Vielleicht war sich die Pressestelle der Universität Zürich nicht bewusst, wie groß das Medienecho sein würde. »Gewerbliche Geschirrspüler zerstören Schutzschicht des Darms«, lautete die Überschrift einer Mitteilung von Anfang Dezember 2022. Darin heißt es, ein Forschungsteam des mit der Universität assoziierten Schweizerischen Instituts für Allergie und Asthmaforschung (SIAF) habe in einer Studie herausgefunden, dass unsichtbare Klarspülerrückstände auf scheinbar sauberen Tellern und Gläsern über die Nahrungsaufnahme in unseren Darmtrakt gelangen und diesen schädigen könnten. Das darauf folgende mediale Echo war überwältigend. »Krank durch Klarspüler?«, fragte der Deutschlandfunk. Der »Stern« titelte »Klarspüler für die Maschine kann den Darm schädigen«. Und DocCheck griff das Thema gar mit der Zeile »Darmkiller Spülmaschine?« auf. Auch etliche weitere Nachrichtenportale berichteten über das Experiment, dessen Ergebnisse im Fachmagazin »Journal of Allergy and Clinical Immunology« veröffentlicht wurden.

Mit der Schutzschicht des Darms ist das Darmepithel gemeint. Es liegt wie ein Tuch über sämtlichen Ausstülpungen und Einbuchtungen im Inneren des Verdauungsorgans und erfüllt zwei grundlegende Aufgaben: Zum einen nimmt es Nährstoffe, Wasser und Elektrolyte aus der Nahrung auf, zum anderen wehrt es unerwünschte Stoffe wie etwa schädliche Bakterien ab. Ist die vom Darmschleim überzogene, empfindliche Epithelbarriere undicht, kann es zu chronischen Erkrankungen, Nahrungsmittelallergien, Diabetes, Fettleibigkeit und Schlimmerem kommen. Haben die beteiligten Wissenschaftler also eine gravierende Gesundheitsgefahr aufgedeckt? Dazu muss man sich die Studienmethodik näher anschauen.

Der Gedanke, dass gewerbliche Spülmaschinen, die zuweilen in Großküchen von Krankenhäusern, in der Gastronomie und in Schulen eingesetzt werden, dazu beitragen können, ebenjene Schutzschicht zu zerstören, ist beunruhigend. Begründet wird die Aussage der Wissenschaftler mit verschiedenen Experimenten an Darmepithelzellen in einer Kulturschale außerhalb des Körpers, so genannten In-vitro-Tests. Darin wurden die Effekte von Klarspüler und Geschirrreiniger auf die Zellen untersucht. Zunächst einmal die gute Nachricht: Alle Experimente zeigten, dass gewöhnliche Haushaltsgeschirrspülmaschinen sowohl die Reiniger als auch die Klarspüler effektiv von den Tellern wieder entfernen und keine Reste bleiben, die Zellkulturen zerstören würden.

Nur bei den gewerblich genutzten Geschirrspülern verblieben Reste vom Klarspüler auf dem Geschirr und schädigten die Zellkulturen im Experiment. Offenbar führen die Rückstände dazu, dass die damit behandelten Zellkulturen eine weniger starke Barriere ausbilden und einige Zellen sterben. Verantwortlich sei ein in Klarspülern häufig enthaltener Inhaltsstoff aus der Gruppe der Alkoholethoxylate, ein nicht ionisches Tensid, schreiben die SIAF-Forscher. Und der Stoff steckt in vielen Reinigungsmitteln für Haushalt und Industrie, wird in der Pharma-, Kosmetik-, Textil- und Lederindustrie verwendet sowie auch für Pflanzenschutz und bei der Metallverarbeitung.

Studien in der Petrischale

Um die Wirkung des Klarspülers auf Darmzellen zu erforschen, wählten die SIAF-Forscher verschiedene Modellsysteme in der Petrischale, die das Geschehen im menschlichen Körper simulieren sollten: eine klassische einschichtige Zellkultur, Darmzellen auf einem Plastikchip (»Gut-on-chip«-Modell) und ein dreidimensionales Organoid. Letzteres ist eine aus Stammzellen künstlich gezüchtete Mikrostruktur, die einem Organ in Miniatur ähnelt. Sie behandelten die Modellsysteme mit verschiedenen Klarspülerkonzentrationen und testeten Verdünnungen von bis zu 1 : 40 000.

In einem weiteren Versuch untersuchten die Autoren die auf Porzellangeschirr verbliebenen Rückstände gewerblicher Reinigungsmittel. Dazu befüllten sie Porzellantassen, die in Geschirrspülmaschinen gereinigt und getrocknet worden waren, mit je einem Milliliter Zellkulturmedium und applizierten davon nach kurzer Einwirkzeit einige Tropfen auf Zellkulturen. Die Reinigung in einer regulären Spülmaschine für den Privathaushalt mit handelsüblichem Reinigungsmittel führte zu keinen messbaren toxischen Effekten. Für die gewerbliche Geschirrreinigung ergaben sich jedoch erkennbare Zellschädigungen. Bei der unverdünnten Probe lag die so genannte Zytotoxizität, ein Maß für die Zellschädigung bezogen auf eine Kontrollsubstanz, bei etwa 65 Prozent. Das bedeutet, dass vergleichsweise viele Zellen in der Petrischale im direkten Kontakt mit Klarspülerrückständen abstarben. Bei einer 1 : 2-Verdünnung lag die Zytotoxizität bei rund 20 Prozent und für die höchste untersuchte Verdünnung von 1 : 10 noch immer bei knapp 10 Prozent. Aber lassen sich die Versuche in der Petrischale auf die Vorgänge im Darm eines lebenden Körpers übertragen?

In Deutschland ist das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) für Fragen zur Lebensmittelsicherheit, Produktsicherheit, zu Kontaminationen in der Nahrungskette und für den gesundheitlichen Verbraucherschutz zuständig. Es ist dem Bundeslandwirtschaftsministerium zugeordnet, aber in seiner wissenschaftlichen Bewertung unabhängig. Auf Anfrage schreibt ein Sprecher, die SIAF-Studienergebnisse ließen »sich nicht ohne Weiteres auf die tatsächliche Situation beim Verbraucher übertragen«. Notwendig für eine umfassende Risikobewertung wären »neben der Kenntnis über die möglichen gesundheitlichen Effekte der Substanz (Gefahrencharakterisierung) auch die Höhe der Exposition (Ausmaß der Aufnahme) des Verbrauchers durch Verwendung von mit Klarspüler gereinigtem Geschirr in der Spülmaschine«. Die gefundenen, mutmaßlich durch Alkoholethoxylate verursachten Effekte könne man anhand ihrer physikochemischen Eigenschaften als Lösungsvermittler erklären.

Anders gesagt: Klarspüler reduziert für einen streifenfreien Glanz die Oberflächenspannung des Wassers, damit es besser abfließen kann und schlierende Tropfen vermieden werden. Wie ein Emulgator erleichtern die Alkoholethoxylate die Vermischung verschiedener Substanzen – und unterscheiden dabei nicht, um welche Substanzen es sich handelt. Entsprechend können die Stoffe auch die Darmzellen angreifen.

Tatsächliche Exposition wird im Modell überschätzt

In der Pressemitteilung der Universität Zürich erklärt SIAF-Direktor und Koautor der Studie Cezmi Akdis: »Die von uns nachgewiesenen Effekte können den Beginn der Störung des Darmepithels und vieler chronischer Krankheiten signalisieren.« Er fordert deshalb die Ergreifung sofortiger Maßnahmen. »Es ist wichtig, die Öffentlichkeit auf diese Gefahr hinzuweisen, da Alkoholethoxylate offenbar häufig in gewerblichen Geschirrspülern verwendet werden.«

Das BfR allerdings merkt an, dass die direkte Übertragung der Ergebnisse des In-vitro-Porzellantassenversuchs auf die In-vivo-Situation im Menschen wohl zu einer Überschätzung der Exposition führe. »Es ist davon auszugehen, dass in der Realität die Verdünnung der Reinigungsmittelrückstände durch den Kontakt des Geschirrs mit Lebensmitteln deutlich höher ist als im Experiment.« Würde die Tasse etwa mit 100 Millilitern Getränk statt mit nur einem Milliliter Zellkulturmedium befüllt, ergäbe sich bereits eine weitere Verdünnung von 1 : 100. »Bei dieser Verdünnungsstufe wären wahrscheinlich keine relevanten Effekte mehr durch die Reinigungsmittelrückstände auf Darmepithelzellen zu erwarten. Darüber hinaus erfolgt eine weitere Verdünnung während der Magen-Darm-Passage durch die Verdauungssekrete (Speichel, Magensäure, Galle)«, schreibt das BfR.

Wie realistisch simulieren die SIAF-Experimente an den Modellsystemen also die Situation im Körper? Viele Presseberichte heben vor allem die verwendete Organoid-Technologie hervor, ganz so, als ob dieses Modewort eine gewisse Unangreifbarkeit der Ergebnisse und eine Nichthinterfragbarkeit suggerierte.

Doch: »Eine Organoid-Studie ist die SIAF-Studie nicht«, sagt Sina Bartfeld von der Technischen Universität Berlin. Das von ihr geleitete medizinische Biotechnologie-Labor gehört zu den weltweit führenden in der Organoid-Forschung. Die organähnlichen Zellhaufen dienen als Modell für das, was im Körper vorgehen könnte. Man kann sich ein Organoid vorstellen wie einen kleinen, hohlen Ball, allerdings so klein wie ein Mohnsamenkörnchen. Die Hülle des Balls besteht aus ein paar tausend Zellen, das Innere besteht aus den Substanzen, die die Zellen abgegeben haben, zum Beispiel Schleim.

Organoide entstehen aus Stammzellen. Verankert man etwa Darmstammzellen aus einer Darmwandvertiefung, einer so genannten Krypte, in einem Geltropfen, der aus einem Nährmedium mit Signalmolekülen der Darmumgebung besteht, passiert ein kleines Wunder: Durch noch unverstandene Prozesse organisieren sich die Zellen selbst, differenzieren sich aus, und im Inneren des dreidimensional ausgebildeten Organoids bilden sich winzige Darmbestandteile. Das Epithel formt Minidarmzotten oder Minikrypten. Auch Darmschleim ist vorhanden. Allerdings: Zotten, Krypten und Schleim im echten Darm sind sehr komplexe Gebilde, Organoide bilden diese Merkmale zwar näherungsweise nach, sind aber noch eine Nummer simpler als echte Organe.

Die moderne Organoid-Forschung nutze aktuell zwei Methoden, erläutert Sina Bartfeld: Die eine Technik beinhaltet eine Minispritze, mittels der die zu untersuchende Substanz durch die Organoid-Außenhülle hindurch ins Innere gelangt. Von da aus könne die Substanz auf die Oberfläche von Darmschleim und Epithel wirken, wie es auch in vivo im Darminneren der Fall wäre. Die andere Methode macht aus einem 3-D-Organoid ein 2-D-Experiment und vereinfacht sogar das Einbringen eines Wirkstoffs, da die Mischmethode gar keine Minispritze erfordert: Die 3-D-Matrix des Organoids wird aufgebrochen und die Zellen werden wie ein Rasen ausgesät. Ein Vorteil des daraus resultierenden Mischaufbaus ist, dass der organoide Zellrasen auf einem klar definierbaren Untergrund ausgelegt wird.

Denn überraschenderweise bestimmen nicht nur Proteine in der direkten Umgebung der Stammzellen, sondern auch die Geometrie des Untergrunds mit darüber, wie sich Stammzellen später ausdifferenzieren: ob sie Schleim produzieren, Nährstoffe absorbieren oder Hormone herstellen. Das wurde durch Arbeiten im Team um Mathias Lutolf von der EPFL-Lausanne und dem Team von Prisca Liberali am FMI in Basel gezeigt und von Sina Bartfelds Gruppe in einer aktuellen Studie in »Nature Communications« bestätigt.

An der Züricher Geschirrspülstudie bemängelt Bartfeld vor allem, dass das Tensid dem Organoid in der SIAF-Studie nur von der »basolateralen« Seite zugeführt wurde, das heißt von der Außenseite. »Um die Darmsituation besser zu simulieren, hätte das Tensid eigentlich apikal, also auf die Innenseite des Organoids appliziert werden müssen, damit man beobachten kann, wie das Tensid erst auf den Darmschleim und dann auf die Epitheloberfläche wirkt«, erläutert die Biologin.

Experiment ist keine Organoid-Studie

Außerdem kritisiert sie die Kommunikation der Pressestelle. In der Pressemitteilung klinge es so, als handle es sich hauptsächlich um Organoid-Forschung – in der Studie jedoch sei der überwältigende Großteil der Experimente an Krebszelllinien gemacht worden. Lediglich eine einzige ergänzende Abbildung führe ein Organoid-Experiment an. Und das ohne weitere systematische Auswertung.

Doch obgleich das Züricher Experiment nach Bartfelds Auffassung keine Organoid-Studie ist, sieht die Biologin die ausführlichen Versuche als durchaus solide an. »Pfiffig« nennt sie den Porzellantassenversuchsaufbau, denn so bekomme man eine Idee davon, wie viel Klarspüler tatsächlich noch am Porzellan hängt. »Weitere Studien müssen zeigen, ob sich die hier an Krebszelllinien gewonnenen Ergebnisse auch in vivo bestätigen oder widerlegen lassen«, sagt Bartfeld.

Wenig überraschend äußerte sich auch der Industrieverband für Hygiene & Oberflächenschutz (IHO) zu der Studie. In einer gemeinsamen öffentlichen Stellungnahme mit den österreichischen und schweizerischen Körperpflege-, Waschmittel-, Kosmetik- und Chemie-Industrieverbänden heißt es, die Hersteller wiesen darauf hin, »dass die in der SIAF-Studie verwendeten Klarspülerkonzentrationen etwa 1000-mal höher seien als die Konzentrationen, die bei der normalen Nutzung von maschinell gespültem Geschirr von Menschen überhaupt aufgenommen werden können«. Bei Alkoholethoxylaten handle es sich um Substanzen, die seit vielen Jahren eingesetzt werden und umfassend toxikologisch geprüft seien. Die Ergebnisse dieser Prüfungen zeigten, dass die sachgemäße Anwendung der Stoffe unbedenklich sei. Und: »Die Autoren der Studie der Universität Zürich betonen selbst, dass ihnen keine Befunde von Patienten vorliegen, wonach Inhaltsstoffe von Klarspülern den Darm von Menschen geschädigt haben.«

Auf Nachfrage gibt ein Sprecher des IHO an, dass sich die Aussagen auf interne Berechnungen stützten sowie auf das umfangreiche HERA-Review von 2009. HERA, kurz für »Human & Environmental Risk Assessment on ingredients of European household cleaning products«, ist ein freiwilliges Projekt der Industrie, in dem sämtliche Studien zu Alkoholethoxylaten und deren Wirkung auf Lebewesen auf mehr als 240 Seiten zusammengefasst sind. Das ist keinesfalls ungewöhnlich. Für die Zulassung eines jeden Inhaltsstoffs sind im Vorfeld viele Studien notwendig, normalerweise inklusive einer Gefahrenabschätzung für die orale Einnahme – auch um der Horrorvorstellungen aller Eltern zu begegnen, dass ein Kind einen Schluck aus der Chemiepulle nehmen könnte.

Das HERA-Review fasst eine Vielzahl möglicher Kontaktszenarien für Alkoholethoxylate zusammen, darunter die Aufnahme über die Haut durch Wäsche, Inhalation durch Sprays oder eben die orale Einnahme von Resten auf Geschirr aus der Geschirrspülmaschine. In einer Worst-Case-Schätzung gehen die Verfasser der Übersichtsstudie davon aus, dass der Mensch jeden Tag etwa 0,7 Mikrogramm Alkoholethoxylat pro Kilogramm Körpergewicht über das Geschirr aufnimmt. Bei einem 70 Kilogramm schweren Menschen wären das knapp 50 Mikrogramm pro Tag. Um die Hälfte der tödlichen Dosis, genannt LD₅₀, zu bestimmen, wurde Hunden, Affen, Ratten und Mäusen die Substanz per Schlundsonde eingeflößt. Daraus ergab sich ein Wert von einigen Gramm pro Kilogramm.

Allerdings, gibt Sina Bartfeld zu bedenken, gehe es bei der LD₅₀ um eine akute Exposition. Somit bleibe die Frage noch offen, ob es nicht doch einen deutlich kleineren Effekt auf die Darmzellen geben könnte. Das könnten Experimente an Tieren mit geringen Dosierungen zeigen.

Weitere Versuche interessant, aber wahrscheinlich nicht notwendig

Dem BfR sind bislang keine solchen Niedrigdosis-Tierstudien zu Alkoholethoxylaten bekannt. In höher dosierten Toxizitätsstudien konnten selbst bei Dosierungen von gut 100 Milligramm pro Kilogramm Körpergewicht und Tag keine schädlichen Effekte beobachtet werden. Das BfR schätzt: »Es ist auf Grund des vermuteten physikochemischen Wirkmechanismus auf die Zellmembran unwahrscheinlich, dass Effekte bei niedrigen Dosierungen auftreten, bei höheren jedoch nicht.« Weitere Tierversuche seien vielleicht interessant, aber aus ethischen Gründen nicht erlaubt, wenn sie nicht wirklich notwendig erscheinen.

Ein realistisches Modell für eine spezifische Fragestellung zu basteln, kann herausfordernd sein. »Doch wenn wir Tierversuche reduzieren und ersetzen wollen und aussagekräftige Modelle für die medizinische Forschung haben wollen, müssen wir diesen Weg gehen«, betont Sina Bartfeld. Daher werde die Forschung an solchen Alternativmodellen weltweit stark gefördert. In »Der simulierte Mensch«, einem Gemeinschaftsprojekt von TU Berlin und Charité, das derzeit aufgebaut wird, sollen Mediziner zusammen mit Biotechnologen passende Modelle entwickeln.

Prinzipiell lässt sich also sagen: Um die Toxizität eines Stoffs auf ein Organ in vivo abzuleiten, ist eine Fülle unterschiedlicher Studien nötig. Die Grundlage bilden verschiedene In-vitro-Studien als erste Simulation. Weisen diese auf gesundheitliche Bedenken hin, folgen In-vivo-Versuche an Tieren. Obgleich nicht alle Stoffe, die für Tiere giftig sind, auch dem Menschen schaden, würde eine erwiesene Toxizität bei lebenden Tieren Untersuchungen am Menschen rechtfertigen. Allerdings wird dabei nicht etwa einer Probandengruppe Gift eingeflößt. Eher werden Vorfälle ausgewertet, bei denen Menschen dem toxischen Stoff bereits unbeabsichtigt ausgesetzt waren.

Zwar kann die Züricher Studie noch nicht hinreichend die menschliche Darmsituation in vivo simulieren, sie gehört aber aus methodischer Sicht zur wichtigen Grundlagenforschung in der Chemikaliensicherheit. Dennoch sollten die Ergebnisse zum jetzigen Zeitpunkt nicht überbewertet werden, rät Bartfeld: »Soll heißen: Ja, die Züricher Studie mit den Krebszelllinien kann auf eine Gefahr für die menschliche Darmgesundheit hinweisen, kann aber auch nichts bedeuten.« Das müssten nun weitere Experimente zeigen.