Effects of occupationally relevant zinc- and copper-containing metal fumes on human THP-1 macrophages and A549 lung epithelial cells in vitro

Steffens, Jan; Kraus, Thomas; Baumann, Ralf

doi:45385

Effects of occupationally relevant zinc- and copper-containing metal fumes on human THP-1 macrophages and A549 lung epithelial cells in vitro

Steffens, Jan^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Jan Steffens

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Baumann, Ralf (Thesis advisor)^RWTH* ; Kraus, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-05-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-05178
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1035893/files/1035893.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin (521001-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CuO/ZnO particles (frei) ; immunosuppressive effects on macrophages (frei) ; inflammatory response (frei) ; metal (nano)particle exposure (frei) ; new approach methodologies (NAM) (frei) ; occupational health (frei) ; welding and metal fumes (frei) ; workplace safety (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die beruflich bedingte Exposition gegenüber Zink- (Zn) und Kupfer- (Cu) haltigem Metallrauch in vitro, wie er beispielsweise beim Schweißen entsteht, nimmt unter anderem in der Automobilbranche zu. Frühere Studien zeigen, dass diese Metallrauche die Zytokinbildung in Lungenepithelzellen und Makrophagen beeinflussen, was für die Gesundheit exponierter Arbeiter von Bedeutung sein könnte. Die erste im Rahmen dieser Arbeit publizierte in vitro-Studie konzentrierte sich aufgrund des gehäuften Auftretens von Pneumonien bei Metallarbeitern und der daraus resultierenden Impfempfehlungen für diese Berufsgruppe auf ein mögliches immunsuppressives Potenzial von Zn/Cu-haltigem Metallrauch. Zur standardisierten Untersuchung der Exposition wurden bakterielle pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) verwendet, und zwar Lipopolysaccharid (LPS) oder Peptidoglykan (PGN) für Gram-negative Bakterien, und Lipoteichonsäure (LTA) oder PGN für Gram-positive Bakterien. Die Immunantwort von humanen Makrophagen auf jeweils eines der drei PAMPs wurde in An- und Abwesenheit von 2 µg/mL Zn/Cu-haltigen Metallrauchpartikeln untersucht (mRNA: n = 5; Protein: n = 3). Die Ergebnisse zeigen, dass der durch die PAMPs verursachte signifikante Anstieg der mRNA-Expression und Proteinsekretion der proinflammatorischen Zytokine TNF und IL-6 in Anwesenheit von Zn/Cu-Partikeln signifikant gehemmt wurde. Diese Suppression wurde bei allen getesteten bakteriellen Stimuli beobachtet und war insbesondere für TNF ausgeprägt. Die Partikelkonzentration von 2 µg/mL führte nicht zu einem signifikanten Viabilitätsverlust, was darauf hindeutet, dass die beobachteten Effekte nicht auf eine allgemeine Toxizität zurückzuführen waren. Da Makrophagen und ihre Zytokine TNF und IL-6 gemäß tierexperimentellen Daten und klinischen Erkenntnissen mit Anti-TNF-Biologicals und Anti-IL-6-Rezeptor-Biologicals eine wesentliche Rolle in der bakteriellen Pathogenabwehr spielen, könnte die beobachtete Suppression dieser Mediatoren durch Zn/Cu-haltigen Metallrauch eine mechanistische Erklärung für das erhöhte Risiko und die Schwere bakterieller Pneumonien bei Metallarbeitern und Schweißern liefern. Diese Ergebnisse unterstützen daher die aktuellen Empfehlungen zur Pneumokokken-Impfung für Metallarbeiter und unterstreichen die Bedeutung präventiver Arbeitsschutzmaßnahmen. Gleichzeitig wird die weitere Erforschung der immunsuppressiven Effekte von Zn/Cu und anderen arbeitsplatzrelevanten Metallen nahegelegt. Die zweite in vitro-Studie untersuchte die Effekte von Zn/Cu-haltigen Metallrauchpartikeln auf humane alveoläre Epithelzellen (A549) und Makrophagen (THP-1). Beide Zelltypen wurden mit unterschiedlichen Partikelkonzentrationen (0,001; 0,01; 0,1; 1; 10; 100 µg/mL) exponiert und verschiedene toxikologische und immunologische Reaktionen über verschiedene Zeitpunkte (6, 24, 48 h) beobachtet. Die Ergebnisse zeigen eine abnehmende Zellviabilität bei steigender Konzentration und Expositionsdauer der Metallpartikel, wobei Makrophagen empfindlicher als Lungenepithelzellen reagierten und bereits bei niedrigeren Konzentrationen signifikante Viabilitätsverluste aufwiesen (n = 12). Bei höheren Konzentrationen zeigte sich insbesondere in Makrophagen eine ausgeprägte Apoptose (n = 3). Die Studie zeigte, dass die Exposition gegenüber diesen Partikeln insbesondere bei Makrophagen (n = 12) zu erhöhten Aktivitäten der Superoxiddismutase (SOD) führte, was möglicherweise auf kompensatorische antioxidative Zellantworten hindeuten könnte. Die Analyse proinflammatorischer Zytokine ergab, dass alveoläre Epithelzellen bei erhöhten Partikelkonzentrationen mehr IL-6 und IL-8, und Makrophagen TNF und insbesondere MIP-1β/CCL4 sezernierten (n = 12). MIP-1β/CCL4 wurde im Vergleich zu den klassischen Markern IL-8 oder TNF bereits bei niedrigen Partikelkonzentrationen von 0,01 (6 h) und 0,001 (48 h) µg/mL sezerniert. Es wurden gemäß umu-Test in beiden Zelltypen keine genotoxischen Effekte nach Metall-Exposition detektiert. Allgemein deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Zn/Cu-haltige Metallrauche zumindest in vitro bereits bei Konzentrationen unterhalb der aktuellen arbeitsplatzbezogenen Expositionsgrenzwerte entzündliche Reaktionen und eine gesteigerte SOD-Aktivität in Lungenepithelzellen und Makrophagen auslösen können. MIP-1β/CCL4 ist ein potentieller neuer sensitiver in vitro-Biomarker für die Aktivierung von Makrophagen und könnte weiterer nach weiterer Validierung in vitro und in ethisch-kontrollierten Studien möglicherweise bei der Risikobewertung von Metall(nano-)partikeln oder von Arbeitsplätzen von Metallarbeitern eine Rolle spielen. Zusammengenommen erweitern die Ergebnisse beider Studien, insbesondere die Immunsuppression von humanen Makrophagen bei 2 µg/mL Zn/Cu-haltigem Metallrauch und die MIP-1β/CCL4-Sezernierung bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen von 0,001 bis 0,01 µg/mL Zn/Cu-haltigem Metallrauch, das Verständnis der zellulären Reaktionen auf Zn/Cu-Metallrauche und liefern wichtige ergänzende Hinweise für den Schutz der Atemwegsgesundheit exponierter Arbeitnehmer.

Occupational exposure to zinc (Zn) and copper (Cu) metal fumes, such as those produced during welding, is increasing in the automotive and other industries. Previous studies show that these metal fumes influence cytokine production in lung epithelial cells and macrophages, which could be significant for the health of exposed workers. The first in vitro study published as part of this work focused on the possible immunosuppressive potential of Zn/Cu-containing metal fumes due to the high incidence of pneumonia in metal workers and the resulting vaccination recommendations for this occupational group. Bacterial pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), namely lipopolysaccharide (LPS) or peptidoglycan (PGN) for Gram-negative bacteria, and lipoteichoic acid (LTA) or PGN for Gram-positive bacteria, were used for standardized exposure testing. The immune response of human macrophages to each of the three PAMPs was investigated in the presence and absence of 2 µg/mL Zn/Cu-containing metal fume particles (mRNA: n = 5; protein: n = 3). The results show that the significant increase in mRNA expression and protein secretion of the proinflammatory cytokines TNF and IL-6 caused by the PAMPs was significantly inhibited in the presence of Zn/Cu particles. This suppression was observed for all bacterial stimuli tested and was particularly pronounced for TNF. The particle concentration of 2 µg/mL did not cause a significant loss of cell viability, indicating that the observed effects were not due to general toxicity. Since macrophages and their cytokines TNF and IL-6 play an essential role in bacterial pathogen defense, according to animal experimental data and clinical findings with anti-TNF and anti-IL-6 receptor biologics, the observed suppression of these mediators by Zn/Cu-containing metal fumes may provide a mechanistic explanation for the increased risk and severity of bacterial pneumonia in metal workers and welders. These results therefore support current recommendations for pneumococcal vaccination among metalworkers and underscore the importance of preventive occupational health measures. At the same time, further research into the immunosuppressive effects of Zn/Cu and other workplace-relevant metals is suggested. The second in vitro study investigated the effects of Zn/Cu-containing metal fume particles on human alveolar epithelial cells (A549) and macrophages (THP-1). Both cell types were exposed to different particle concentrations (0.001; 0.01; 0.1; 1; 10; 100 µg/mL), and various toxicological and immunological responses were observed over different time points (6, 24, 48 h). The results show a decreasing cell viability with increasing concentration and exposure duration of the metal particles, whereby macrophages responded more sensitively than lung epithelial cells and already showed significant viability losses at lower concentrations (n = 12). At higher concentrations, macrophages in particular showed pronounced apoptosis (n = 3). The study showed that exposure to these particles led to increased superoxide dismutase (SOD) activities, particularly in macrophages (n = 12), possibly indicating compensatory antioxidant cell responses. Analysis of proinflammatory cytokines revealed that alveolar epithelial cells secreted more IL-6 and IL-8, and macrophages secreted TNF and especially MIP-1β/CCL4 at elevated particle concentrations (n = 12). MIP-1β/CCL4 was already secreted at low particle concentrations of 0.01 (6 h) and 0.001 (48 h) µg/mL compared to the classical markers IL-8 or TNF. No genotoxic effects were observed in either cell type according to the umu-test. The results indicate that Zn/Cu-containing metal fumes can cause increased SOD activity and inflammatory reactions in lung epithelial cells and macrophages, at least in vitro, even at concentrations below the current occupational exposure limits. MIP-1β/CCL4 is a potential new sensitive in vitro biomarker for the activation of macrophages and could possibly play a role in the risk assessment of metal (nano)particles or workplaces of metal workers after further validation in vitro and in ethically controlled studies. Taken together, the results of both studies, in particular the immunosuppression of human macrophages at 2 µg/mL Zn/Cu-containing metal fumes and the MIP-1β/CCL4 secretion even at very low concentrations of 0.001 to 0.01 µg/mL Zn/Cu-containing metal fumes, expand the understanding of cellular responses to Zn/Cu metal fumes and may provide important complementary indications for the protection of the respiratory health of exposed workers.

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