in waterige oplossingen zitten.

Het model dat Wolterbeek bedacht, houdt wel rekening met de verschillende toestanden of oxidatietoestanden. Zo kan het de toxiciteit van metalen beter voorspellen, in welk organisme dan ook.

,,Het dondert niet of we kijken naar de hoeveelheid koper, ijzer of zilver in een muis, watervlo, enzymsysteem of waar dan ook. Met dit model kunnen we in elk systeem de toxische dosis van elementen voorspellen”, vertelt Wolterbeek. ,,En we kunnen de toxiciteit van metalen berekenen zonder dat we ze werkelijk aan dieren toedienen. Hopelijk leidt dit uiteindelijk tot veel minder proefdierexperimenten.”

Wolterbeek maakte een literatuurstudie van algemene karaktereigenschappen van alle elementen. Deze bepalen samen de chemische reactiviteit van de stoffen; hoe makkelijk ze elektronen opnemen, de atoomomvang en gewicht. Kortom, eigenschappen die omschrijven hoe graag elementen aan reacties meedoen.

Germanium, cesium, borium, lithium, uranium, mangaan en seleen waren uiteindelijk de ‘hoeksteenelementen’ die de minimale en maximale waarden van deze vier eigenschappen hadden. ,,Doordat we nu de uitersten voor chemische eigenschappen hadden, konden we een weegschaal voor toxiciteit maken die alles omvatte”, legt Wolterbeek uit.

De volgende keer als wetenschappers kijken bij welke concentratie lood muisjes bijvoorbeeld kaal worden, maken ze eerst een ‘weegschaal’ met alle hoeksteenelementen. Muizen krijgen de hoeksteenelementen toegediend, zodat de dosis waarbij geheel of gedeeltelijk haaruitval optreedt, bekend wordt. De weegschaal voor het effect ‘haaruitval’ is nu bekend. Lood valt binnen de minimale en maximale chemische eigenschappen en hoeft niet meer toegevoegd te worden. ,,Lood kun je nu voorspellen. En tegelijk ook alle andere elementen. Omdat alle uitersten zijn meegenomen in de kalibratie.”

Tot nu toe kenden toxicologen die uitersten niet. Ze trokken conclusies vanuit gemeten toxische concentraties door naar vele grotere concentraties terwijl de schaalverdeling niet klopte. ,,Sommige toxicologen maakten de fout door buiten het toegestane gebied te meten. Het model dat ik ontworpen heb, heeft echter wel de juiste schaalverdeling, je meet dus nooit naast de weegschaal.”

Niet alleen onthult het model dat veel toxicologen metaaltoxiciteit verkeerd voorspellen, maar ook dat zijn resultaten kloppen met het abundunce principle.

Commercieel

Het gedrag van een element kunnen voorspellen voor elk organisme is handig, alleen heeft een onderzoeker er weinig aan. Immers, in de natuur komt niets alleen voor. ,,Het voorspellen van mengselgedrag is het moeilijkste van de toxicologie. Nu we het gedrag van één element onder allerlei omstandigheden goed weten te voorspellen, hebben we een stevige basis om door te gaan.”

Met algenculturen wil Wolterbeek het effect van metaalmengsels achterhalen. ,,We zijn van plan te gaan werken met diercellen, gisten en bacteriën. Gelukkig zijn de meeste cellijnen commercieel verkrijgbaar en hoef je ze niet uit organen en weefsels te ontwikkelen. Van huis uit ben ik weliswaar bioloog, maar het is wel zo handig om ze te kopen.”

Wolterbeek baseert zijn vindingen op dertig studies naar de toxiciteit van metalen in de wetenschappelijke literatuur die hij met zijn nieuwe model bekeek. Hij kreeg van collega-toxicologen positieve reacties en hoopt op meer. ,,Iedereen heeft zijn eigen manier vanexperimenteren. Als iemand anders met mijn methode aan de slag gaat komen er vanzelf vragen. Dingen waar ik niet aan dacht. Zo wordt het model telkens aangepast en beter. Wie weet kunnen we uiteindelijk echt een reële mengselsituatie voorspellen.”

aut Ingrid Leeuwangh