entwicklung und anwendung von methoden zur bestimmung von … · 2014. 8. 8. · dabei werden...

Entwicklung und Anwendung von Methoden

zur Bestimmung von Selen-Spezies in

human-biologischem Material

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät

der Friedrich-Alexander-Universität

Erlangen-Nürnberg

zur

Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.

vorgelegt von

Thomas Jäger

aus Hof (Saale)

Als Dissertation genehmigt

von der Naturwissenschaftlichen Fakultät

der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Tag der mündlichen Prüfung: 01.08.2014 Vorsitzender des Promotionsorgans: Prof. Dr. Johannes Barth Gutachter: Prof. Dr. Monika Pischetsrieder

Prof. Dr. Thomas Göen

DANKSAGUNG

Herrn Prof. Dr. Thomas Göen vom Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin der

Universität Erlangen-Nürnberg danke ich für die freundliche Überlassung des

interessanten Themas, die wissenschaftliche Betreuung dieser Arbeit, welche einherging

mit wertvollen Anregungen und Diskussionen sowie die kontinuierliche Unterstützung in

allen Bereichen meiner Tätigkeit am Institut.

Bei Frau Prof. Dr. Monika Pischetsrieder vom Lehrstuhl für Lebensmittelchemie der

Universität Erlangen-Nürnberg möchte ich mich für die Betreuung und Begutachtung

dieser Arbeit von Seiten der Naturwissenschaftlichen Fakultät herzlich bedanken. Des

Weiteren danke ich Herrn Prof. Dr. Wolfgang Kreis vom Lehrstuhl für Pharmazeutische

Biologie für die freundliche Bereitschaft, sich als Prüfer zur Verfügung zu stellen.

Bei Herrn Prof. Dr. Hans Drexler, dem Direktor des Instituts für Arbeits-, Sozial- und

Umweltmedizin möchte ich mich für die freundliche Aufnahme in seinem Institut und das

stets entgegengebrachte Vertrauen bedanken.

Außerdem geht mein Dank an alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts für

Arbeits-, Sozial und Umweltmedizin für die außerordentlich gute und kollegiale

Zusammenarbeit. Besonders danken möchte ich Ulla Heinrich-Dafner, Svetlana

Kühnemann, Tanja Kaiser und Elke Ostgathe für die tatkräftige Unterstützung bei der

Durchführung der In-vivo-Metabolismus-Studien. Weiterhin geht mein Dank an Eva Sterzl,

Barbara Verhoeven, Elke Reinhart und Karin Seitz für die hervorragende

Zusammenarbeit im Labor in der Henkestraße sowie Dr. Wobbeke Weistenhöfer und

Irmgard Hofler für die herzliche Aufnahme ins BAT-Team. Dank gebührt außerdem

Johannes Müller für die kompetente Unterstützung bei Problemen der instrumentellen

Analytik.

Weiterhin möchte ich mich an dieser Stelle bei allen Probandinnen und Probanden für ihre

Teilnahme an den Studien bedanken, nur durch ihr Mitwirken war ein Großteil dieser

Arbeit möglich.

Nicht zuletzt geht ein herzliches Dankeschön an meine Freundin Conny und insbesondere

an meine Eltern und meinen Bruder Andreas, ohne deren tatkräftige und bedingungslose

Unterstützung auf meinem bisherigen Lebensweg das Entstehen dieser Arbeit nicht

möglich gewesen wäre.

PUBLIKATIONEN UND VORTRÄGE

Im Zusammenhang mit der Bearbeitung der vorliegenden Dissertation sind folgende

Publikationen und Vorträge entstanden:

Veröffentlichungen

Jäger T, Drexler H, Göen T (2013) Ion pairing and ion exchange chromatography coupled to

ICP-MS to determine selenium species in human urine. Journal of Analytical Atomic Spectrometry

28: 1402-1409

Poster

Jäger T, Drexler H, Göen T: Humane In-vivo-Metabolismus-Studien - Untersuchung des

Metabolismus und der Toxikokinetik verschiedener Selenverbindungen nach oraler Aufnahme.

54. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V.

(DGAUM); 2. - 4. April 2014 in Dresden

Jäger T, Dorner S, Drexler H, Göen T: Bestimmung von Selenat im Urin als Marker für berufliche

Belastungen mit anorganischen Selenverbindungen. 54. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft

für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM); 2. - 4. April 2014 in Dresden

Jäger T, Dorner S, Drexler H, Göen T: Human metabolism and renal elimination of orally

administered sodium selenate. 10th International Symposium on Selenium in Biology and

Medicine; 14. - 18. September 2013 in Berlin

Jäger T, Drexler H, Göen T: Human metabolism and renal elimination of selenium according to the

absorbed species. 9th International Symposium on Biological Monitoring; 9. - 11. September 2013

in Manchester, England

Jäger T, Drexler H, Göen T: Bestimmung von Selenspezies in Urinproben der Allgemein-

bevölkerung mittels Kopplung verschiedener Flüssigchromatographiemethoden mit induktiv-

gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie. 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für

Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM); 13. - 16. März 2013 in Bregenz, Österreich

Jäger T, Drexler H, Göen T: Differences in human metabolism and renal elimination of selenium

according to the absorbed species. Workshop Selenium 2012 – Selenium in geological,

hydrological and biological systems; 9. - 10. Oktober 2012 in Karlsruhe

Jäger T, Drexler H, Göen T: Bestimmung von Selenspezies in einem Kollektiv der

Allgemeinbevölkerung mittels LC-ICP-DRC-MS-Kopplung. Kongress „Gesunde Umwelt – Gesunde

Bevölkerung“, 4. LGL Kongress für den Öffentlichen Gesundheitsdienst, 5. Jahrestagung der

Gesellschaft für Hygiene, Umweltmedizin und Präventivmedizin; 9. - 11. November 2011 in

München

Jäger T, Drexler H, Göen T: Bestimmung von Selenspezies in Urin mittels IPC-ICP-DRC-MS-

Kopplung. 51. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin

e.V. (DGAUM); 9. - 12. März 2011 in Heidelberg

Vorträge (Vortragender ist unterstrichen)

Jäger T, Drexler H, Göen T: Influence of the ability in humans to generate the trimethylselenium

ion (TMSe) on the metabolism of sodium selenite, sodium selenate and selenized yeast. The 5th

International IUPAC Symposium for Trace Elements in Food (TEF-5); 6. - 9. Mai 2014 in

Kopenhagen, Dänemark

Jäger T, Dorner S, Drexler H, Göen T: Selenium species analysis reveals dichotomous behavior in

the German general population to generate trimethylselenium ion. 10th International Symposium

on Selenium in Biology and Medicine; 14. - 18. September 2013 in Berlin

Jäger T, Drexler H, Göen T: Unterschiede im humanen Metabolismus und der renalen Elimination

von Selen in Abhängigkeit der aufgenommenen Selenverbindung. 53. Jahrestagung der Deutschen

Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM); 13. - 16. März 2013 in

Bregenz, Österreich

Jäger T, Drexler H, Göen T: Differenziertes Selen-Biomonitoring durch Spezies-Analytik.

Symposium anlässlich 40 Jahre DFG-Arbeitsgruppe „Analysen in biologischem Material“;

11. Oktober 2012 in Erlangen

Jäger T, Schaller B, Göen T, Drexler H: Die Bestimmung von Selen im Urin als möglicher

biologischer Belastungsparameter für berufliche Selenbelastungen. 50. Jahrestagung der

Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM); 16. - 19. Juni 2010

in Dortmund

„Alle Ding‘ sind Gift und nichts ohn‘ Gift;

allein die Dosis macht, dass ein Ding‘ kein Gift ist.“

Paracelus (1493 – 1541)

Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG ................................................................................ 1

2 GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND ....................................................................... 3

2.1 Das Element Selen – physikalische und chemische Eigenschaften ........................ 3

2.2 Vorkommen ............................................................................................................ 3

2.3 Selenspezies .......................................................................................................... 4

2.4 Speziesanalytik ....................................................................................................... 5

Chromatographische Trennmechanismen ........................................................... 6 2.4.1

Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ...................... 8 2.4.2

2.5 Die Rolle von Selen im menschlichen Körper ........................................................ 10

2.6 Optimale Selenaufnahme...................................................................................... 12

2.7 Expositionsquellen ................................................................................................ 15

Selenaufnahme über die Nahrung ..................................................................... 15 2.7.1

Exposition durch Nahrungsergänzungsmittel ..................................................... 20 2.7.2

Industrielle Verwendung von Selen ................................................................... 22 2.7.3

2.8 Bioverfügbarkeit und Metabolismus von Selen ...................................................... 24

Bioverfügbarkeit ................................................................................................ 24 2.8.1

Metabolismus und Elimination ........................................................................... 25 2.8.2

2.9 Klinische Störungen - Gefährdungsbeurteilung von Selen .................................... 29

Selenmangel ..................................................................................................... 29 2.9.1

Toxizität ............................................................................................................. 30 2.9.2

2.10 Bestimmung des Selenstatus beim Menschen ...................................................... 34

3 MATERIAL UND METHODEN ...................................................................................... 37

3.1 Methoden zur Bestimmung von Gesamtselen in humanen Blutplasma- und

Urinproben ............................................................................................................ 37

Geräte, Materialien und Chemikalien ................................................................. 37 3.1.1

Lösungen und Standardlösungen ...................................................................... 38 3.1.2

Probenaufarbeitung ........................................................................................... 39 3.1.3

II Inhaltsverzeichnis

Instrumentelle Arbeitsbedingungen des ICP-MS ............................................... 40 3.1.4

Analytische Bestimmung ................................................................................... 40 3.1.5

Kalibrierung und Berechnung der Analysenergebnisse ..................................... 41 3.1.6

Qualitätssicherung ............................................................................................. 41 3.1.7

Validierung ........................................................................................................ 42 3.1.8

3.2 Bestimmung niedermolekularer Selenspezies in Urin ............................................ 43

Geräte, Materialien und Chemikalien ................................................................. 44 3.2.1

Lösungen .......................................................................................................... 46 3.2.2

Probenaufarbeitung ........................................................................................... 49 3.2.3

Instrumentelle Arbeitsbedingungen ................................................................... 49 3.2.4

Kalibrierung und Berechnung der Analysenergebnisse ..................................... 50 3.2.5

Qualitätssicherung ............................................................................................. 51 3.2.6

Validierung der Methoden.................................................................................. 52 3.2.7

3.3 Bestimmung von Kreatinin .................................................................................... 53

3.4 Probandenkollektive .............................................................................................. 53

Probandenkollektiv I: Allgemeinbevölkerung...................................................... 53 3.4.1

Probandenkollektiv II: In-vivo-Metabolismus-Studien ......................................... 54 3.4.2

3.5 Statistische Auswertung ........................................................................................ 55

4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION ............................................................................... 56

4.1 Analytische Verfahren zur Bestimmung von Gesamtselen in humanen Urin-

und Plasmaproben ................................................................................................ 56

Methodenentwicklung ........................................................................................ 56 4.1.1

Beurteilung der Verfahren – Methodenvalidierung ............................................. 59 4.1.2

Diskussion der Methoden .................................................................................. 62 4.1.3

4.2 Analytische Verfahren zur Bestimmung von niedermolekularen Selenspezies

in Urinproben ........................................................................................................ 63

Methodenentwicklung ........................................................................................ 63 4.2.1

Beurteilung der Verfahren – Methodenvalidierung ............................................. 66 4.2.2

Inhaltsverzeichnis III

Diskussion der Methoden .................................................................................. 69 4.2.3

4.3 Bestimmung von Gesamtselen und niedermolekularen Selenspezies in

Urinproben der Allgemeinbevölkerung .................................................................. 72

Gesamtselen ..................................................................................................... 72 4.3.1

Selenspezies ..................................................................................................... 74 4.3.2

4.4 In-vivo-Metabolismus-Studien von Selen .............................................................. 84

Untersuchung der Selenausscheidung ohne Supplementation .......................... 84 4.4.1

Humane In-vivo-Metabolismus-Studie nach oraler Einnahme von 4.4.2

Natriumselenat .................................................................................................. 87

Humane In-vivo-Metabolismus-Studie nach oraler Einnahme von 4.4.3

Natriumselenit ................................................................................................... 98

Humane In-vivo-Metabolismus-Studie nach oraler Einnahme von Selenhefe .. 111 4.4.4

Vergleichende Diskussion der In-vivo-Metabolismus-Studien .......................... 124 4.4.5

5 ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................................. 132

6 SUMMARY ................................................................................................................. 137

Literatur ............................................................................................................................. 142

IV ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis

Alb Albumin

AEC Anionenaustauschchromatographie (engl. anion exchange chromatography)

BAT Biologischer Arbeitsstoff-Toleranzwert

BfR Bundesinstitut für Risikobewertung

CBS Cystathionin-β-Synthase

CEC Kationenaustauschchromatographie (engl. cation exchange chromatography)

CES Cystathionin-γ-Lyase

COMA Committee on Medical Aspects of Food and Nutrition Policy

CPS Messsignal des ICP-MS (engl. Counts per Second)

DGE Deutsche Gesellschaft für Ernährung e.V.

DIO Iodothyronin-Deiodinase

DMSe Dimethylselenid

G-EQUAS German external quality assessment scheme

GalNAc 2-Acetamido-2-desoxy-β-D-galactopyranose

GlcNAc 2-Acetamido-2-desoxy-β-D-glucopyranose

γ-Glutamyl-SeMCys

γ-Glutamyl-Se-methylselenocystein

GPx Glutathionperoxidase

GSSeSG Selendiglutathion

Hb Hämoglobin

ICP-MS Induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometer

IPC Ionenpaarchromatographie (engl. ion pairing chromatography)

IS Interner Standard

LC Flüssigkeitschromatographie (engl. liquid chromatography)

LOAEL Lowest Observed Adverse Effect Level

LM Laufmittel

MAFF Ministry of Agriculture, Fisheries and Food

MAK Maximale Arbeitsplatzkonzentration

Max Maximalwert

Min Minimalwert

MMSe Monomethylselenid

MRI Max Rubner-Institut

MW Mittelwert

NAS National Academy of Sciences

NEM Nahrungsergänzungsmittel

NemV Nahrungsergänzungsmittelverordnung

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS V

NHANES National Health and Nutrition Examination Survey

NHMRC National Health and Medical Research Committee

NIST National Institute for Standard and Technology

NOAEL No Observed Adverse Effect Level

NTP National Toxicology Program

NWG Nachweisgrenze

Qhigh Qualitätskontrollprobe mit hoher Analytkonzentration

Qlow Qualitätskontrollprobe mit niedriger Analytkonzentration

RDA empfohlene Tagesdosis (engl. recommended daily allowance)

ROS Reaktive Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species)

RSA Relative Standardabweichung

SeVI Selenat

SeIV Selenit

SCF Scientific Committee on Food

SeC Selenocystein

SeCS Selenocystein-Synthase

SeCysta Selenocystathionin

SeEt Selenethionin

SeMCys Se-Methylselenocystein

SeMet Selenmethionin

SeMG Se-Methylselenoglutathion

SePP Selenoprotein P

SeSug1 Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid

SeSug2 Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-glucopyranosid

SeSug3 Methyl-2-amino-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid

SPS Selenophosphat-Synthetase

SRM Standardreferenzmaterial (engl. standard reference material)

Setotal Gesamtselen

t1/2 Halbwertszeit

tmax Zeitpunkt der maximalen Elimination

TMSe Trimethylselenium-Ion

TrxR Thioredoxinreduktase

UL Tolerable Upper Intake Level

VE; max Maximale Eliminationsgeschwindigkeit

WHO Weltgesundheitsorganisation (engl. World Health Organisation)

EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG 1

1 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG

Selen ist für den Menschen ein essentielles Spurenelement. Es ist in Form der

Aminosäure Selenocystein struktureller Bestandteil von zahlreichen funktionellen

Proteinen. Dazu gehören beispielsweise Enzyme wie die Glutathionperoxidase, die

Thioredoxinreduktase und die Iodothyronin-Deiodinase, die an der Abwehr von oxidativem

Stress und der Regulation des Schilddrüsenhormonstoffwechsels beteiligt sind (Brigelius-

Flohé und Maiorino 2013; Krykov et al. 2003; Lu und Holmgren 2009; Nordberg und Arnér

2001). Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (2008) empfiehlt eine tägliche Aufnahme

von 30 – 70 µg Selen, um physiologische Funktionen sicherzustellen und Mangel-

erkrankungen zu vermeiden. Der therapeutische Bereich von Selen ist allerdings sehr

schmal. Bei Probanden mit erhöhtem Plasmaspiegel führte eine tägliche Supplementation

von 200 µg Selen zu einer geringen, aber nicht zu vernachlässigenden Risikoerhöhung,

an Diabetes mellitus zu erkranken (Stranges et al. 2007). Bei Einnahmen von mehr als

910 µg Selen pro Tag wurden Symptome wie knoblauchartiger Geruch der Atemluft,

fleckige, brüchige Nägel, Haarausfall, Müdigkeit und gastrointestinale Beschwerden

beobachtet (Yang et al. 1983; Yang et al. 1989).

Die Formen, in denen Selen vom Menschen aufgenommen werden kann, sind vielfältig.

Der tägliche Bedarf des Körpers kann im Allgemeinen durch eine ausgewogene

Ernährung erreicht werden (BfR 2004). Dabei werden überwiegend organische

Selenverbindungen wie Selenmethionin und Selenocystein sowie Derivate dieser

Aminosäuren aufgenommen (Rayman et al. 2008). Des Weiteren wird Selen aufgrund

propagierter positiver Effekte auf die Gesundheit als Zusatz von

Nahrungsergänzungsmitteln verstärkt beworben (Rayman 2008). In Folge dessen ist der

Konsum dieser Präparate in westlichen Ländern in den vergangenen Jahren stark

angestiegen (Fairweather-Tait et al. 2011; Skeie et al. 2009). Die Verbindungen, die in

diesen Präparaten als Selenquelle verwendet werden, sind sowohl organische

Verbindungen wie Selenmethionin und Selenhefen als auch anorganische Salze wie

Natriumselenit und Natriumselenat (Rayman 2004). Neben der Aufnahme über die

Nahrung kann Selen dermal oder inhalativ an bestimmten Arbeitsplätzen aufgenommen

werden. Selen ist aufgrund seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften ein beliebter

Werkstoff in Industriezweigen wie der Metall-, Glas-, Chemie-, Keramik- und

Elektroindustrie (Butterman und Brown 2004). In diesen Bereichen bestehen überwiegend

2 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG

Belastungen gegenüber elementarem Selen oder anorganischen Selenverbindungen

(Hartwig 2011).

Die einzelnen vom Körper aufgenommenen oder metabolisch gebildeten

Selenverbindungen (Spezies) können sich erheblich in ihrem toxikologischen Potential

unterscheiden (Nuttall 2006). Deshalb ist eine Differenzierung der Spezies für eine

Beurteilung von positiven oder adversen Gesundheitseffekten von Bedeutung (Cornelis et

al. 1993; Kiss und Odani 2007; Lund 1990; Michalke 2002 a). Die bisher etablierte

Methode zur Erfassung eines Selenmangels bzw. einer übermäßigen Selenexposition ist

die Bestimmung der Gesamtselenkonzentration im Blutplasma, in dem das Selen

größtenteils in Proteinen gebunden vorliegt (Combs et al. 2011; Drexler und Hartwig

2011). Die Regulierung der Selenhomöostase erfolgt nicht über die Absorption sondern

über dessen Ausscheidung (Pedrosa et al. 2012). Die Elimination von Selen, welches

nicht funktionalisiert wird, erfolgt überwiegend renal über Urin sowie über Atemwege und

Faeces (Burk et al. 1972; Hopkins et al. 1966). Deshalb bietet sich die Selenanalyse im

Urin ebenfalls zur Bestimmung der inkorporierten Belastung an (Alaejos und

Romero 1993; Robberecht und Deelstra 1984 a). Der Einsatz differenzierender

Analysenmethoden kann hierbei Informationen über den Metabolismus und

Entgiftungsmechanismen für unterschiedliche Selenverbindungen liefern (Francesconi

und Pannier 2004; Robberecht und Deelstra 1984 a, b).

Ziel dieser Arbeit war es, basierend auf der Kopplung von chromatographischen

Verfahren mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie, Methoden zu

entwickeln, zu validieren und anzuwenden, mit denen Selenverbindungen in humanem

Urin nachgewiesen werden können. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Entwicklung von

Multimethoden, die eine simultane und empfindliche Erfassung möglichst vieler Analyten

ermöglichen. Die erarbeiteten Methoden sollten anschließend auf Urinproben angewendet

werden, um Erkenntnisse zum humanen Metabolismus und der Toxikokinetik einzelner

Selenverbindungen zu erhalten. Hierzu wurden sowohl Urinproben der

Allgemeinbevölkerung untersucht als auch humane In-vivo-Metabolismus-Studien

durchgeführt. Den Probanden wurden kommerziell erhältliche Nahrungsergänzungsmittel

oral verabreicht, die unterschiedliche Selenverbindungen (Natriumselenat, Natriumselenit

und selenhaltige Hefe) als Selenquelle enthielten. Ziel dieser Studie war es, Unterschiede

im Stoffwechsel der einzelnen Verbindungen sowie interindividuelle Variationen

festzustellen.

GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND 3

2 GRUNDLAGEN UND KENNTNISSTAND

2.1 Das Element Selen – physikalische und chemische Eigenschaften

Selen (Se) ist ein chemisches Element mit einem Atomgewicht von 78,96 und der

Ordnungszahl 34. Im Periodensystem steht es in der 4. Periode zwischen Arsen und

Brom und bildet zusammen mit Sauerstoff, Schwefel, Tellur und Polonium die

6. Hauptgruppe, die Gruppe der Chalkogene. Im Jahr 1817 wurde es von Jöns Jacob

Berzelius erstmals in Bleikammerschlamm entdeckt (Barceloux 1999). Selen weist in der

Natur sechs verschiedene Isotope mit folgenden natürlichen Anteilen auf: 74Se (0,89%),

76Se (9,37%), 77Se (7,63%), 78Se (23,77%), 80Se (49,61%), 82Se (8,73%) und kommt in

den Oxidationsstufen „+6“ (z.B. Na2SeO4, Selensäure), „+4“ (z.B. Na2SeO3, Selenige

Säure, Selendioxid), „-2“ (z.B. Selenmethionin, Selenocystein, Trimethylselenium-Ion,

Selenwasserstoff) und „0“ (elementares Selen) vor. Analog zu Schwefel tritt elementares

Selen in verschiedenen Modifikationen auf. Das stabilste ist das grau-metallische Selen

mit den Eigenschaften eines Halbmetalls. Daneben gibt es weitere Modifikationen wie

schwarz-amorphes, rot-amorphes, glasartiges und flüssiges Selen. Aufgrund seiner

physikochemischen Ähnlichkeit zu Schwefel kann Selen an dessen Stelle in Biomolekülen

und Mineralien vorkommen. Selen besitzt einige besondere elektrochemische

Eigenschaften. Neben den Eigenschaften eines Halbleiters erhöht sich die Leitfähigkeit

unter Belichtung um das 100fache und zeigt zusätzlich einen photovoltaischen Effekt

(Greenwood und Earnshaw 1998). Diese Charakteristika machen Selen zu einem

vielseitig eingesetzten Werkstoff in verschiedenen Industriezweigen (Butterman und

Brown 2004).

2.2 Vorkommen

Selen ist ein ubiquitär vorkommendes Element (Hoffmann 1989). Die

Selenkonzentrationen im Wasser sind generell niedrig, gewöhnlich unter 1 µg/L in Trink-

und Meerwasser (Reilly 2006). Die Konzentration von Selen in den Böden unterliegt

weltweit großen Schwankungen und bewegt sich größtenteils im Bereich von

0,01 - 2,0 mg/kg (Mittelwert: 0,4 mg/kg), wobei ebenso Werte bis zu 1250 mg/kg

gemessen wurden (Fordyce 2013). Besonders selenreiche Böden befinden sich

beispielsweise in den Great Plains in Nordamerika, in Kolumbien, in Venezuela sowie in

Teilen Chinas und Irlands. Im Gegensatz dazu finden sich Regionen mit sehr niedrigen


Konzentrationen in Dänemark, Finnland, Neuseeland sowie Teilen Chinas und Russlands

(Combs 2001; Oldfield 1999). Allerdings ist nicht alleine die Selenkonzentration im Boden

für die Bioverfügbarkeit in Pflanzen entscheidend. Ebenso spielen die chemischen

Verbindungen (Spezies) in denen das Selen (z.B. elementares Selen, Natriumselenat,

Metallselenide) vorliegt, eine entscheidende Rolle. Faktoren, die dies beeinflussen, sind

überwiegend die Bodenbeschaffenheit mit variierenden Redox- und pH-Bedingungen

(Barceloux 1999).

2.3 Selenspezies

Unter einer chemischen Spezies versteht man die spezifische Form eines Elementes wie

sie sich durch die Isotopenzusammensetzung, die Elektronenzahl oder den

Oxidationszustand und/oder Komplex- oder Molekülstrukturen definieren lässt (Templeton

et al. 2000). Abbildung 1 zeigt schematisch eine Einteilung der Selenspezies bezüglich

verschiedener Charakteristika.

Abbildung 1: Einteilung von Selenspezies nach verschiedenen physikalisch-chemischen Eigenschaften (DMSe: Dimethylselenid; SeSug1: Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid; SeMet: Selenmethionin; GPx: Glutathionperoxidase; TrxR: Thioredoxinreduktase; DIO: Iodothyronin-Deiodinasen; Hb: Hämoglobin; Alb: Albumin)


Selenspezies lassen sich gemäß ihrer Molekülgröße in höher- und niedermolekulare

Spezies einteilen. Die höhermolekularen Spezies setzen sich aus Selenoproteinen und

unspezifisch selenhaltigen Proteinen zusammen. Unspezifisch selenhaltige Proteine sind

Proteine, bei denen in der Aminosäurekette willkürlich ein oder mehrere Methionin-

Aminosäuren durch das entsprechende Selenanalogon ersetzt wurden. Im Gegensatz

dazu enthalten Selenoproteine spezifisch Selenocystein in ihrer Aminosäuresequenz,

welches meistens für deren katalytische Funktion verantwortlich ist (Behne und

Kyriakopoulos 2001). Die niedermolekularen Spezies können zunächst in anorganische

und organische Spezies und darüber hinaus gemäß ihrer Oxidationszahlen unterteilt

werden (Połatajko et al. 2006; Martens und Suarez 1997), wobei das Selen in den

höhermolekularen Spezies ebenfalls organisch gebunden in der Oxidationszahl „-2“

vorliegt. Die niedermolekularen organischen Selenverbindungen können ferner anhand

ihrer chemischen Struktur in Gruppen unterteilt werden. Hierzu gehören methylierte

Selenverbindungen, selenhaltige Zucker sowie Aminosäuren und deren Derivate. Dabei

ist zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Spezies unterschiedliche physikalische

sowie toxische Eigenschaften (siehe Tabelle 7 in Abschnitt 2.9.2) besitzen können (Nuttall

2006). Für die Bioverfügbarkeit, biochemische oder toxische Wirkung ist daher nicht die

Gesamtelementkonzentration einer Probe sondern die Art und Menge der verschiedenen

enthaltenen Spezies entscheidend (Cornelis et al. 1993; Kiss und Odani 2007; Lund 1990;

Michalke 2002 a, b).

2.4 Speziesanalytik

In der analytischen Chemie wird die Identifizierung und/oder Quantifizierung einer oder

mehrerer chemischer Spezies in einer Probe als Speziesanalytik bezeichnet (Templeton

et al. 2000). Meistens erfolgt die Speziesanalytik durch die Kopplung von Trenntechniken

wie der Kapillarelektrophorese, Flüssigkeits- oder Gaschromatographie mit Element-

(z.B. ICP-MS) oder Massen-selektiven (z.B. Elektrospray Massenspektrometrie)

Detektoren (Michalke 2002 b; Rosen und Hieftje 2004). Aufgrund der enormen

Weiterentwicklung dieser Techniken sowie des steigenden wissenschaftlichen Interesses

hat in den vergangenen Jahren die Speziesanalytik an Bedeutung gewonnen (Goenaga-

Infante 2011; Hoffmann und Heumann 2012; Sperling und Karst 2013). Im Folgenden

sollen die theoretischen Grundlagen der in der vorliegenden Arbeit verwendeten

analytischen Methoden kurz dargestellt werden. Die Kopplung von

flüssigchromatographischen Verfahren mit der induktiv gekoppeltem Plasma-

Massenspektrometrie ist aufgrund der resultierenden Vielseitigkeit, Robustheit,


Sensitivität und der Möglichkeit zur simultanen Bestimmung verschiedener Elemente eine

der meist angewendeten Techniken der Speziesanalytik (Montes-Bayón et al. 2003). Für

die Analytik von Selenspezies in Urin wurden bereits verschiedene

flüssigchromatographische Trennmechanismen wie die Umkehrphasen- (RP: reversed

phase) (Gammelgaard et al. 2005; Kühnelt et al. 2007), die Ionenpaar- (IP: ion pairing)

(Zheng et al. 2000) und die Ionenaustauschchromatographie (IEC: ion exchange

chromatography) (Gammelgaard und Jons 2000; Kühnelt et al. 2005, 2006 a) eingesetzt.

Chromatographische Trennmechanismen 2.4.1

Umkehrphasen- und Ionenpaarchromatographie

Die Umkehrphasenchromatographie ist vermutlich das gängigste Trennverfahren in der

Flüssigchromatographie (Monte-Bayón et al. 2003). Die Trennung der Analyten erfolgt

aufgrund von Verteilungsvorgängen zwischen der unpolaren stationären Phase (meist mit

C8- oder C18-Ketten modifiziertes Kieselgel) und der polaren mobilen Phase. Des

Weiteren beeinflussen Adsorptionsvorgänge an der stationären Phase die Retention

(Schwedt und Vogt 2010). Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass häufig hohe

organische Lösemittelanteile in der mobilen Phase zur Elution hydrophober Analyten

verwendet werden, die mit der ICP-MS-Technik nicht vereinbar sind (Montes-Bayón et al.

2003). Obwohl mit dieser Methode eine Vielzahl unterschiedlicher Analyten getrennt

werden kann, eignet sie sich nur bedingt zur Trennung polarer und geladener Substanzen

(Michalke 2002 b). Eine mögliche Abhilfe ist der Zusatz von Ionenpaarreagenzien in die

mobile Phase von konventionellen Umkehrphasensystemen, um diese Spezies neben

neutralen Spezies trennen zu können (Michalke 2002 b, Ponce De León et al. 2002).

Ionenpaarreagenzien sind lipophile Ionen wie beispielsweise Alkansulfonsäuren oder

quartäre Alkylammoniumverbindungen. Für den Trennmechanismus werden zwei

unterschiedliche Modelle diskutiert: (I) Dynamisches Modell: Die Analyt-Ionen bilden

zusammen mit dem Ionenpaarreagenz (IPR) neutrale Ionenpaare, die dann an der RP-

Phase reteniert werden; (II) Stationäres Modell: Die Ionenpaarreagenzien lagern sich an

der Oberfläche der stationären Phase an und verleihen der Oberfläche somit

Eigenschaften eines Ionenaustauschers, mit der dann das Analyt-Ion in Wechselwirkung

tritt (Abbildung 2 a) (Gey 2008; Schwedt und Vogt 2010). Die Vorteile der

Ionenpaarchromatographie liegen in den zahlreichen Parametern, die im Rahmen der

Methodenentwicklung variiert werden können. Dazu gehören neben dem Säulenmaterial,

der Art und Konzentration des Ionenpaarreagenzes und weiterer Eluentzusätze auch der


pH-Wert des Fließmittels und der Anteil an organischem Lösevermittler (Schwedt und

Vogt 2010).

Ionenaustauschchromatographie

In der Ionenaustauschchromatographie (IEC: ion exchange chromatography) werden

stationäre Phasen mit elektrischen Ladungen an der Oberfläche verwendet. Abhängig von

den chemischen Gruppen (SO3-, COO-, NH3

+, NR3+), die an der Oberfläche der Matrix

gebunden sind und der daraus resultierenden Trenneigenschaft, unterscheidet man

zwischen Anionen- (AEC: anion exchange chromatography) und

Kationenaustauschchromatographie (CEC: cation exchange chromatography) (siehe

Abbildung 2 b und c).

Abbildung 2: Schematische Darstellung unterschiedlicher flüssigchromatographischer Trennmechanismen: a) Stationäres Modell der Ionenpaarchromatographie (IPR: Sodium-1-butansulfonat); b) Kationenaustauscher; c) Anionenaustauscher (A: Analyt; E: Eluent)


Der Trennmechanismus beruht auf der Wechselwirkung der geladenen

Zielmoleküle/Analyten mit der gegensätzlich geladenen Oberfläche der stationären

Phase. Die in der mobilen Phase enthaltenen Ionen konkurrieren dabei mit den Analyten

um die Bindung an der stationären Phase. Die relative Retention auf der Säule hängt

somit von der Ionenstärke (Art und Konzentration) des Laufmittels, dem pH-Wert des

Laufmittels sowie den Eigenschaften der stationären Phase ab (Gey 2008; Michalke

2002 b; Ponce De León et al. 2002; Schwedt und Vogt 2010). Des Weiteren müssen bei

organischen Spezies zusätzlich hydrophobe Wechselwirkungen mit der Matrix der

stationären Phase berücksichtigt werden, welche die Retention verändern und durch die

Zugabe von organischen Lösemitteln zur mobilen Phase beeinflusst werden können

(Michalke 2002 b).

Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) 2.4.2

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma ist eine analytische Methode

der anorganischen Elementanalytik, die eine simultane Bestimmung einer Vielzahl von

Elementen mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen ermöglicht (Gey 2008). In Abbildung 3 ist

der prinzipielle Aufbau eines ICP-MS-Gerätes dargestellt.

Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines ICP-MS-Gerätes mit Reaktions-/Kollisionszelle


In der Fackel (Torch) wird das Plasma aus Argon (Ar) erzeugt. Durch Starten des ICP-MS

wird mit Hilfe eines Zündfunkens ein Teil des Plasmagases in positive geladene Ar-Ionen

und Elektronen überführt. Das an der Spule mit Hilfe des Hochfrequenzgenerators

erzeugte Magnetfeld kann Strom in das Gas induzieren. Dies führt zu einer

Temperaturerhöhung und zur Ionisation weiterer Ar-Atome. Ein Gas, welches als Ionen

und freie Elektronen vorliegt, bezeichnet man als Plasma. Im vorliegenden Fall wird durch

die induzierte Energie im Plasma eine Temperatur von 6000 – 10000 K erreicht. Damit

diese Temperaturen das Quarzglas der Fackel nicht schmelzen wird zeitgleich Argon als

Kühlgas zugeleitet (Gey 2008; Ponce De León et al. 2002; Thomas 2013).

Über den Zerstäuber wird in der Sprühkammer aus der flüssigen Probe ein Aerosol

erzeugt und gelangt mit dem Trägergas ins Plasma. Dort werden die Tröpfchen

getrocknet, in Moleküle zersetzt, atomisiert und anschließend ionisiert (Thomas 2013).

Das Interface, bestehend aus Sampler und Skimmer Konus, verbindet die Ionenquelle mit

dem Massenspektrometer und muss dabei sowohl die Temperaturabnahme von 6000 K

auf Raumtemperatur als auch den Druckabfall von Atmosphärendruck zum Hochvakuum

bewerkstelligen. Zwischen den beiden Konen liegt ein Vorvakuum an, durch das die

erzeugten Ionen in das Interface überführt werden. Durch den Druckunterschied am

Skimmer werden die Ionen anschließend in das Hochvakuum gezogen und dort durch die

Ionenoptik fokussiert. Die Stoppblende in diesem Bereich dient dazu, störende Photonen

zurückzuhalten (Gey 2008). In Geräten der neueren Generation ist zwischen der

Ionenoptik und dem Massenspektrometer zusätzlich eine Kollisions-/Reaktionszelle

eingebaut, um Interferenzen wie doppelt geladene Ionen und polyatomare Ionen zu

minimieren. Hierzu können in die Zelle Gase wie Helium, Wasserstoff, Sauerstoff oder

Ammoniak eingeleitet werden, die dann durch kinetische oder chemische

Reaktionsmechanismen zu einer Verminderung der Interferenzen führen (Thomas 2013).

Anschließend folgt der Massenfilter, in den meisten ICP-MS-Geräten ist dies ein

Quadrupol-Massenspektrometer. Dabei handelt es sich um vier parallel liegende

Elektroden, an denen sowohl eine Gleich- als auch eine Wechselspannung anliegt, die die

Ionen auf spiralförmige Bahnen drängen und nach ihrem Masse/Ladungsverhältnis

auftrennen. Je nach anliegender Spannung gelangt nur eine bestimmte Masse zum

Detektor. Im Detektor werden die Ionen gemessen und in das Messsignal CPS (counts

per second) umgewandelt (Gey 2008; Thomas 2013).


2.5 Die Rolle von Selen im menschlichen Körper

Selen ist wie z.B. Eisen und Jod ein für den Menschen essentielles Spurenelement. Unter

essentiellen Spurenelementen versteht man Nahrungsinhaltsstoffe, die im Körper nur in

geringen Mengen vorkommen (


Abbildung 4: Selen im Schilddrüsenhormonstoffwechsel: Inaktivierung und Aktivierung der Schilddrüsenhormone durch Iodothyronin-Deiodinasen (DIO) nach Fairweather-Tait et al. (2011) (T4: Thyroxin; T3: 3,3′,5-Triiod-L-thyronin; rT3: 3,3′,5′-Triiod-L-thyronin; 3,3′T2: 3,3′-Diiod-L-thyronin)

Eine weitere wichtige Rolle hat Selen im anti-oxidativen Schutzsystem gegen reaktive

Sauerstoffspezies (ROS). ROS sind für den Organismus schädliche Formen des

Sauerstoffs (z.B. Hydroxyl-Radikal, Ozon, Wasserstoffperoxid, Hydroperoxide) und

werden sowohl endogen gezielt als Signalstoff, Abwehrstoff oder als Nebenprodukt der

Atmungskette gebildet oder exogen z.B. durch UV- und Röntgenstrahlung erzeugt (Valko

et al. 2006). Um die Dauer und den Umfang der Belastung durch ROS zu minimieren, hat

der Körper Abwehrmechanismen entwickelt, zu denen auch die beiden Enzyme GPx und

TrxR gehören (Brigelius-Flohé und Maiorino 2013; Nordberg und Arnér 2001). Die

Aufgabe von GPx ist die Katalyse des Abbaus von Wasserstoffperoxid bzw. organischen

Peroxiden unter Glutathionverbrauch zu Wasser bzw. den entsprechenden Alkoholen

(Brigelius-Flohé und Maiorino 2013). Die TrxR bildet zusammen mit Thioredoxin und

NADPH das Thioredoxin-System und reguliert dadurch eine Fülle von Redox-Signal-

Vorgängen (Hawkes und Alkan 2010). Abbildung 5 zeigt schematisch die ablaufenden

Reaktionen beider Enzyme. Neben diesen beiden Enzymen wurde mittlerweile für einige

weitere Selenoproteine wie z.B. Selenoprotein W, H und T sowie das

15kDa Selenoprotein eine Beteiligung am anti-oxidativen System nachgewiesen

(Fairweather-Tait et al. 2011). Des Weiteren wird ein niedriger Selenstatus mit einer

erhöhten Sterblichkeit, einem schwachen Immunsystem und einem Rückgang der

kognitiven Fähigkeiten in Verbindung gebracht, wohingegen hohe Selengehalte bzw. eine

ergänzende Supplementation einen antiviralen Effekt haben und förderlich für die

Fortpflanzung sind (Rayman 2000; Rayman 2012). Verschiedene Studien haben Hinweise

auf ein vermindertes Risiko für Prostata- (Brinkman et al. 2006; Etminan et al. 2005;


Peters und Takata 2008), Lungen- (Zhuo et al. 2004), Blasen- (Amaral et al. 2010) und

Dickdarmkrebs (Peters und Takata 2008) gezeigt. Die Ergebnisse der Studien waren

allerdings nicht eindeutig, weshalb eine zusätzliche Einnahme bzw. ein Effekt durch Selen

nur bei unzureichender Selenaufnahme förderlich sein könnte (Rayman 2012).

Abbildung 5: Selenoproteine im antioxidativen Schutzsystem: a) Reduktion von Peroxiden durch GPx unter Glutathion-Verbrauch nach Brigelius-Flohé und Maiorino (2013) (ROOH: ROS mit Peroxid-Struktur); b) Thioredoxin-System zum Schutz des intrazellulären Redoxgleichgewichts nach Holmgren und Lu (2010)

2.6 Optimale Selenaufnahme

Für die Festlegung der optimalen Aufnahme von essentiellen Nährstoffen müssen zwei

Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Zum einen muss die aufgenommene Menge

mindestens so hoch sein, dass alle Körperfunktionen normal funktionieren und keine

Mangelerscheinungen auftreten. Zum anderen darf die aufgenommene Menge maximal

so hoch sein, dass die normale Körperfunktion weiterhin gewährleistet ist und keine

adversen Effekte auftreten. Zur Festlegung dieses Bereichs wurden die beiden Richtwerte

„empfohlene Tagesdosis“ (RDA: Recommended Daily Allowance) und „tolerable upper


intake level“ (UL) eingeführt (Renwick et al. 2004). Der RDA ist definiert als die Menge

eines essentiellen Nährstoffes, der nach wissenschaftlichem Kenntnisstand ausreicht, um

den täglichen Bedarf der meisten gesunden Menschen (97 – 98%) zu decken (Otten et al.

2006). Als UL bezeichnet man die maximale chronische Gesamtzufuhr eines Nährstoffes

aus allen Quellen, die als unwahrscheinlich beurteilt wird, eine gesundheitliche

Gefährdung für den Menschen darzustellen (Otten et al. 2006).

Abbildung 6: Schematische Darstellung der Expositions-Wirkungs-/Risiko-Beziehung von Selen (RDA: Recommended Daily Allowance; UL: Tolerable Upper Intake Level; NOAEL: No Observed Adverse Effect Level; LOAEL: Lowest Observed Adverse Effect Level)

Für das Spurenelement Selen ist dieser Bereich sehr schmal und mit einigen

Unsicherheiten aufgrund kontroverser Studienergebnisse verbunden (siehe Abbildung 6).

Darüber hinaus ist eine Grundsatzfrage, ob man die optimale Einnahme als Prävention

vor Mangelerkrankungen oder zur Verringerung chronischer Erkrankungen wie

beispielsweise Krebs und kardiovaskulärer Erkrankungen bezeichnet (Nève 2000).

Der Referenzwert für die Zufuhr von Selen wird von der Deutschen Gesellschaft für

Ernährung e.V. (2008) für Erwachsene zwischen 30 und 70 µg angegeben und stimmt

größtenteils mit den Empfehlungen anderer Länder bzw. Organisationen überein (Tabelle


1). Diese Werte sind meist von den Studien von Duffield et al. (1999) und Xia et al. (2005)

abgeleitet, die als ausschlaggebendes Kriterium für eine ausreichende Versorgung die

maximale Glutathionperoxidase-Aktivität herangezogen haben. Die Festlegung

berücksichtigt allerdings nicht die potentiell protektiven Effekte, die Selen auf

verschiedene Erkrankungen wie Krebs, HIV-Infektionen und kardiovaskuläre

Erkrankungen bei erhöhter Selenzufuhr haben soll, und wird deshalb zum Teil als

unzureichend kritisiert (Rayman 2002). Combs et al. (2001) ermittelte beispielsweise

Werte von 96 – 120 µg/Tag für einen protektiven Effekt gegen Krebs.

Tabelle 1: RDA- und UL-Werte für Selen beim Erwachsenen

Land/Region RDA [µg/Tag]

UL [µg/Tag]

Literatur

Männer Frauen Männer/Frauen

Australien, Neuseeland 70 60 400 NHMRC (2006)

Deutschland, Österreich, 30 – 70 30 – 70 --- DGE (2000)

Schweiz

Europa 55 55 300 SCF (2006)

Vereinigtes Königreich 75 60 450 COMA (1991)

Vereinigte Staaten, 55 55 400 NAS (2000)

Kanada

WHO 40 30 400 WHO (1996)

NHMRC: National Health and Medical Research Committee; DGE: Deutsche Gesellschaft für Ernährung e.V.; SCF: Scientific Committee on Food; COMA: Committee on Medical Aspects of Food and Nutrition Policy; NAS: National Academy of Sciences; WHO: World Health Organisation

Der UL-Wert für Selen liegt im Bereich von 300 bis 450 µg/Tag (Tabelle 1) und wurde

ausgehend vom No Observed Adverse Effect Level (NOAEL) beziehungsweise dem

Lowest Observed Adverse Effect Level (LOAEL) unter Berücksichtigung von

Sicherheitsfaktoren abgeleitet. NOAEL und LOAEL sind Endpunkte für die

Toxizitätsbestimmung und entsprechen der Dosis oder Expositionskonzentration bei der

keine (NOAEL) oder erste (LOAEL) adverse Effekte im Vergleich zu einer Kontrollgruppe

statistisch signifikant auftreten (Duffus et al. 2007). Für Selen wurden diese

Konzentrationen in Folge einer endemischen Selenintoxikation in China und aus Studien

in selenreichen Gebieten der USA ermittelt. Die Konzentration, bei der keine klinischen

Symptome einer Selenosis auftraten (NOAEL), lag bei 800 µg/Tag, erste klinische

Symptome wurden bei 910 µg/Tag festgestellt (Longnecker et al. 1991; Yang et al. 1989;

Yang und Zhou 1994).


Neuere epidemiologische Studien geben den Hinweis, dass bei einer täglichen Selen-

Aufnahme von 200 µg bei Personen mit hohen Ausgangsspiegeln eine geringe

Risikoerhöhung besteht, an Diabetes mellitus (siehe Abschnitt 2.9.2) zu erkranken

(Lippman et al. 2009; Stranges et al. 2007). Andere Studien, die den Zusammenhang von

Selen und Diabetes untersucht haben, unterstützen diese Ergebnisse (Bleys et al. 2007;

Czernichow et al. 2006; Laclaustra et al. 2009). Das Diabetesrisiko wurde bei der

Ableitung der Maximalen Arbeitsplatzkonzentration (MAK) sowie bei der Evaluierung des

Biologischen Arbeitsstoff-Toleranzwertes (BAT) als kritische Toxizität bewertet (Hartwig

2011; Drexler und Hartwig 2011). Aufgrund dieser Studien wurde die Maximale

Arbeitsplatzkonzentration im Jahr 2010 von 0,05 mg Selen/m3 E auf 0,02 mg Selen/m3 E

(entspricht ca. 200 µg Se/Tag) abgesenkt (Hartwig 2011) und ein BAT-Wert von

150 µg Se/L Serum festgelegt (Drexler und Hartwig 2011).

2.7 Expositionsquellen

Selenaufnahme über die Nahrung 2.7.1

Der wichtigste Aufnahmeweg von Selen ist die Nahrung (Navarro-Alarcón und Cabrera-

Vique 2008). Die Menge von Selen in den Nahrungsmitteln hängt bei Pflanzen v.a. vom

Gehalt und der Bioverfügbarkeit des Selens im Boden, auf dem es angebaut wird, ab und

bei tierischen Lebensmitteln von der Selenversorgung der Tiere über das Futter

(Fairweather-Tait et al. 2011). Neben der Versorgung der Pflanzen mit Selen ist ein

weiterer wichtiger Faktor, der den Selengehalt beeinflusst, die Fähigkeit der Pflanzen, das

Selen aufnehmen und speichern zu können. Pflanzen lassen sich diesbezüglich in drei

Kategorien unterteilen: nicht-Selen-akkumulierende Pflanzen (100 µg Se/g

Trockengewicht), Selen-akkumulierende Pflanzen (reichern Selen in direkter Abhängigkeit

zum Gehalt im Boden an, ≤ 1.000 µg Se/g Trockengewicht) und hyper-akkumulierende

Pflanzen (bis zu 40.000 µg Se/g Trockengewicht) (Broadley et al. 2006; Finely 2005;

Rayman et al. 2008). Zudem enthalten Pflanzen mit hohem Proteinanteil höhere

Selengehalte, da in der Biosynthese der Proteine das schwefelhaltige Methionin aufgrund

der strukturellen und chemisch ähnlichen Eigenschaften durch Selenmethionin ersetzt

werden kann (Navarro-Alarcón und López-Martinez 2000). Deshalb sind Obst und die

meisten Gemüsesorten aufgrund des hohen Wasseranteils und des damit

einhergehenden geringen Proteinanteils Lebensmittel, die nur einen geringen Anteil zur

täglichen Selenaufnahme beitragen (Navarro-Alarcón und Cabrera-Vique 2008;


Sirichakwal et al. 2005). Lebensmittel, die als Hauptquelle der Selenzufuhr dienen, sind

Brot, Getreide, Fleisch, Geflügel, Fisch und Eier (Domke et al. 2004; Chun et al. 2010).

Aufgrund der weltweit unterschiedlichen Selengehalte der Böden (siehe Abschnitt 2.2)

variiert der Gehalt dieser Lebensmittelgruppen sehr stark. Dies zeigt Tabelle 2 beispielhaft

für die Länder Deutschland, USA, Venezuela (als Land mit selenreichen Böden) sowie

einem Gebiet in China, in dem endemisch die Selenmangelerkrankung „Keshan-

Krankheit“ auftritt. Die geographische Variation, die sich beispielweise sehr ausgeprägt

beim unterschiedlichen Selengehalt der Milch (2 – 140 µg/L) zeigt (Alaejos und Romero

1995), konnte durch den Einsatz von selenhaltigen Futtermitteln in den vergangenen

Jahren reduziert werden (Combs 2001).

Tabelle 2: Selengehalt (µg/g) der Hauptlebensmittelklassen verschiedener Länder im Vergleich (Combs 2001)

Lebensmittel USA Deutschland Venezuela(1) China(2)

Getreideprodukte 0,06 – 0,66 0,03 – 0,88 0,123 – 0,51 0,005 – 0,02

Gemüse 0,001 – 0,14 0,04 – 0,10 0,002 – 2,98 0,002 – 0,02

Obst 0,005 – 0,06 0,002 – 0,04 0,005 – 0,06 0,001 – 0,003

Fleisch 0,08 – 0,50 0,13 – 0,28 0,17 – 0,83 0,01 – 0,03

Geflügel 0,01 – 0,26 0,05 – 0,15 0,10 – 0,70 0,02 – 0,06

Fisch 0,13 – 1,48 0,24 – 0,53 0,32 – 0,93 0,03 – 0,20

Milchprodukte 0,01 – 0,26 0,01 – 0,10 0,11 – 0,43 0,002 – 0,01

Eier 0,06 – 0,20 0,05 – 0,20 0,50 – 1,5 0,02 – 0,06

(1) Gebiet mit selenreichen Böden (2) Gebiet mit selenarmen Böden und endemisch vorkommender Keshan-Krankheit

Bei der Abschätzung der durchschnittlich über die Nahrung aufgenommenen Selenmenge

gilt es zusätzlich zu berücksichtigen, dass sich bei der Zubereitung der Lebensmittel der

Selengehalt durch Verflüchtigung oder Verlust (z.B. Abgabe an das Kochwasser)

reduzieren kann (Higgs 1972; Thomson und Robinson 1990). Aufgrund der

beschriebenen geographischen Gegebenheiten sowie der regional- und kulturell-

variierenden Zusammensetzung der Nahrung, schwanken die alimentär aufgenommenen

Selenmengen zwischen verschiedenen Ländern beträchtlich. Tabelle 3 fasst die

durchschnittlich pro Person pro Tag aufgenommene Selenmenge für verschiedene

Länder zusammen. Der Grad der Verlässlichkeit solcher Erhebungen ist aufgrund von

variierenden Methoden sowie großen interindividuellen Ernährungsunterschieden

unbeständig. Die Untersuchungen zeigen aber die immense Spanne der Einnahme

weltweit. Das Beispiel Finnland hat gezeigt, wie stark die Versorgung des Menschen


durch den Selengehalt der Nahrung beeinflusst wird. Im Jahr 1984 hat die finnische

Regierung den Einsatz von Natriumselenat als Zusatz von Düngemittel für Getreide und

Tierfutter beschlossen, woraufhin innerhalb kürzester Zeit die Konzentrationen in den

Lebensmitteln um das Vierfache anstiegen und sich im Folgenden die Selenversorgung

der Bevölkerung verbessert hat, so dass im Jahr 1991 die Menge der Zusätze wieder

gesenkt wurde (Aro et al. 1995).

Tabelle 3: Daten der in verschiedenen Ländern aufgenommenen Selenmengen

Land Aufgenommene Selenmenge Literatur [µg Se/Person pro Tag]

Australien 57 – 87 Fardy et al. (1989)

Belgien 28 – 61 Robberecht und Deelstra (1994)

Brasilien 28 – 37 Maihara et al. (2004)

China 7 – 4990 Combs (2001)

Deutschland 38 – 47 Oster und Prellwitz (1989) 30 – 42 Müller et al. (2003)

Finnland vor 1984 25 Aro et al. (1995) 1984 - 1990 110 ab 1991 85

Indien 20 – 50 Mahalingam et al. (1997)

Irland 50 Murphy et al. (2002)

Japan 104 Miyazaki et al. (2001)

Kanada 113 – 220 Thompson et al. (1975)

Kroatien 27 Klapec et al. (1998)

Neuseeland 49 – 67 Thomson et al. (1990)

Polen 30 – 40 Wasowicz et al. (2003)

Portugal 37 Reis et al. (1990)

Slowakei 38 Kadrabová et al. (1998)

Slowenien 30 Pokorn et al. (1998)

Schweden 38 Becker und Kumpulainen (1993)

Schweiz 55 – 70 Haldimann et al. (1996)

Spanien 35 Díaz-Alarcón et al. (1996)

Türkei 44 – 51 Giray und Hincal (2004)

USA 106 NAS (2000)

Venezuela 200 – 350 Combs (2001)

Vereinigtes Königreich

29 – 39 MAFF (1997)

NAS: National Academy of Sciences; MAFF: Ministry of Agriculture, Fisheries and Food

Für die Selenversorgung des Menschen ist nicht allein die enthaltene Menge des

Nahrungsmittels, sondern ebenso die enthaltene Spezies entscheidend (Fordyce 2013),

da sich die unterschiedlichen chemischen Verbindungen in ihrer Bioverfügbarkeit und


Verteilungsvorgängen im Körper unterscheiden (Fairweather-Tait et al.

2011; Finley 2006). Im Gegensatz zu anderen essentiellen Spurenelementen wie Eisen

und Zink ist eine Besonderheit von Selen, dass es in kovalent gebundener Form vorliegt.

Generell sind nur wenige Informationen über die genaue Spezieszusammensetzung von

einzelnen Lebensmitteln bzw. die Beeinflussung dieser durch deren Zubereitung bekannt.

Abbildung 7 zeigt die Strukturformeln von Selenspezies, die in verschiedenen

Nahrungsmitteln nachgewiesen wurden. In Bezug auf die Arbeiten zur Identifikation

einzelner Spezies muss berücksichtigt werden, dass diese meist in Zeiten weniger gut

entwickelter analytischer Geräte entstanden sind, als sie heutzutage zur Verfügung

stehen. Deshalb besteht in diesem Bereich noch viel Forschungsbedarf (Rayman et al.

2008).

Abbildung 7: Strukturformeln der natürlich über die Nahrung aufgenommenen Selenverbindungen

Tabelle 4 gibt einen Überblick über verschiedene Studien, die Selenspezies in

Lebensmitteln sowie deren Anteil am Gesamtselen untersucht haben. In den meisten

pflanzlichen Produkten ist das Selen überwiegend in Form der Aminosäure

Selenmethionin gebunden. Eine Ausnahme bilden dabei die hyper-akkumulierenden

Pflanzen. Hier liegt das Selen meist in Form nicht-proteinogener Aminosäuren wie

Se-Methylselenocystein und γ-Glutamyl-Se-methylselenocystein vor (Broadley et al.

2006). Hierzu gehören Pflanzen der Gattungen Allium und Brassica mit Vertretern wie

Brokkoli, Rettich, Kohl, Knoblauch, Zwiebeln und Lauch (Rayman 2008). In tierischen

Produkten wurde sowohl Selenmethionin als auch Selenocystein nachgewiesen (Bierla et

al. 2008). In Meerestieren konnte in neueren Studien Selenoneine, eine neue

Selenspezies nachgewiesen werden (Yamashita und Yamashita 2010; Yamashita et al.

2013).


Tabelle 4: Übersicht über den Selengehalt und die Spezieszusammensetzung verschiedener Lebensmittel

Nahrungsmittel Setotal-Konz. Spezies Anteil am Setotal Studie

[µg Se/g] [%]

Getreideprodukte

Weizen(a)

29,5 ± 0,2 SeMet 58 Cubadda et al. (2010)

SeMCys


Eine Besonderheit unter den Lebensmitteln stellen die Samen des Paranussbaums

(Bertholletia excelsa) dar. Bereits ein Samen deckt die empfohlene Tagesdosis der

US-Behörden (Yang 2009). Die Proteine der Paranuss sind reich an schwefelhaltigen

Aminosäuren, die in der Gegenwart von Selen zum Teil durch selenhaltige Aminosäuren

ersetzt werden (Ampe et al. 1986; Jayasinghe und Caruso 2011). Es wurden bereits

Selenintoxikationen durch den Verzehr von Paradiesnüssen beschrieben, die von

Bäumen derselben Pflanzenfamilie stammen (Müller und Desel 2010).

Exposition durch Nahrungsergänzungsmittel 2.7.2

Neben der Aufnahme von Selen über die Nahrung ist eine weitere Expositionsquelle die

Supplementation mit selenhaltigen Nahrungsergänzungsmitteln (NEM). NEM sind per

Gesetz definiert als in dosierter Form in den Verkehr gebrachte Konzentrate von

Nährstoffen, die die individuelle Ernährung ergänzen können (NemV 2004). In

Deutschland sind zahlreiche Präparate sowohl als Mono- als auch als Multipräparate

erhältlich, die sich in ihrer Zusammensetzung, Dosierung und der als Selenquelle

verwendeten Spezies unterscheiden. Die Nahrungsergänzungsmittelverordnung (NemV)

erlaubt die Verwendung von Natriumselenit, Natriumhydrogenselenit und Natriumselenat

als Selenquelle. Diese Positivliste wurde durch eine Verordnung der Europäischen

Gemeinschaft mit L-Selenmethionin, Selenhefe und seleniger Säure ergänzt

(Verordnung (EG) Nr. 1170/2009). Bei Selenhefen handelt es sich um Hefen, die auf

Selenit-haltigen Medien kultiviert wurden und in getrockneter Form nicht mehr als

2,5 mg Se/g enthalten. Die Selenspezies, die in diesen Präparaten überwiegend vorliegt,

ist Selenmethionin (60 - 85%). Die Selenhefe-Präparate enthalten neben dem

vorgeschriebenen Anteil an Selenmethionin weitere Selenspezies, wobei die genaue

Zusammensetzung allerdings oftmals nicht im Detail bekannt ist (Rayman 2004).

Selenverbindungen wie Selenocystein (10%) und anorganisches Selen (1%) dürfen

jedoch bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Untersuchungen haben eine Vielzahl von

Spezies in Selenhefe-Extrakten nachgewiesen: Selenmethionin-Se-oxid, Se-Methyl-

Selenocystein, Selenit, Selenat, Se-Homocystein, Se-Cystathionin, γ-Glutamyl-Se-

Methylselenocystein und Se-Methylselenoglutathion (Amoako et al. 2009; Dernovics et al.

2009; Rayman 2004).

Die Verwendung von Nahrungsergänzungsmitteln in der Bevölkerung hat in den

vergangenen Jahren in Deutschland und weiteren europäischen Ländern zugenommen

(Messerer et al. 2001; Reinert et al. 2007; Touvier et al. 2006). Eine Untersuchung von


Skeie et al. (2009) zum Nahrungsergänzungsmittelkonsum in Europa zeigte, dass es

europaweit große Unterschiede im Einnahmeverhalten gibt (Tabelle 5). Generell nahmen

Frauen häufiger NEM ein als Männer. Dies wurde v.a. auf die Einnahme von Eisen- und

Calciumpräparaten gegen Anämien und Osteoporose zurückgeführt, Erkrankungen die

bei Frauen häufiger auftreten. Des Weiteren zeigte die Untersuchung, dass in der Regel

mit höherem Alter der Konsum von NEM steigt.

Tabelle 5: Daten zur Verwendung von Nahrungsergänzungsmitteln in Europa (Skeie et al. 2009)

Land Frauen Männer

Anteil NEM-Anwender

davon Mineralstoff-haltige NEM

Anteil NEM-Anwender

davon Mineralstoff-haltige NEM

[%] [%]

Dänemark 65,8 41 51,0 36

Deutschland 27,0 42 20,7 32

Frankreich 32,4 52 --- ---

Griechenland 6,7 60 2,0 29

Italien 12,6 38 6,8 23

Niederlande 32,1 42 16,0 33

Norwegen 60,6 25 --- ---

Schweden 42,4 34 30,5 30

Spanien 12,1 52 5,9 33

Vereinigtes Königreich 47,5 20 36,6 13

Die Daten von Skeie et al. (2009) aus Deutschland stimmen sehr gut mit der nationalen

Verzehrstudie II aus dem Jahr 2008 überein. In dieser Untersuchung konsumierten 24,2%

der Männer und 30,9% der Frauen Nahrungsergänzungsmittel (MRI 2008). Die Anzahl

der verschiedenen in Deutschland konsumierten Präparate, die Selen enthalten, ist nicht

bekannt. Die Untersuchung von Skeie et al. zeigte aber, dass eine Vielzahl der

konsumierten Präparate Mineralstoff-haltig war. Daten aus dem National Health and

Nutrition Examination Survey (NHANES) der USA zeigen, dass der Anteil an

selenhaltigen NEM von 1% in den Jahren 1999/2000 auf 19% in der Erhebung von

2003-2006 anstieg (Bailey et al. 2011; Radimer et al. 2004). Daraus lässt sich folgern,

dass die Einnahme dieser Präparate in der Gesellschaft eine immense Rolle spielt.

Eine Höchstmenge für Selen in Nahrungsergänzungsmitteln ist nicht festgelegt. Das

Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) schlägt eine Höchstmenge von

25 - 30 µg/Tagesdosis vor, die aber von vielen Präparaten überschritten wird (Domke et

al. 2004). Aufgrund der variierenden Dosierungen der einzelnen Präparate, die oftmals

über der Empfehlung des BfR liegen, und der Tatsache, dass teilweise auch mehrere


Nahrungsergänzungsmittel gleichzeitig eingenommen werden (Skeie et al. 2009), ist

dieser Expositionsweg auch im Hinblick auf potentielle Überdosierungen von

zunehmender Bedeutung.

Industrielle Verwendung von Selen 2.7.3

Am Arbeitsplatz handelt es sich bei Expositionen gegenüber Selen in der Regel um

dermale oder inhalative Belastungen gegenüber elementarem Selen oder anorganischen

Selenverbindungen (Hartwig 2011). Die weltweite Jahresproduktion an Selen ist in den

vergangenen 50 Jahren stetig von unter Tausend Tonnen auf über 2000 Tonnen im Jahr

2009 gestiegen (Butterman und Brown 2004; George 2012).

Das Einsatzgebiet von Selen in Industrie und Technik ist vielseitig. Die größten Abnehmer

sind die Metall-verarbeitende Industrie (40%), die Glasindustrie (25%), die Landwirtschaft

(10%), die Halbleiter- und Elektroindustrie (10%) sowie die chemische Industrie (10%)

(George 2012). In der Halbleiter- und Elektroindustrie wird hauptsächlich graues,

kristallines Selen aufgrund seiner hervorragenden, belichtungsabhängigen Leitfähigkeit

und Wärmeleitfähigkeit verwendet. Es findet Einsatz in Gleichrichtern, Photozellen,

Radaranlagen, Kopier- und Laserdruckern (Butterman und Brown 2004; Glover 1954). Die

Glasindustrie verwendet beispielsweise Cadmiumsulfoselenid zum Erzeugen einer

orange-roten Farbe bei der Glasherstellung sowie Beimengungen von elementaren Selen,

Bariumselenit oder Natriumselenit zur Entfärbung von Gläsern. Ebenso werden

Selenpigmente in Farben und Lacken verwendet (Butterman und Brown 2004; Glover

1954). Einen weiteren großen Einsatzbereich hat Selen in der chemischen und

pharmazeutischen Industrie. Neben der Herstellung von den bereits erwähnten

Nahrungsergänzungsmitteln (siehe 2.7.2) wird es in Form von Selensulfiden als

Zusatzstoff in Haarpflegemitteln gegen Schuppen eingesetzt (Butterman und Brown 2004;

Reilly 2006). Die chemische Industrie verwendet es als Polymerisations- und

Vulkanisationsmittel in der Gummiherstellung, als Katalysator (Selenid) oder

Oxidationsmittel (Selendioxid) (Butterman und Brown 2004).

Neben einigen Fallberichten liegen nur wenige Studien zur Exposition an

selenverarbeitenden Arbeitsplätzen vor (Greim 1999). In einer arbeitsmedizinischen

Feldstudie wurde die Exposition von 20 Beschäftigten (Alter 30 – 55 Jahre) aus

verschiedenen Bereichen der Selenveredelung untersucht. Hierbei wurde die äußere

Belastung durch zweimalige personenbezogene Messung der Gesamtselenkonzentration

in der Luft über zwei Stunden sowie die innere Belastung durch Bestimmung der


Gesamtselenkonzentration in Plasma (nach Schicht) und Urin (vor und nach Schicht)

erfasst. Eine Differenzierung der Expositionsspezies (elementares Selen und

anorganische Selensalze) war aufgrund häufig wechselnder Tätigkeiten am Arbeitstag

nicht möglich. Zum Vergleich wurde ein altersangepasstes Kontrollkollektiv (n=20)

untersucht. Die gemessene Selenkonzentration in der Luft (Median: 110 µg Se/m3 E;

Bereich: 8 – 950 µg Se/m3 E) überschritt bei 67% der Beschäftigten den damaligen MAK-

Wert von 50 µg Se/m3 E. Die Selenkonzentration im Plasma lag in den Nachschichturinen

im Bereich von 12 - 181 µg/L (Median: 118 µg/L) und im Kontrollkollektiv zwischen 52 und

102 µg/L. Als Referenzwert wurde das 95. Perzentil der Kontrollgruppe (102 µg/L)

herangezogen. Dieser wurde von 80% der Nachschichtwerte überschritten. Die

Selenkonzentrationen in den vor und nach der Schicht gemessenen Urinproben (vor

Schicht: 10 - 815 µg/g Kreatinin, Median: 43 µg/g Kreatinin; nach Schicht: 10 – 437 µg/g

Kreatinin, Median: 56 µg/g Kreatinin) lagen deutlich über dem Referenzwert des

Kontrollkollektivs (95. Perzentil: 32 µg/g Kreatinin). Es bestand allerdings kein statistisch

signifikanter Unterschied zwischen den vor und nach der Schicht gewonnen Proben,

ebenso zeigte sich keine gleichsinnige Entwicklung über die Schicht hinweg (Schaller et

al. 2008).


2.8 Bioverfügbarkeit und Metabolismus von Selen

Bioverfügbarkeit 2.8.1

In den Ernährungswissenschaften ist die Bioverfügbarkeit definiert als die Absorption und

Verwertung eines Nährstoffes im Körper und umfasst somit neben der Absorption auch

dessen Speicherung und Ausscheidung (Krebs 2001; Lowe und Wiseman 1998). Die

genauen Aufnahmewege der unterschiedlichen Selenspezies sind bisher nicht im Detail

bekannt (Fairweather-Tait et al. 2010). Für Selenat wird eine intestinale Aufnahme analog

zu Sulfat über relativ unspezifische Anionentransporter angenommen (Shennan 1988;

Wolffram et al. 1985). Im Gegensatz dazu wird bei Selenit von einer passiven Diffusion

ausgegangen (McConnell und Cho 1965; Wolffram et al. 1985). Für die organischen

Selenverbindungen Selenmethionin, Selenocystein und Se-Methylselenocystein wurden

eine Reihe intestinaler Aminosäuretransporter beschrieben (Nickel et al. 2009).

Selenmethionin wird dabei wie Methionin durch einen Natrium-vermittelten

Carriertransporter im Dünndarm absorbiert (Wolffram et al. 1989). Im Allgemeinen ist die

Absorption sowohl von organischen als auch von anorganischen Selenverbindungen

relativ hoch (Finley 2006). Die Ergebnisse verschiedener Studien zur Absorption und

Elimination von Natriumselenat, Natriumselenit, Selenmethionin und Selenhefe sind in

Tabelle 6 zusammengefasst. In der Literatur wird die Absorption für Natriumselenat beim

Menschen mit >90% und für Natriumselenit mit 50 - 83% angeben. Bei Selenat wird

allerdings ein größerer Teil der absorbierten Menge renal eliminiert, so dass die Retention

im Körper bei beiden Verbindungen im Bereich von 30 - 40% liegt. Einen signifikanten

Unterschied zeigten die beiden Verbindungen in der kumulativen Urinausscheidung, 90%

der gesamt renal ausgeschiedenen Menge wurden im Mittel bei Selenat nach 40 Stunden

und bei Selenit nach 121 Stunden eliminiert (van Dael et al. 2001; Patterson et al. 1989;

Thomson und Robinson 1986). Selenmethionin wird zu über 90% resorbiert, ebenso

wurde für Selenhefe eine Absorption von etwa 90% beschrieben (Bügel et al. 2008;

Griffiths et al. 1976; Swanson et al. 1991). Um die Bioverfügbarkeit, insbesondere die

Verwertung und Speicherung unterschiedlicher Selenverbindungen im menschlichen

Organismus beurteilen zu können, wurden Supplementationsstudien durchgeführt, die als

Parameter den Selengehalt im Blut bzw. Plasma sowie die Glutathionperoxidaseaktivität

verwendeten. Es zeigte sich, dass die organischen Verbindungen zu einem schnelleren

und stärkeren Anstieg der Blutkonzentration führten als anorganische Verbindungen. Im

Hinblick auf die Glutathionperoxidaseaktivität im Plasma und Erythrozyten war kein


signifikanter Unterschied festzustellen, die Aktivität des Enzyms in Thrombozyten zeigte

jedoch ein empfindlicheres Ansprechen auf anorganische Verbindungen (Nève 1995).

Tabelle 6: Übersicht diverser Studien zur Bioverfügbarkeit von Selenat, Selenit, Selenmethionin und Selenhefe

Spezies Studiendesign Absorption Ausscheidung(X)

Retention(X)

Literatur

(Dosis, Probanden,

Studiendauer) [%] Urin [%] Faeces [%]

Selenat 40 µg 76

Se n=10 9 Tage

91 ± 1 45 ± 8 9 ± 1 46 ± 8 Van Dael et al. (2001)

1 mg n=10 5 Tage

94 ± 4 62 ± 11 6 ± 4 n.b. Thomson und Robinson (1986)

Selenit 40 µg 74

Se n=10 9 Tage

50 ± 8 9 ± 2 50 ± 8 41 ± 8 Van Dael et al. (2001)

200 µg 74

Se n=6 12 Tage

83 ± 1 17 ± 1 19 ± 1 35 ± 3 Patterson et al. (1989)

1 mg n=4

5 Tage 62 ± 14 21 ± 4 38 ± 14 n.b.

Thomson und Robinson (1986)

SeMet < 2µg 75

Se n=4 14 Tage

96 – 97 6 - 9 4 – 6 86 – 89 Griffiths et al. (1976)

200 µg 74

Se n=6 12 Tage

96 11 ± 1 4 ± 1 n.b. Swanson et al. (1991)

Selenhefe 327 µg 77

Se n=12 3 Tage

89 ± 4 15 ± 5 11 ± 4 74 ± 6 Bügel et al. (2008)

(X): am Ende der Studie; n.b.: nicht bestimmt; n: Anzahl der Probanden

Metabolismus und Elimination 2.8.2

Der Metabolismus von anorganischen und organischen Selenverbindungen erfolgt nach

bisherigem Kenntnisstand vorwiegend über das zentrale Stoffwechselzwischenprodukt

Selenid, welches als Quelle für die Synthese von Selenoproteinen und weiteren

Stoffwechselendprodukten gilt (Birringer et al. 2002; Ohta und Suzuki 2008; Whanger

2002).

Die Reduktion von Selenit findet entweder direkt durch eine Thioredoxinreduktase und

Thioredoxin zum Selenid (Lu et al. 2009) oder Glutathion-vermittelt über das intermediär

gebildete Selendiglutathion (GSSeSG) unter NADPH-Verbrauch und einer Glutathion-

Reduktase (GSR) statt (Hsieh und Ganther 1977). Selenat kann in Analogie zu Schwefel


durch die ATP-Sulfurylase zum Adensosinphosphoselanat aktiviert und anschließend zu

Selenit reduziert werden (Sors et al. 2005; Terry et al. 2000). Bisher wurde diese Reaktion

allerdings nur bei Bakterien und Landpflanzen beschrieben; die Bestätigung für den

Menschen fehlt bisher (Birringer et al. 2002).

Die Aminosäure Selenmethionin kann aufgrund der strukturellen Ähnlichkeiten zu

Methionin unspezifisch an dessen Stelle in Proteine wie zum Beispiel Albumin und

Hämoglobin eingebaut werden (Behne et al. 1991). Selenmethionin, welches nicht für die

Proteinbiosynthese verwendet wird, folgt dem Stoffwechselweg der

Transsulfurierung/Transselenierung (Birringer et al. 2002; Suzuki 2005). Hierbei wird

Selenmethionin über die Zwischenprodukte Selenohomocystein und Selenocystathionin

mit Hilfe der Enzyme Cystathionin-β-Synthase (CBS) und Cystathionin-γ-Lyase (CSE) zu

Selenocystein (SeC) umgesetzt (Esaki et al. 1981). Selenocystein wird anschließend

mittels β-Lyasen zu Selenid metabolisiert (Esaki et al. 1982). Des Weiteren kann

Selenmethionin durch eine Methionin-γ-Lyase direkt zu Methylselenol verstoffwechselt

werden (Okuno et al. 2006; Okuno et al. 2005 a, b).

Für den Einbau von Selen in spezifische Selenoproteine, wird das Selenid zusammen mit

ATP durch eine Selenophosphat-Synthetase (SPS) in den reaktiven Selendonator

Selenophosphat überführt. Anschließend wird die Aminosäure Serin, die an eine spezielle

tRNA (tRNASec) mit dem Anticodon UCA gebunden sein muss, durch das Enzym

Selenocystein-Synthase (SeCS) und Selenophosphat, seleniert. Durch die Bindung dieser

„selenylierten“ tRNA an die entsprechende mRNA und Neuinterpretation des eigentlichen

Translationsstoppcodons UGA wird Selenocystein spezifisch in funktionelle

Selenoproteine eingebaut (Allmang und Krol 2006; Driscoll und Copeland 2003; Hatfield

und Gladyshev 2002).

Die wichtigsten Ausscheidungsprodukte von Selen stellen die selenhaltigen Zucker dar

(Francesconi und Pannier 2004). Erstmals wurde Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-

β-D-galactopyranosid (SeSug1) im Urin von Ratten nach Verabreichung von Selenit

nachgewiesen (Kobayashi et al. 2002). Es folgte der Nachweis dieses Zuckers sowie von

Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-glucopyranosid (SeSug2) und Methyl-2-

amino-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid (SeSug3) in humanem Urin (Bendahl und

Gammelgaard 2004; Gammelgaard und Bendahl 2004; Gammelgaard et al. 2003, 2005;

Kühnelt et al. 2005, 2006 a, 2007). Zusätzlich wurde die Struktur von SeSug1 in

unbelasteten menschlichen Urinproben mit Elektrospray-Massenspektrometrie bestätigt

(Klein et al. 2011). Die Bildung der selenhaltigen Zucker erfolgt Glutathion-vermittelt mit

anschließender Methylierung der funktionellen Selenol-Gruppe (siehe Abbildung 8)


(Kobayashi et al. 2002). SeSug3 entsteht durch Deacetylierung von SeSug1 durch eine

Amidohydrolase (Kühnelt et al. 2005; Roseman 1957). Eine Zytotoxizitätsstudie an

HepG2-Zellen zeigte für SeSug1 und SeSug2 im Vergleich zu Natriumselenit eine

1000fach schwächere Toxizität (Kühnelt et al. 2005). Die biologische Bedeutung dieser

Stoffwechselprodukte ist außer der einhergehenden Eliminationsbeschleunigung durch

die verbesserte Wasserlöslichkeit weitgehend unbekannt (Francesconi und Pannier 2004;

Kobayashi et al. 2002).

Abbildung 8: Schema der Selenzucker-Bildung, modifiziert nach Kobayashi et al. (2002); SeSug1: Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid; SeSug2: Methyl-2-acetamido-2-desoxy-1-seleno-β-D-glucopyranosid; SeSug3: Methyl-2-amino-2-desoxy-1-seleno-β-D-galactopyranosid; GlcNAc: 2-Acetamido-2-desoxy-β-D-glucopyranose; GalNAc: 2-Acetamido-2-desoxy-β-D-galacto-pyranose; SAM: S-Adenosylmethionin; SAH: S-Adenosylhomocystein; GSSeH: Glutathionseleno-persulfid

Ein weiterer Stoffwechselweg erfolgt mit Hilfe von Methyltransferasen (MT), die das

intermediäre Selenid zu methylierten Selenverbindungen wie dem Mono- und

Dimethylselenid sowie dem Trimethylselenium-Ion metabolisieren (Kremer et al. 2005;

Ohta und Suzuki 2008; Suzuki 2005; Suzuki et al. 2006 a, c). In vitro Untersuchungen in

Erythrozytensuspensionen zeigten, dass bei simultaner Inkubation von

77Se-methylseleniger Säure und 82Se-Selenit die Produktion der Selenzucker oder des

Trimethylselenium-Ions von der Kapazität der Demethylierung von Momomethylselenid

zum Selenid abhängt (Suzuki et al. 2006 b). Das Monomethylselenid kommt nicht nur als

Zwischenprodukt im Methylierungsstoffwechselweg vor; zusätzlich kann es als

Abbauprodukt von Se-Methylselenocystein und γ-Glutamyl-Se-methylselenocystein durch

β-Lyasen (Andreadou et al. 1996; Pinto et al. 2011; Suzuki et al. 2007) aus


Selenmethionin durch Methionin-γ-Lyasen (Okuno et al. 2005 a, b) sowie durch Reduktion

von methylseleniger Säure entstehen und zu Selenid mittels Demethylasen (DM)

demethyliert werden (Ip et al. 2000; Suzuki et al. 2006 b, c). Der Nachweis von

Methylselenol als Eliminationsprodukt im Urin (Itoh und Suzuki 1997; Suzuki et al. 1995;

Suzuki 1996), wie es in frühen Studien beschrieben wurde, wird heutzutage

unzureichenden analytischen Verfahren zugeschrieben (Francesconi und Pannier 2004).

Im Gegensatz dazu wurde das Trimethylselenium-Ion sicher im menschlichen Urin

nachgewiesen. Die Ausscheidung des Trimethylselenium-Ions unterliegt allerdings großen

interindividuellen Schwankungen mit eliminierten Mengen im Spurenbereich bis hin zum

Haupteliminationsprodukt (Gammelgaard et al. 2000; Kühnelt et al. 2006 a, b; Lu et al.

2012; Marchante-Gayón et al. 2001). Auch Dimethylselenid wurde in Spuren im

menschlichen Urin nachgewiesen (Bueno und Pannier 2009), der Großteil wird zum

TMSe verstoffwechselt oder über die Atemwege exhaliert (Kremer et al. 2005). In

verschiedenen pharmakokinetischen Modellen wurde für Selen nach oraler Aufnahme von

Selenit und Selenmethionin ein enterohepatischer Kreislauf beschrieben, wodurch

zusätzliches Selen neben dem nicht resorbierten Selen über die Faeces eliminiert werden

kann (Patterson et al. 1989; Swanson, et al. 1991; Wastney et al. 2011). Abbildung 9 zeigt

schematisch den Metabolismus von Selen.

Abbildung 9: Biotransformationsschema von Selen nach Navarro-Alarcón und Cabrera-Vique (2008) sowie Fairweather-Tait et al. (2011)


2.9 Klinische Störungen - Gefährdungsbeurteilung von Selen

Selenmangel 2.9.1

Eine Unterversorgung mit Selen kann einerseits ernährungsbedingt durch die Aufnahme

von Lebensmitteln mit unzureichendem Selengehalt (


Kashin-Beck-Krankheit

Die Kashin-Beck-Krankheit ist eine chronisch-degenerative Osteoarthropathie, die mit

Minderwuchs und Knochendeformation einhergeht und endemisch in selenarmen

Gebieten in Russland, Nordkorea und Teilen Chinas beobachtet wurde (Allander 1994;

Moerman et al. 1992). Die Krankheitsentstehung ist weitgehend ungeklärt, wird aber mit

einem Selenmangel in Verbindung gebracht (Sudre und Mathieu 2001). In den

betroffenen Gebieten waren sowohl die Selenkonzentrationen im Haar als auch die

GPx-Aktivität im Vergleich zu nicht betroffenen Gebieten erniedrigt (Ge und Yang 1993).

Dieser Zusammenhang wird aber kontrovers diskutiert. Weitere in der Literatur diskutierte

Risikofaktoren sind Kontaminationen von Lebensmitteln bzw. Trinkwässer mit

Mykotoxinen, Humin- oder Fulvinsäure, Virusinfektionen sowie ein Jodmangel (Sudre und

Mathieu 2001; Stone 2009). Eine Meta-Analyse verschiedener Studien aus dem Jahr

2009 hat gezeigt, dass eine Supplementation mit Selen in den betroffenen Gebieten der

Krankheitsentstehung entgegenwirkt (Zou et al. 2009).

Toxizität 2.9.2

Akute und chronische Toxizität

Die Selenvergiftung betrifft weit weniger Menschen als der Selenmagel, kann aber als

Folge einer übermäßigen Supplementation (MacFarquhar et al. 2010), durch

versehentliche oder vorsätzliche (suizidale) Einnahme sehr hoher Selenmengen (Müller

und Desel 2012) oder in selenreichen Gebieten über die Nahrung auftreten (Hira et al.

2004; Yang et al. 1983).

Bei der Gefährdungsbeurteilung von Selen muss berücksichtigt werden, dass sich die

unterschiedlichen Selenverbindungen bezüglich ihres toxikologischen Potentials

unterscheiden. Tabelle 7 zeigt dies anhand der Unterschiede in der mittleren letalen Dosis

(LD50), die in Tierversuchen bei Ratten für verschiedene Selenspezies nach oraler Gabe

bestimmt wurden.


Tabelle 7: LD50-Werte (Ratte) verschiedener Selenspezies

Spezies Summenformel LD50 Literatur

[mg/kg]

Natriumselenat Na2SeO4 1,6 NTP (1994)

Natriumselenit Na2SeO3 7 Cummins und Kimura (1971)

Selenhefe --- 37 Vinson und Bose (1987)

Selenourea CH4N2Se 50 Cummins und Kimura (1971)

Selensulfid SeS2 138 Cummins und Kimura (1971)

Biphenylselenid C12H10Se 360 Cummins und Kimura (1971)

Elementares Selen Se0 6700 Cummins und Kimura (1971)

Sowohl für die akute als auch für die chronische Selenintoxikation wurde ein

knoblauchartiger Geruch von Schweiß und Atemluft beschrieben, der durch die Exhalation

von Dimethylselenid verursacht wird (Barceloux 1999). Des Weiteren wurden für die akute

Intoxikation beim Menschen folgende Symptome beschrieben: (I) neurologische

Beschwerden wie Tremor, Muskelkrämpfe, Unruhe, Verwirrtheit, Delirium und Koma;

(II) gastrointestinale Beschwerden wie abdominale Schmerzen, Übelkeit, Erbrechen und

Durchfall; (III) Reizungen der Schleimhäute überwiegend nach Selenwasserstoff-

Exposition; (IV) Entzündungen des Respirationstrakts, Lungenödeme, Hypotension und

Tachykardie. Langfristig können Haarverlust und Schädigungen von Fuß- und

Fingernägeln auftreten. Weitere Organsysteme, die geschädigt werden, sind Leber, Niere,

Milz und Pankreas (Barceloux 1999; Gasmi et al. 1997; Köppel et al. 1986; MacFarquhar

et al. 2010; Müller und Desel 2010; Nuttall 2006; Williams und Ansford 2007).

Bei der chronischen Selenvergiftung (Selenosis) sind neben dem knoblauchartigen

Geruch der Atemluft, fleckige, streifige, brüchige Nägel, Zahnverfall, Verlust von Nägeln

und Zähnen, rötliche Verfärbung der Haut, Hautausschläge, Schmerzen in den

Extremitäten, Hyperreflexie, Müdigkeit, Trägheit, Erschöpfung, Gleichgültigkeit,

Leistungsschwäche und gastrointestinale Beschwerden beschrieben worden (Barceloux

1999; Hira et al. 2004; Yang et al. 1983).

Selen und Diabetes mellitus

Aufgrund tierexperimenteller Studien (Hwang et al. 2007; Iizuka et al. 2010) sowie

Beobachtungen aus Fall-Kontroll-Studien (Kljai und Runje 2001; Navarro-Alarcón et al.

1999) wurde die Einnahme von Selen mit einem verbesserten Glukosestoffwechsel und

einem daraus resultierenden verminderten Diabetesrisiko in Verbindung gebracht. Im


Gegensatz dazu zeigten epidemiologische Studien jedoch, dass eine übermäßige Zufuhr

von Selen zu einer Erhöhung des Risikos, an Diabetes mellitus Typ 2 zu erkranken, führt.

In der nachträglichen Auswertung einer randomisierten, placebokontrollierten

Supplementationsstudie (200 µg Selen als Selenhefe) zum Einfluss auf das Krebsrisiko

mit 1312 Teilnehmern über 12 Jahre wurde ein erhöhtes Risiko für das Auftreten von

Diabetes mellitus Typ 2 in der Interventionsgruppe beobachtet (Stranges et al. 2007). Ein

signifikanter Risikounterschied konnte allerdings nur bei Männern festgestellt werden. Bei

der Einzelbetrachtung verschiedener Subgruppen wurde ein signifikant erhöhtes Risiko

für das Drittel mit den höchsten initialen Selenwerten (>121,6 µg/L Blutplasma)

festgestellt. Auch in der SELECT-Studie (The Selenium and Vitamin E Cancer Prevention

Trail) wurde in der Seleninterventionsgruppe (200 µg Selen als Selenmethionin) ein

erhöhtes Risiko, an Diabetes zu erkranken, beschrieben. Dies war allerdings statistisch

nicht signifikant. Die Supplementationsstudie wurde aufgrund eines fehlenden protektiven

Effektes auf die Krebsentstehung sowie des möglichen, statistisch signifikant werdenden

diabetogenen Effektes abgebrochen (Lippman et al. 2009). Eine weitere Studie, die einen

Zusammenhang von Selen und Diabetes zeigte, war die französische SU.VI.MAX-Studie

(Supplementation en Vitamines et Minéraux Antioxydants), eine randomisierte,

placebokontrollierte Interventionsstudie mit über 1500 Teilnehmern. Die

Interventionsgruppe erhielt ein Kombinationspräparat aus Selenmethionin (100 µg Se),

Vitamin C, Vitamin E, β-Carotin und Zink über 7,5 Jahre und zeigte einen statistisch

signifikanten Anstieg des Nüchternglukosespiegels, der ein prädisponierender Faktor für

die Diabetesentstehung ist (Czernichow et al. 2006). Eine Querschnittsanalyse mit 8876

Teilnehmern der NHANES-Studie III zeigte einen statistisch signifikanten Zusammenhang

zwischen der Serumselenkonzentration und dem Auftreten von Diabetes mellitus. Die

Serumselenkonzentrationen der an Diabetes erkrankten Teilnehmer lag im Mittel bei

126,8 µg/L und 124,7 µg/L bei Personen ohne diese Erkrankung (Bleys et al. 2007).

Ähnliche Ergebnisse lieferten die Daten aus der NHANES-Studie aus den Jahren 2003

und 2004, hier lagen die Selenspiegel bei 143,7 ± 18,3 µg/L für Diabetiker und

136,4 ± 19,9 µg/L für Nicht-Diabetiker. Beim Vergleich des Teilnehmerquartils mit den

höchsten Selenkonzentrationen (>147 µg/L Serum) mit dem Quartil mit den niedrigsten

Selenwerten (


Dysglykämie zu bekommen, als Männer mit Selenspiegeln im unteren Drittel

(14,21 - 78,96 ng/mL). Bei Frauen war dieser Zusammenhang nicht zu beobachten

(Akbaraly et al. 2010). Eine Studie von Navarro-Alarcón et al. (1999) zeigte ebenfalls

einen signifikant niedrigeren Plasmaselengehalt bei Diabetikern (64,9 ± 22,8 µg/L) als bei

Nicht-Diabetikern (74,9 ± 27,3 µg/L). Weitere Studien konnten keinen signifikanten

Zusammenhang zwischen dem Selengehalt im Plasma und dem

Nüchternblutzuckerspiegel bzw. der Diabetesentstehung nachweisen (Coudray et al.

1997; Hughes et al. 1998). Die Aufklärung des genauen biochemischen Mechanismus als

Beweis für den kausalen Zusammenhang zwischen der Entstehung von Diabetes mellitus

und Selen bzw. des protektiven Effektes von Selen, der in den klinischen und

epidemiologischen Studien beobachtet wurde, steht noch aus. Für den protektiven Effekt

spricht die Eigenschaft von Selen, in vitro Insulin-äh

entwicklung und anwendung von methoden zur bestimmung von … · 2014. 8. 8. · dabei werden...

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