Innånding, avsetning og fjerning av svevestøv i luftveier og lunger

Innånding, avsetning og fjerning av svevestøv i luftveier og lunger Rapport utarbeidet for Statens vegvesen, Vegdirektoratet av Nasjonalt folkehelseinstitutt Oslo, mai 2004

FORORD 2 Denne rapporten er laget av Per E. Schwarze, Marit Låg og Magne Refsnes ved Avdeling for luftforurensning og støy, Nasjonalt folkehelseinstitutt på oppdrag fra Vegdirektoratet ved Pål Rosland (Bedre byluft). Hensikten er å beskrive hvordan svevestøvet kan pustes inn og avsettes i luftveier og lunger og hvordan kroppen er i stand til å håndtere og uskadeliggjøre denne forurensningen. Helseeffekter av svevestøvet beskrives ikke her. Svevestøv vurderes som en viktig komponent av luftforurensningen med stor betydning for menneskers helse. Ulike eksperimentelle undersøkelser og studier av potensielt følsomme befolkningsgrupper viser at svevestøvet kan utløse sykdom og for tidlig død gjennom å skade luftveier og lunger, og også andre organer. Det er derfor viktig å vite hvordan svevestøvet kommer inn i kroppen, hvilke skader og hvordan disse oppstår, og hvordan kroppen kan forsvare seg mot denne forurensningen. Mekanismer for avsetning og fjerning av svevestøv, som beskrevet i denne rapporten, er en viktig del av disse prosessene. Kunnskapen om disse mekanismene er viktig for å kunne vurdere helserisikoen ved eksponering for ulike typer partikler som finnes i luften og som pustes inn. Nasjonalt folkehelseinstitutt Statens vegvesen, Vegdirektoratet

3 INNHOLD 1. Innledning... 4 1.1 Luftveier og lunger... 4 1.2 Partikler... 5 2. Innånding og avsetning av partikler i luftveier og lunger... 7 3. Fjerning av partikler... 9 3.1 Løselige partikler og løselige komponenter på partikler... 10 3.2 Lite løselige partikler...10 4. Avsetning og fjerning av partikler hos følsomme grupper... 12 4.1 Alder... 12 4.2 Kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS)... 13 4.3 Astma... 14 4.4 Andre risikogrupper... 14 5. Oppsummering... 14 6. Litteratur... 15

1. Innledning Partikler i uteluft varierer betydelig i størrelse og har vist seg å kunne forårsake økt sykelighet og dødelighet, spesielt hos lunge- og hjertesyke. Hvilke partikler som kan pustes inn, hvor de avsettes og hva som skjer med dem i luftveier og lunger har stor betydning for partiklers utløsning av helseskadelige effekter. Pustemåte, fysisk aktivitet, eventuell eksisterende sykdom og partikkelegenskaper har betydning for i hvilke deler av luftveissystemet partiklene blir avsatt. Avhengig av om, hvordan og hvor fort partiklene fjernes, vil de kunne bli i lungene i ulik tid og dermed ha ulikt potensiale til å utløse skadelige helseeffekter. For enkelte partikler eller komponenter festet til partikler, vil det også være mulig å komme over i blodbanen og derved nå andre organer i kroppen. 1.1 Luftveier og lunger Opptak av oksygen skjer i lungeblærene (alveolene). Luften ledes til lungeblærene gjennom luftveiene. I innåndingsluften finnes det i tillegg til gasser og damper, fremmedlegemer som kan virke skadelige. Slike fremmedlegemer kan være virus, bakterier, allergiske stoffer, væskedråper og faste partikler. Luftveier og lunger er bygd opp slik at fremmedlegemer i størst mulig grad kan forhindres å nå dypere avsnitt, uskadeliggjøres og/eller fjernes. 4 Figur 1: Oversiktsbildet (til venstre) viser hele luftveissystemet; de øvre luftveier med nese- og munnhule (rødt område), det trakeobronkiale området med luftrør og bronkier (blått) og de videre forgreininger i lungene. Detaljbildet (til høyre) viser forgreininger og lungeblærer med gassutvekslingssonen og blodforsyning. Kilde: Martini, Anatomi and Physiology, Pearson Education Inc., 2003. Ulike celler med svært forskjellige egenskaper finnes i luftveiene og lungeblærene. Noen celler er kledd med flimmerhår (cilier) og er involvert i transport av slimlaget til svelget ("slimheisen"). Dermed vil også fremmedlegemer som støvpartikler og mikrober kunne transporteres bort. Andre celler produserer slimlaget og skiller også ut stoffer som motvirker effekter som partikler og andre fremmedlegemer kan forårsake. I gassutvekslingssonen i lungeblærene finnes mange spesialiserte celler (makrofager) som tar opp og bryter ned fremmedlegemer. I de fineste luftveisforgreiningene og i lungeblærene er slimlaget tynnest. Her bidrar noen av cellene som kler veggene med å danne dette tynne slimlaget. Når det kommer tilstrekkelig med fremmedlegemer ned i lungene vil cellene der sende ut signalstoffer

som tilkaller celler som lager en betennelsesreaksjon for å uskadeliggjøre fremmedlegemene. Blant slike celler er forskjellige typer hvite blodlegemer (granulocytter og lymfocytter). Sterke og vedvarende betennelsesreaksjoner kan imidlertid gi celleskade og føre til at flere områder i lungene blir mer følsomme for sykdom. Dette kan forsterkes ved at noen særskilte celler sender ut ytterligere signaler (histamin) om at fremmedlegemer må uskadeliggjøres. Histamin kan føre til at luftveiene trekker seg sammen slik at luften har vanskeligere for å passere, og dette kan igjen forsterkes ved at det dannes unormalt mye slim. Slike forhold er typisk for noen lungesykdommer. 1.2 Partikler Svevestøv er definert som små partikler som holder seg svevende i luften i lengre tid. Grovt sett kan svevestøv deles inn i tre størrelseskategorier: ultrafine, fine og grove partikler. Ultrafine partikler har en aerodynamisk diameter fra 0,001 til 0,1 µm, fine fra 0,1 til 2,5 µm og grove partikler fra 2,5 til 10 µm (1 µm (mikrometer = 1000 nm (nanometer). Figur 2 nedenfor illustrerer forenklet hvordan sammensetningen av størrelseskategoriene kan være. Partikler typiske for hver størrelseskategori Ultrafine partikler Fine partikler Grove partikler Forbrenning Forbrenning Utslipp av store partikler (vegdekkeslitasje) Andre utslipp Andre utslipp Støv fra jord Radioaktive nedbrytningskomponenter Kondensering Tåke og sjøsprøyt Gass til partikkelomforming Sammensmelting av ultrafine partikler Sporer og pollen 5 Relativ mengde per liter Figur 2: Inndeling i ultrafine, fine og grove partikler. En forenklet illustrasjon over relativ mengde av partikkelgruppene. I uteluften består de fleste ultrafine og fine partiklene av forbrenningspartikler. Grove partikler domineres av mekanisk genererte partikler. Det meste av veidekkeslitasjepartiklene er grove partikler. Kilde: Figur fra R. Phalen: The Particle Air Pollution Controversy, Kluwer Academic Publishers, 2002. Byluftpartikler kan ha svært ulik sammensetning. De kan bestå av forbrenningspartikler, dråpeformede partikler som inneholder syrer, eller partikler generert ved mekanisk slitasje av veidekke (stein- eller sandpartikler). På byluftspartikler er det som regel bundet en rekke mer eller mindre løselige komponenter som metaller, organiske forbindelser, allergiske stoffer, soppsporer, etc. (se Figur 3). Særlig karbonholdige forbrenningspartikler har mange ulike stoffer bundet til seg.

6 Forbrenningspartikkel med ulike komponenter bundet Andre organiske stoffer Metaller Allergener SO 2-4 - NO 3 Karbon PAH Deler av soppsporer, endotoksiner Gasser Figur 3: En forenklet utgave av typisk partikkel dannet under forbrenningsprosesser. Partiklene består ofte av en rekke forskjellige komponenter bundet mer eller mindre fast til en kjerne av karbon. Enkelte av komponentene har festet seg til primærpartikkelen allerede under selve forbrenningsprosessen, mens andre komponenter ute i byluften binder seg først senere. Størrelsen av komponentene i figuren er ikke ment å antyde mengdeforhold eller betydning for helse. Forbrenningspartikler kan dannes ved ufullstendig forbrenning av organisk materiale. Overflaten på partikkelen er da slik at mange forskjellige, kjemiske og biologiske komponenter kan bli bundet. Noen partikler kan vokse i størrelse over tid i luften når de støter sammen med andre partikler, mens andre vokser i kontakt med fuktighet. Sure partikler som inneholder sulfat eller nitrat, vil vokse meget raskt i kontakt med det fuktige miljøet i luftveiene. Det er stor variasjon i størrelsen mellom forskjellige typer partikler og dette gir seg utslag i store forskjeller i antall partikler per liter innåndet luft og samlet overflateareal av partiklene (se Figur 4). Partikler av ulike størrelser Relative størrelsesforhold 10 µm : Svart 1 µm: Hvit 0,1 µm: Grønn Figur 4: Illustrasjon av størrelsesforskjellen mellom ultrafine, fine og grove partikler.

7 2. Innånding og avsetning av partikler i luftveier og lunger Eksponering av frivillige forsøkspersoner har vist at selv store partikler på 100 µm, og antagelig også større partikler, vil kunne pustes inn (se Figur 5). Omtrent halvparten av alle partikler mellom 30 og 100 µm, som befinner seg i pustesonen, kan innåndes. Mindre partikler vil i enda større grad kunne pustes inn. Innånding som funksjon av partikkelstørrelsen Inhalerbarhet (%) Figur 5: Illustrasjon av i hvilken grad partikler av ulik størrelse pustes inn. Kilde: Figur fra R.. Phalen: The Particle Air Pollution Controversy, Kluwer Academic Publishers, 2002. Partikkeldiameter (µm) De aller fleste partiklene over 10 µm i diameter avsettes i de øvre luftveier (nese, munnhule og svelg) (se Figur 6), de når dermed ikke ned i lungene. Særlig ved pusting gjennom nesen fanges de største partiklene effektivt opp i øvre luftveier. Også en del fine og ultrafine partikler vil bli holdt tilbake og avsatt i neseslimhinnen og munnhulen (se NOPL i Figur 6). Særlig vil en stor andel av de aller minste partiklene (0,01 µm eller mindre) bli avsatt i disse områdene, blant annet fordi de der treffer et tykt slimlag. Fjerning av partiklene blir omtalt nedenfor i eget avsnitt (3). Partikler mindre enn 10 µm vil kunne passere nese, munnhule og svelg, og nå luftrøret og de store luftrørsforgreiningene (trakeobronkialt område (TB)). Noen partikler vil avsettes i dette området, blant annet en stor andel av ultrafine partikler. Partikler mindre enn 4-5 µm vil til en viss grad kunne passere forgreiningene lengre nede i bronkiene og i mindre luftveier. En vesentlig andel av disse partiklene greier ikke å følge retningsendringene i luftstrømmene og blir dermed sittende fast i veggene i luftveiene. Opptil 35% av de ultrafine og opptil 20% av de fine/grove partiklene når lengst ned i de fineste luftveiene og i lungeblærene (P). En betydelig andel av partiklene i fraksjonen mellom 0,1 og 1 µm avsettes imidlertid ikke på lungeveggene, og vil ved utånding følge med luftstrømmene ut igjen. Sammenlignet med mindre partikler eller større partikler, er avsetningen av denne fraksjonen således vesentlig lavere, slik det fremgår av kurven for totalavsetning (se Figur 6). Blant de aller minste partikler (0,01 til 0,1 µm) og for partikkelfraksjonen fra 1 til 4 µm, er avsetningen i de fineste luftveiene og lungeblærene derimot betydelig. Beregnet i forhold til, total lungeoverflate kan det synes som at konsentrasjonen av partikler blir meget begrenset. Imidlertid vil en stor andel av partiklene som kommer ned i lungene

avsettes i de begrensede områdene der luftstrømmen deler seg i de minste luftveiene og mellom lungeblærene. På disse skilleveggene kan mengden lokalt avsatte partikler bli høy. Dersom avsetningen ikke beregnes ut fra masse avsatt, men ut fra antallet partikler, vil bildet bli et annet. Gitt samme masse (vekt) vil antallet partikler være mye større for de minste partikler sammenlignet med de over 1 µm. Således vil de aller fleste partiklene som avsettes være veldig små, mens de store partiklene vil utgjøre et relativt lite antall. Ved munnpusting, og under fysisk aktivitet, kan luftmengden som pustes inn øke flere ganger. Mengden partikler som innåndes vil øke vesentlig og man vil også få økt avsetning, blant annet i de fineste luftveiene og lungeblærene. Slik økt innånding vil føre til at fjerningen av partikler som skjer i neseregionen ikke vil fungere og større partikler vil også i økt grad trenge lenger ned i luftveiene og lungeblærene. Avsetning av partikler 8 Figur 6: Avsetning i de forskjellige deler av luftveiene og lungene er avhengig av partikkeldiameter (A). Avsetningseffektiviteten er relatert til masse, ikke antall. Nedre del av figuren (B) viser avsetningen korrigert for innåndingseffektivitet. Ikke alle større partikler innåndes, og dermed blir avsetningen i lungene også lavere. Figur fra R. Phalen.: The Particle Air Pollution Controversy; Kluwer Academic Publishers, 2002. NOPL = Øvre luftveier med nese, munnhule og svelg TB = Luftrør og bronkier P = Lungeblærer Total = NOPL + TB + P Partikkeldiameter (µm)

3. Fjerning av partikler Fjerning av svevestøv fra luftveissystemet (luftveier + lunger) er avhengig av mange forskjellige faktorer. De viktigste er relatert til de fysikalsk-kjemiske egenskaper ved partiklene, som løselighet og partikkelstørrelse. En annen viktig faktor for fjerningen er hvor i luftveissystemet partiklene er avsatt. Det er store forskjeller både på mekanismer og hastigheter for fjerning, avhengig av om partiklene avsettes i luftveisforgreiningene eller helt nede i de fineste luftveiene og lungeblærene (se Figur 7). Fjerning av partikler fra lungene kan ta svært lang tid. Mer enn halvparten av de uløselige partiklene vil ikke bli fjernet fra dype lungeavsnitt, men vil forbli der i måneder eller år. Partiklene befinner seg da ofte ikke på et fast sted, men forflytter seg til ulike steder i lungevevet og kan være involvert i sykdomsprosesser. 9 Figur 7: Oversikt over forskjellige måter for å fjerne partikler fra luftveissystemet. Kilde: Haley and McClellan, 2000. Haley/McClellan 2000 Svevestøv/partikler kan gjerne deles inn i tre kategorier avhengig av løseligheten: 1) løselige partikler, 2) delvis løselige partikler og 3) lite løselige partikler. De fleste partiklene som forbindes med svevestøv i byluft vil være delvis løselige partikler (2). Noen av komponentene på svevestøvet er lettløselige (1), mens andre deler av svevestøvet er lite løselige (3). I avsnittene nedenfor vil det derfor bli beskrevet hvordan både den løselige og lite løselige fraksjonen av svevestøvet fjernes fra luftveier og lunger. For fjerning av den lite løselige fraksjonen er partikkelstørrelsen av stor betydning. Ultrafine partikler fjernes fra lungene ved andre mekanismer enn de fine og grove partiklene. Dette er delvis uavhengig av hvor i luftveissystemet partiklene avsettes, men også avsetningsstedet er med på å bestemme fjerningsmåten. Fjerning av uløselige partikler vil oftest bestå av mange trinn; en rask fjerning av partikler avsatt i øvre og midtre del av luftveissystemet, og en vesentlig langsommere fjerning av partikler avsatt i nedre del av luftveissystemet (små luftveier og lungeblærer) (se Figur 7). Å ha kunnskap om ved hvilke mekanismer fjerningen av partikler foregår, er viktig for å kunne vurdere hvor fort partiklene fjernes fra luftveissystemet, og også for å kunne vurdere om partiklene fjernes helt fra kroppen eller bare overføres til andre organer som lever, hjerte og nervesystem. Her er kunnskapen svært mangelfull, og ekstrapolering fra dyreforsøksdata er viktig.

3.1 Løselige partikler og løselige komponenter på partikler Når partikler avsettes i luftveissystemet, vil de først komme i kontakt med et væskelag som dekker overflaten av luftveiene og lungene. Denne væsken har forskjellig sammensetning avhengig av hvor den befinner seg i luftveissystemet, Den inneholder en rekke små- og høymolekylære forbindelser, blant annet forskjellige proteiner, antioksidanter, og også stoffer som nedsetter overflatespenningen i lungeblærene. Disse forbindelsene kan beskytte mot skadelige effekter av stoffer som pustes inn. Enkelte partikler eller forbindelser/ komponenter bundet til partikler kan oppløses helt eller delvis i dette væskelaget. Komponenter som metaller kan binde seg til proteiner eller andre molekyler i væskelaget, til proteiner i cellemembranen på overflateceller i luftveissystemet eller til bindevev, avhengig av løselighet (vann- eller fettløselig) og biokjemiske egenskaper. Derfra kan komponentene også nå blodåresystemet, ofte via lymfesystemet. Dette kan være en utskillelsesvei eller en måte disse komponentene kan nå andre organer på og forårsake mulige effekter der. 3.2 Lite løselige partikler Først beskrives de ulike måter som partikler fjernes på når de avsettes i den øverste og midtre del av luftveissystemet, og deretter beskrives fjerningen fra den nederste delen av luftveissystemet (små luftveier og lungeblærer). Så langt kunnskapen rekker beskrives fjerningen av de forskjellige størrelsesfraksjonene av partikler. I de større delene av de nedre luftveiene Lite løselige partikler fjernes hovedsakelig ved en "slimheis" (mucociliær transport) som er meget effektiv i denne delen av luftveissystemet. Overflatecellene i de øvre og midtre deler av de større luftrørsforgreiningene har flimmerhår, som slår med en rytmisk bevegelse slik at slimet transporteres opp mot svelget (se Figur 8). Denne transporten skjer raskest i de største forgreiningene av luftveiene, og saktere jo lenger ned i luftveissystemet partiklene avsettes. Partikler som avsettes i områder av luftveissystemet med denne "slimheisen" vil etter få timer og i hvert fall innen 1-2 dager være transportert til svelget, og dermed kunne komme over i magetarmkanalen. Derfra vil de svært ofte skilles ut via avføringen, men kan også, avhengig av løselighet, størrelse etc, tas opp fra tarmen. De fleste partiklene avsatt i dette området i luftveiene fjernes forholdsvis raskt via "slimheisen", spesielt gjelder dette for de større partiklene (>5 µm). Enkelte mindre partikler (<5 µm) vil kunne trenge igjennom overflatelaget av celler og tas opp av såkalte makrofager ("eteceller"), De aller minste partiklene, ultrafine partikler, vil kunne forbli lenge i dette området av luftveissystemet. Hva som kan skje med slike partikler blir beskrevet mer detaljert nedenfor. 10 Figur 8: Et elektronmikroskopisk bilde av luftveisceller med flimmerhår. Kilde: M. Låg, 1986.

I de mindre delene av de nedre luftveiene og lungeblærene I friske lunger vil partikler større enn 0,1 µm innen få timer bli tatt opp av makrofager (se Figur 9), Disse cellene har et maksimalt opptak av partikler med størrelse på rundt 1 µm, mens for partikler større enn 2 µm eller mindre enn 0,5 µm vil evnen til å ta opp partikler avta. 11 Figur 9: Et elektronmikroskopisk bilde av en makrofag (M) som er i ferd med å ta opp en silikapartikkel (SP). Kilde: G. Hetland og E. Namork, 2000. Partikler som tas opp av makrofager. For partikler som er av en størrelse som raskt tas opp, vil makrofagenes aktivitet og egenbevegelse avgjøre hva som skjer videre med disse små partiklene. Omtrent en tredjedel av de makrofag-opptatte partiklene i lungeblærene transporteres langs celleoverflatene av disse for videre transport med slim og flimmerhår i luftrørsforgreiningene og ved svelging over til magetarmkanalen. Over halvparten av makrofagene med partikler beveger seg derimot ned i overflatelaget av celler eller eventuelt videre inn i bindevevslaget. Hva som styrer bevegelsen av makrofager etter opptak av partikler er usikkert, men mye tyder på at det er kroppens signalstoffer som styrer makrofagenes bevegelser. De fleste partiklene som tas opp i makrofager vil forbli i lungevevet en tid, mens mellom 1 og 10% av avsatte partikler vil bli tatt opp av makrofager, som krysser luftveiscellene og så havner i lymfesystemet (se Figur l0). Partikler som er større enn 0,5 µm vil i liten grad nå sirkulasjonen, siden de raskt tas opp av makrofager. Når det gjelder ultrafine partikler; se avsnittet nedenfor. Figur 10: Oversikt over nedre luftveier og lunger med tilhørende lymfesystem. Kilde: Frank Netter 2003. Frank H. Netter, 2003

Makrofager har også stor kapasitet til helt eller delvis å fordøye og løse opp mikroorganismer, organiske og uorganiske partikler. Dette skjer mens makrofagene er under bevegelse. Nedbrytningsproduktene kan da gjennomgå lignende prosesser som er beskrevet ovenfor for løselige komponenter. Ultrafine partikler. Disse partiklene tas i mindre grad opp av makrofager, men det er lite kunnskap om hva som skjer med disse partiklene etter avsetning. De kan tas opp av type I (respirasjonsceller) og type II celler i lungeblærene, og enten forbli der eller transporteres over i bindevevet, lymfesystemet eller blodåresystemet. Det er vist at ultrafine partikler kan tas opp i sirkulasjonen og transporteres til andre organer avhengig av fysisk struktur og kjemisk sammensetning av overflaten på de ultrafine partiklene. Ultrafine partikler er blitt påvist i lever, milt, nyre, hjerte og hjerne. Fremdeles er det usikkert i hvilket omfang og på hvilken måte denne transporten skjer, imidlertid anses andelen av innåndete ultrafine partikler som kan nå andre organer generelt for å være lav. 4. Avsetning og fjerning av partikler hos følsomme grupper I befolkningsstudier er det vist at enkelte grupper i befolkningen er mer følsomme for helseskadelige effekter knyttet til eksponering for svevestøv. Det er således holdepunkter for at hjerte- og lungesyke, barn og eldre er mer plaget, og kan ha en høyere sykelighet og dødelighet ved eksponering for svevestøv i konsentrasjoner som finnes i norske byer. Det meste av den økte følsomheten for svevestøv skyldes antageligvis sykdom hos individer i disse risikogruppene (f.eks hjerte- og lungesyke). Svevestøvet synes å kunne forsterke og/eller framskynde sykdomsprosessene. Endringer i avsetning/fjerning av svevestøvet i lungene hos følsomme individer kan imidlertid også øke mengden partikler som forblir i lungene, og dermed bidra til å utløse skadelige helseeffekter. Hos lungesyke skyldes den endrete avsetningen/fjerningen de strukturelle forandringene som sykdommen har ført til. Nedenfor beskrives og diskuteres nøyere slike endringer i avsetning og fjerning av svevestøv i luftveier og lunger i ulike grupper av følsomme individer. 12 Figur 11: Bilde av luftrørsgreiner hos en frisk og en lungesyk person. Luftrørsgreinene hos den syke er sammentrukne, med betennelsesreaksjoner og slimdannelse (mucus). 4.1 Alder Alder kan være en viktig faktor som påvirker avsetning, fjerning og tilbakeholdelse av svevestøv i lungene. Det er viktig å avgjøre om endringene som observeres er en direkte følge av aldringsprosessen i seg selv, eller om de skyldes en økt sykelighet med alderen. Barn har relativt trangere luftveier enn voksne, og dette kan påvirke avsetningen i ulike deler av luftveiene. Barn og voksne har forskjellig pustemønster, spesielt ved høyt aktivitetsnivå.

Hvor avsetningen skjer, er svært forskjellig hos barn sammenlignet med voksne. Hos 6- åringer avsettes opptil 50% av innåndete partikler (på 3 µm) i øvre luftveier, men dette avtar gradvis ettersom barna vokser og når en verdi på bare 5% hos voksne. Denne forskyvningen mot avsetning av partikler større enn 1 µm i nedre luftveier og lunger hos voksne sammenlignet med barn, kan være viktig for utviklingen av ulike luftveissykdommer. Det kan tenkes at avsetningsmønsteret hos barn vil favorisere astmautvikling (der luftrørsgreinene er viktige), mens avsetningsmønsteret hos voksne kan favorisere sykdommer lengre nede i luftveissystemet. Hos voksne synes ikke avsetningen i luftveissystemet å forandres særlig med alderen som sådan, men heller som følge av sykdommer som en erverver seg med økende alder. Heller ikke fjerning av partikler via "slimheisen" synes å bli påvirket vesentlig av alder hos friske individer. Samlet sett betyr dette at mengden partikler som etter innånding tilbakeholdes i luftveier og lunger hos friske, eldre mennesker ikke forandres mye sammenlignet med yngre voksne, og at økt tilbakeholdelse av partikler og dermed økt følsomhet hos eldre individer skyldes sykdommer som følger alderen og ikke alderen i seg selv. Hos eldre kan det også finnes mekanismer som beskytter mot partikkelopptak. Økt spyttdannelse og påfølgende svelging er en slik beskyttelsesmekanisme i munnhulen, og forekommer ofte hos eldre på grunn av økt forekomst av bakterieinfeksjoner i munnhulen med alderen. 4.2 Kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) KOLS er en svært hyppig forekommende sykdom, som spesielt rammer eldre. Hos individer med KOLS er det undersøkt, hvordan avsetning, fjerning og tilbakeholdelse av partikler er endret sammenlignet med friske individer. Mønsteret for dette er svært komplisert og heller ikke helt avklart, men også hos individer med KOLS er størrelsen av partiklene meget viktig. Hos KOLS-pasienter synes avsetningen av partikler å være økt i forhold til hos friske individer. Dette gjelder spesielt for grove partikler som stanses og avsettes ved kollisjon mot veggene i de sammentrukne, større luftrørsgreinene hos KOLS-pasienter. For ultrafine partikler observeres også en økt avsetning hos KOLS-pasienter i forhold til hos friske individer, men i mye mindre grad. Avsetningen av partikler er mindre jevnt fordelt i KOLSpasientene, noe som gjør at partikkelkonsentrasjonen kan bli spesielt høy i enkelte områder av luftveissystemet. Mønsteret for fjerning av partikler er svært forskjellig for grove partikler sammenlignet med ultrafine partikler hos KOLS-pasienter. For ultrafine partikler synes fjerningen å være lite forandret i pasientgruppen sammenlignet med friske individer. For grove partikler er derimot fjerningen økt hos KOLS-pasientene, selv om borttransport av partikler via "slimheisen" er sterkt redusert. Dette skyldes at partiklene stimulerer spesielle mottakere (reseptorer) på cellene i luftveiene, og dette utløser hoste hos pasientene. Dette fører til at slim med partikler støtvis transporteres opp til svelget og dermed kan havne i magetarmkanalen. Fjerningen som skyldes denne mekanismen er ujevn, da hyppigheten og kraften på hosteresponsen varierer. Via hostemekanismen synes mesteparten av de grove partiklene å bli fjernet. Det er rapportert at bare 13% av partiklene er igjen i luftveier og lunger i KOLS-pasienter 24 timer etter eksponering. For de ultrafine partiklene kan derimot mønsteret være helt annerledes, i det hele 87% av avsatte partikler av denne typen er rapportert å bli igjen i luftveissystemet. Samlet sett vil tilbakeholdelsen av grove partikler i KOLS-pasienter kunne være større enn i friske individer, og dermed kunne forårsake større problemer hos disse pasientene sammenlignet med friske. Forskjellen mellom KOLS-pasienter og friske individer er antagelig mindre for ultrafine partikler. 13

4.3 Astma Astma er også en hyppig forekommende lungelidelse, rundt 5-10% av befolkningen er anslått å ha denne sykdommen. Partikkeleksponering er vist å øke hyppigheten av astmafall og også forsterke alvorlighetsgraden av anfallene. Hos astmatikere er avsetningen av partikler høyere enn hos friske individer, men dette vil variere med partikkelstørrelsen. For partikler med en størrelse på 1 µm er det rapportert en økt avsetning i luftveissystemet hos individer med forholdsvis alvorlig astma, sammenlignet med friske. Avsetningen synes imidlertid å være mindre enn hos pasienter med KOLS. Fjerningshastigheten av partikler er også påvirket hos astmatikere. Selv om astmatikere har mer slim i luftveiene, er transporten via "slimheisen" redusert, antagelig på grunn av mer tyktflytende slim. Økt avsetning og redusert borttransport av partikler vil til sammen føre til økt tilbakeholdelse av partikler i luftveissystemet, noe som vil kunne bidra til en forverret helsetilstand. 4.4 Andre risikogrupper Andre lidelser enn KOLS og astma kan også påvirke avsetnings- og fjerningsprosessene for partikler i luftveissystemet. Hos røykere generelt og røykere med betennelsesreaksjoner i de små luftrørsgreinene, er avsetningen av partikler større enn hos ikke-røykere. Dette er spesielt framtredende hos røykere med betennelsesreaksjoner, som er vist å ha en økning i samme størrelsesorden som astmatikere. Røyking er videre vist å påvirke slimtransporten. Dette kan imidlertid innebære en økning eller reduksjon av slimtransporten, avhengig av mengden som inhaleres. Tilsvarende gjelder for irriterende gasser som finnes i uteluft. Dette kan føre til et komplisert samspill mellom effekter av ulike forurensningskomponenter i luften. Tilbakeholdelsen av partikler i lungene kan således reduseres og/eller forsterkes, avhengig av dose og tid for eksponering for mange faktorer i inne- og uteluft. 5. Oppsummering Partikler i uteluft varierer betydelig i størrelse, og deles gjerne inn i ultrafine partikler <0,1 µm; 100 nm), fine partikler (<2,5 µm), grove partikler (2,5-10 µm) og enda større partikler opp mot 100 µm. Alle disse partiklene er vist å kunne pustes inn. Partikler vil avsettes på ulike steder i luftveissystemet, og fjernes via ulike mekanismer. De kan dermed forbli i luftveier og lunger i varierende grad og ulik tid, avhengig av partikkelstørrelse og andre faktorer som løselighet og overflateegenskaper. Innånding, avsetning og fjerning er avgjørende prosesser for hvilken evne partikler har til å utløse skadelige helseeffekter. Store partikler ned til 10 µm i diameter vil for det aller meste bli avsatt i de øvre luftveiene (over strupehodet). Særlig ved pusting gjennom nesen er denne fjerningsmekanismen svært effektiv. En stor andel av de aller minste partiklene (1-10 nm) vil også bli avsatt i neseslimhinnen. Ultrafine partikler med størrelse opp mot 0,1 µm kan imidlertid trenge dypt ned i lungene. Likeledes vil en relativt stor andel av partiklene i størrelsesområdet 0,1 til 1 µm kunne nå de dypeste lungeavsnittene, men de fleste av disse partiklene vil pustes ut igjen. Det er altså særlig partikler <0,1 µm og en vesentlig del av partiklene med størrelse mellom 1 og 4 µm som avsettes i de nedre luftveiene og lungene. Avsatte partikler fjernes på ulike måter avhengig av løselighet og hvor de avsettes i luftveissystemet. Løselige partikler eller komponenter fjernes raskt. Fine og grove partikler avsatt i øvre luftveier, vil effektivt fjernes ved hosting, nysing eller slimtransport til svelget hvor de kan gå ned i magetarmkanalen. Partikler med størrelse rundt 1 µm vil mest effektivt bli tatt opp av makrofager. En stor andel av makrofager med partikler fraktes via "slimheisen" til svelget eller alternativt over i lymfesystemet. Noen partikler kan ha svært lang oppholdstid i lungene (måneder til år). Ultrafine partikler kan også komme over i blodbanen og nå andre organer, som hjertet. I hvilken grad dette skjer er fremdeles omdiskutert. 14

Mønsteret for avsetning og fjerning av partikler kan variere betydelig i antatt følsomme individer. Bildet er ikke enkelt, da de ulike prosessene som er involvert varierer mye med partikkelstørrelsen, aktivitetsmønsteret/ pustefrekvensen og sykdomstilstander. Selv om den totale avsetningen av partikler er forholdsvis lik hos barn og voksne, er avsetningen hos barn relativt sett mye høyere i øvre luftveier. Personer som trener (løper/sykler) i gatemiljøer eller langs veger der det er mye svevestøv i lufta, vil i større grad puste gjennom munnen og ikke gjennom nesa. Svevestøv som de puster inn vil i mindre grad bli fanget opp i nese/svelg. I individer med ulike luftveissykdommer (som oftest eldre) og hos røykere, er både avsetning og fjerning av partikler endret i forhold til hos friske individer. Både hos KOLS-pasienter og astmatikere, og røykere med og uten betennelse i de små luftrørsgreinene, avsettes samlet sett flere partikler av ulik størrelse i luftveissystemet. Fjerningen av partikler er også endret. Økt hosterefleks kan føre til raskere fjerning spesielt av større partikler hos individer med luftveissykdommer. Både hos KOLS-pasienter og astmatikere vil en økt avsetning og endret fjerning i varierende grad føre til at flere partikler totalt sett holdes tilbake i luftveissystemet. Dersom partikler som forblir lenge i lungene, fortsetter å utløse betennelsesreaksjoner, kan dette bidra til å utløse skadelige helseeffekter. 6. Litteratur Brown JS, Zeman KL, Bennett WD. Ultrafine particle depositon and clearance in the healthy and obstructed lung. Am J Respir Crit Care Med 2002; 166:1240-1247. Gehr P, Heyder J. (eds) Particle-lung interactions, Marcel Dekker, Inc. 2000. Kim CS, Kang TC. Comparative measurement of lung deposition of inhaled fine particles in normal subjects and patients with obstructive airway disease. Am J Respir Crit Care Med 1997; 155(3):899-905. McClellan RO, Henderson RF (eds). Concepts in inhalation toxicology, Taylor & Francis, 1996, ISBN 1-56032-368-X. Messina MS, O Riordan TG, Smaldone GC. Changes in mucociliary clearance during acute exacerbations of asthma. Am Rev Respir Dis 1991;143: 993-997. Phalen RF (ed) The Particulate Air Pollution Controversy - A case study and lessions learned, Kluwer Academic Publishers, 2002, ISBN 1-4020-7225-2. Smaldone GC. Deposition and clearance: unique problems in the proximal airways and oral cavity in the young and elderly. Respir Physiol 2001; 128:33-38. Phalen RF, Oldham MI. Methods for modeling particle deposition as a function of age. Respir Physiol 2001;128:119-30. 15