Unter „ambient air pollution“ wird eine komplexe Mischung einer Vielzahl von Komponenten subsumiert. Dazu gehören PM sowie gasförmige Schadstoffe wie Ozon (O₃), Stickstoffdioxid (NO₂), flüchtige organische Verbindungen (inkl. Benzol), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefeldioxid (SO₂; [5, 6]).

Primärverunreinigungen wie Rußpartikel sowie Stickstoff- und Schwefeloxide werden durch Verbrennung fossiler Brennstoffe direkt in die Luft abgegeben. Hauptquellen für NO₂ sind der motorisierte Straßenverkehr, die Stromerzeugung, Industriequellen und die Beheizung von Wohnräumen. Sekundäre Schadstoffe werden in der Atmosphäre von anderen Komponenten gebildet, in der Regel chemisch aus Gasen, die direkt emittiert werden und daher als Primärschadstoffe gelten, sowie durch hochenergetische Ultraviolett(UV)-Strahlung, die in der Atmosphäre eine chemische Toxifizierung der Partikeloberflächen und von flüchtigen organischen Substanzen verursacht (z. B. zu zahlreichen krebserregenden Endprodukten; [6‐8]).

Ein wichtiges Beispiel ist Ozon, das durch komplexe photochemische Reaktionen von Stickoxiden und flüchtigen organischen Komponenten gebildet wird. Feinstaub besteht teilweise aus Primärpartikeln, aber insbesondere die kleinsten Teilchen werden hauptsächlich durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre gebildet/modifiziert und sind als Sekundärpartikel zu bezeichnen. Die Vorläufergase und -partikel werden aus einer Vielzahl von Quellen freigesetzt. Feinstaub wird in 3 Hauptgrößenklassen eingeteilt (Abb. 1; [6‐8]):

Wichtige Quellen für Primärpartikel, die typischerweise aus einem Kohlenstoffkern bestehen, sind der motorisierter Straßenverkehr, Kraftwerke, Heizgeräte für Industrie und Privathaushalte, die Öl, Kohle oder Holz verwenden, sowie insbesondere in Deutschland die Landwirtschaft, wo v. a. Überdüngung zu hohen Feinstaubkonzentrationen führt. Die Verbrennungsprozesse führen zu PM_2,5, der aus elementarem Kohlenstoff, Übergangsmetallen, Endotoxinen aus Bakterien oder Pilzen, komplexen organischen Molekülen, Sulfat, Nitrat und Ammonium besteht, wobei letztere Komponenten in der Atmosphäre aus flüchtigen organischen Verbindungen, SO₂, NO₂ und Ammoniak (NH₃) gebildet werden [7].

Feinstaubteilchen können große Entfernungen (bis zu mehreren 100 km) zurücklegen, was zu hohen Hintergrundkonzentrationen in einem weiten Bereich führen kann. So berechneten Lelieveld und Mitarbeiter, dass natürliche Feinstaubquellen relativ stark (18 %) zur Sterblichkeit aufgrund der Luftverschmutzung beitragen (ca. 750.000 pro Jahr), die zu einem großen Teil durch Wüstenstaub in der Luft verursacht wird [9]. Allerdings spielen die Wüstenstaubpartikel als PM_2,5 in Deutschland eine untergeordnete Rolle.

Die zeitliche Variation der täglichen durchschnittlichen Luftverschmutzungskonzentrationen hängt hauptsächlich mit den Witterungsbedingungen zusammen, die die Verteilung der Verschmutzung beeinflussen, und weniger mit Schwankungen der Intensität der Schadstoffquellen. Wichtige Faktoren sind Windrichtung, Windgeschwindigkeit und atmosphärische Stabilität. Die Luftverschmutzungskonzentrationen variieren ebenfalls innerhalb eines Tages, z. B. infolge des Wachstums der Mischungsschicht durch die Sonneneinstrahlung. Es wird auch vermutet, dass die Feinstaubteilchen die durch Atmen und Sprechen (und Singen) erzeugt werden, als Vektor für das Verteilen des Coronavirus SARS-CoV‑2 („severe acute respiratory syndrome coronavirus 2“) verantwortlich sein können (siehe Abschnitt „COVID-19 und Luftverschmutzung“).

Bei der Diskussion der pathophysiologischen Auswirkungen von Luftverschmutzung wird im Folgenden auf PM_2,5 fokussiert, weil v. a. die kleinen Feinstaubteilchen tief in die Lunge vordringen können. Nach Inhalation von PM_2,5 wird der Feinstaub über einen Transitionsprozess von den Alveolen durch die Membran der Lungenepithelzellen in die Blutbahn und anschließend in die Gefäßwände aufgenommen [7]. Der Feinstaub stimuliert in der Gefäßwand die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies („reactive oxygen species“, ROS), also von prooxidativen Substanzen und proinflammatorischen biologischen Mediatoren (d. h. solche Zytokine wie Interleukin[IL]-6 und Tumornekrosefaktor [TNF]) und Akute-Phase-Proteinen wie C‑reaktives Protein (CRP) und dem Vasokonstriktorhormon Endothelin‑1 [7]. Diese Prozesse initiieren bzw. beschleunigen atherosklerotische Veränderungen. Man geht heute davon aus, dass die Wahrscheinlichkeit einer raschen Translokation von den Partikeln in die Gefäßwand desto größer ist, je kleiner (bis hin zu Ultrafeinstaub mit 0,1 µm) der Partikel ist [10]. Weiterhin wird eine Aktivierung der Blutgerinnung beobachtet. Dementsprechend sind hohe PM_2,5-Konzentrationen von Hyperkoagulationsbiomarkern wie hohen Plasmaspiegeln von Fibrinogen und D‑Dimer sowie von einer verstärkten Thrombinbildung begleitet [11].

Humanexperimentelle Daten zeigen eine inverse Beziehung zwischen der PM-Exposition und der Variabilität der Herzfrequenz. PM_2,5 kann über direkte sympathikusaktivierende Wirkungen im Gehirn [8] bzw. durch Auslösung einer endothelialen Dysfunktion aufgrund einer verminderten Bioverfügbarkeit vaskulären Stickstoffs (NO) eine arterielle Hypertonie auslösen [7].

Die beiden Hauptquellen für Daten zur globalen Mortalität und Morbidität durch Luftverschmutzung sind WHO und GBD, deren Schätzung für durch PM verursachte Todesfälle bei etwa 4,2 Mio. lag [1, 2]. Beide Quellen stimmten darin überein, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen die Hauptursache für PM_2,5-induzierte Todesfälle darstellen. 2018 und 2019 berechneten 2 neue Studien eine viel höhere Mortalitäts- und Morbiditätsbelastung als bisher angenommen, insbesondere aufgrund der Verwendung des GEMM, einer neuen und umfassenderen HR-Funktion der PM_2,5-Konzentrations-Gesundheitseffekt-Beziehung [3, 4]. Das GEMM zielt auf alle möglichen Krankheiten, die durch Luftverschmutzung verursacht oder verschlimmert werden, weil die WHO und GBD sich auf eine beschränkte Zahl, spezifischer Krankheiten beziehen.

Die damit geschätzte Zahl an zusätzlichen Todesfällen durch die Luftverschmutzung betrug 8,9 Mio. und ist daher mehr als doppelt so hoch wie die von GBD und WHO (4,2 Mio.). Kürzlich berichteten Lelieveld et al. [4], dass auf Basis des GEMM für Europa bis zu 790.000 zusätzliche Todesfälle pro Jahr in Bezug auf PM_2,5-Exposition und damit mehr als das Doppelte der vorherigen GBD-Schätzung (269.000) resultieren würden (Abb. 2 und 3). Die höchsten Zahlen vorzeitiger Todesfälle ergaben sich interessanterweise hierbei für Deutschland (154 pro 100.000 pro Jahr), gefolgt von Polen (150), Italien (136), Frankreich (105) und dem Vereinigten Königreich (98; [4]). Der Hauptteil der Mortalität war hierbei auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen zurückzuführen. Schätzungen von Lelieveld et al. zufolge senkt die Luftverschmutzung durch PM_2,5 die mittlere Lebenserwartung der Europäer um 2,2 Jahre [4].

In der neuesten Studie berechneten Lelieveld und Mitarbeiter eine durchschnittliche Verkürzung der weltweiten Pro-Kopf-Lebenserwartung von 2,9 Jahren durch Luftverschmutzung. Im Vergleich dazu wird die Lebenserwartung durch Rauchen um durchschnittlich 2,2 Jahre (7,2 Mio. Todesfälle), durch HIV (humanes Immundefizienzvirus)/AIDS („acquired immunodeficiency syndrome“) um 0,7 Jahre (1 Mio. Todesfälle), durch parasitäre und von Vektoren – also von Lebewesen wie Stechmücken oder Läuse – verursachte Krankheiten wie Malaria um 0,6 Jahre (600.000 Todesfälle) reduziert (Abb. 4; [12]).

Eine kürzlich von Pozzer et al. publizierte Studie berichtet [37], dass die Wahrscheinlichkeit, an einer SARS-CoV-2-Infektion zu sterben, deutlich erhöht ist, wenn man langfristig verschmutzte Luft eingeatmet hat. Hierbei wurde errechnet, dass etwa 15 % der weltweiten Todesfälle durch COVID-19 („coronavirus disease 2019“) auf eine langfristige Exposition gegenüber Luftverschmutzung zurückzuführen sein könnten. Weiterhin ermittelten die Autoren, dass die luftverschmutzungsbedingten COVID-19-Todesfälle in Europa bei 19 %, in Nordamerika bei 17 % und in Ostasien bei 27 % liegen. Die Zahlen sind eine Schätzung des Anteils der COVID-19-Todesfälle, die vermeidbar gewesen wären, wenn die Emissionen aus der Nutzung fossiler Brennstoffe und aus anderen anthropogenen, d. h. vom Menschen verursachten Quellen deutlich niedriger gewesen wären. Für die einzelnen Länder ergeben die Schätzungen der mit Luftverschmutzung in Zusammenhang stehenden COVID-19-Todesfälle ein sehr unterschiedliches Bild: Vergleichsweise hoch ist der Anteil in der Tschechischen Republik mit 29 %, in China mit 27 % und in Deutschland mit 26 % (Abb. 4). Niedriger ist der Anteil beispielsweise in Italien (15 %) oder Brasilien (12 %). Einstellig sind die Werte für Israel (6 %), Australien (3 %) und Neuseeland (1 %). Die Ergebnisse dieser Studie wurden unterstützt durch eine Analyse aus den USA [38], der zufolge pro 1 µg/m³ Zunahme des Langzeitdurchschnitts der Feinstaubkonzentration mit einem statistisch signifikanten Anstieg der COVID-19-Mortalität um 8 % zu rechnen ist.

Eine Erklärung dafür wäre, dass die Feinstaubpartikel von der Lunge ins Blut und in die Blutgefäße transmigrieren und dort Entzündungen und starken oxidativen Stress verursachen. Dies wiederum führt zu einer Endotheldysfunktion und zu einer deutlichen Zunahme der Steifheit der Arterien. Auch das Coronavirus gelangt über die Lunge in den Körper und verursacht ähnliche Schäden an den Blutgefäßen, wo auf dem Endothel auch der SARS-CoV-2-Rezeptor ACE(„angiotensin-converting enzyme“)-2 lokalisiert ist. Die Aufnahme des Virus führt zu einem massiven Endothelschaden und zu einer ausgeprägten Entzündungsreaktion, die sich additiv negativ auf das Herz-Kreislauf-System auswirken sowie akute Herzinfarkte, Schlaganfälle bzw. Linksherzdekompensationen bis hin zum akuten Herztod triggern können [39, 40]. Interessanterweise soll Feinstaub auch in der Lage sein, den ACE-2-Rezeptor in der Lunge hochzuregulieren, was die Auswirkungen der SARS-CoV-2-Infektion ebenfalls zusätzlich verstärken würde. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Reduzierung der Luftverschmutzung selbst bei relativ niedrigen PM_2,5-Werten erhebliche Vorteile bringen kann. Man muss verstärkt nach wirksamen Maßnahmen zur Reduktion von anthropogenen Emissionen, die sowohl Luftverschmutzung als auch den Klimawandel verursachen, streben. Der Weg dahin führt über die Minderung von Emissionen. Der Übergang zu einer „grünen“ Wirtschaft mit sauberen, erneuerbaren Energiequellen wird sowohl der Umwelt dienen als auch die öffentliche Gesundheit befördern – lokal durch eine bessere Luftqualität und global durch die Begrenzung des Klimawandels.

Angesichts des von der WHO empfohlenen Richtwerts von 10 µg/m³ für PM_2,5 kann davon ausgegangen werden, dass weltweit mehr als 91 % der Bevölkerung höheren Konzentrationen ausgesetzt sind (Tab. 1). Die Europäische Union wendet seit 2015 für PM_2,5 einen mittleren Grenzwert für die Luftqualität von 25 µg/m³ an, der 2,5-fach höher ist als der Richtwert der WHO von 10 µg/m³. Als Ziel bis 2020 wird ein Wert von 20 µg/m³ angegeben, der aufgrund der neuen Datenlage als viel zu hoch angesehen werden muss. Zum Vergleich liegt der Jahresmittelwert in den USA bei 12 µg/m³ (seit 2012) und in Kanada bei 10 µg/m³ (seit 2015); beide sollen zukünftig weiter reduziert werden (Tab. 1). In Australien liegt der jährliche PM_2,5-Grenzwert bei 8 µg/m³, dieser soll bis 2025 weiter auf 7 µg/m³ reduziert werden.

Obwohl allgemein anerkannt ist, dass Gesetzgebung, Politik, Regulierung und Technologie für die Durchsetzung einer Reduktion der Luftverschmutzung von entscheidender Bedeutung sind, ist die politische Dynamik, die erforderlich ist, um dies weltweit zu erreichen, derzeit deutlich begrenzt. Persönliche Maßnahmen zur Risikominderung gewinnen daher eine viel größere Bedeutung [41]. Die aktuellen Erfahrungen und Lehren im Zusammenhang mit persönlicher Schutzausrüstung und Risikominderung bei der Reduzierung der SARS-CoV-2-Exposition erinnern stark an diejenigen, die aus ihrer Verwendung zur Bekämpfung der Luftverschmutzung gezogen wurden, obwohl der Schutz je nach Schadstoff unterschiedlich ist [42]. Die Maßnahmen zur Schadensminderung müssen erschwinglich und allgemein anwendbar sein, und das Schutzniveau sollte dem Risiko einer exponierten Bevölkerung entsprechen.

Letzteres würde ein Verständnis des Gesundheitsrisikos des Patienten bzw. der Gemeinschaft und des Expositionsgrades erfordern. Die Notwendigkeit und Dringlichkeit sowie die Intensität einer empfohlenen Intervention müssen mit ihrem potenziellen Nutzen auch gegenüber den Risiken für jeden Einzelnen abgewogen werden (z. B. verschwendete Anstrengungen, Ressourcen, unnötige Bedenken oder mögliche Selbstzufriedenheit des Benutzers). Obwohl bisher für keine Intervention zur Reduzierung der Luftverschmutzung kausal gezeigt werden konnte, dass sie kardiovaskuläre Ereignisse reduziert hat, gibt es einen gesicherten Zusammenhang zwischen erhöhten PM_2,5-Konzentrationen und kardiovaskulären Ereignissen.

Aktuelle Ansätze zur Minderung der Luftverschmutzung und ihrer Auswirkungen wurden bereits geprüft und lassen sich grob einteilen in ([43]; Abb. 5):

Studien mit N95-Atemschutzgeräten unter PM_2,5-Umgebungsbedingungen bei hohen und niedrigen Expositionsniveaus über einige Stunden haben gezeigt, dass sie den systolischen Blutdruck senken und die Herzfrequenzvariabilitätsindizes (HRV) verbessern [43, 44].

In der einzigen Studie, in der die Minderung von Lärm und Luftverschmutzung untersucht wurde, zeigten sich keine signifikanten Effekte auf den Blutdruck. Die HRV wurden jedoch bei beiden Interventionen verbessert [45]. Gesichtsmasken und Verfahrensmasken (z. B. chirurgische Masken) sind weit verbreitet, filtern jedoch insbesondere dann, wenn sie schlecht sitzen oder während eines langen Zeitraums getragen werden, PM_2,5 nicht wirksam [46] und können daher nicht zur Verwendung empfohlen werden, wenn N95-Atemschutzgeräte verfügbar sind. Das Schließen von Autofenstern und Klimaanlagen mit Innenraumluftfiltern stellt einen Ansatz dar, der für anfällige Personen von Bedeutung sein könnte, aber nur für diejenigen, die viel Zeit in Transportmikroumgebungen oder zu Hause verbringen. Verhaltensstrategien, wie das Vermeiden von Luftverschmutzung durch Änderung der Reiserouten, Verbleib im Haus bzw. Schließen von Fenstern und Änderung der Aktivität, können dazu beitragen, die Exposition gegenüber Luftverschmutzung zu begrenzen. In einigen Fällen können jedoch unbeabsichtigte Folgen den Nutzen ausgleichen. Ein Beispiel ist das Schließen von Fenstern, um die Exposition im Freien zu begrenzen, mit der dadurch bedingten Gefahr, Luftschadstoffe in Innenräumen zu erhöhen, oder das Begrenzen von Erholung/Bewegung im Freien, um die Exposition in der Umgebung zu verringern. Das letztere Szenario zur Begrenzung der Exposition im Freien wirft einige sehr praktische Fragen hinsichtlich des Risikos des Verlusts des kardiovaskulären Nutzens von Bewegung im Vergleich zum potenziellen Gewinn aufgrund von Vorteilen auf, die durch die Verringerung der Luftverschmutzung entstehen. Modellierungen der Auswirkungen auf die Gesundheit und epidemiologische Studien haben gezeigt, dass die Vorteile von Aerobic-Übungen fast immer das Risiko einer Luftverschmutzung über einen Konzentrationsbereich und für lange Trainingsdauern bei normalen Personen (>75 min) übersteigen.

Nach aktuellen Erkenntnissen kann eine Empfehlung zur Vermeidung von Aktivitäten im Freien in Gebieten mit hoher PM_2,5-Belastung angesichts des geringen absoluten Risikos für kardiovaskuläre oder respiratorische Ereignisse nicht ausgesprochen werden. Auf der anderen Seite ist es eine vernünftige Maßnahme, Patienten mit vorab festgestellten Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu raten, weiterhin mehr als 400 m von Hauptstraßen entfernt zu bleiben, um eine Exposition gegenüber Verkehrsschadstoffen zu vermeiden, obwohl die Datenlage zu diesem Punkt alles andere als eindeutig ist [47].

Rezeptfreie Medikamente, wie z. B. Vitamine, sind in der Regel wirkungslos und können derzeit keinen Schutz vor durch Luftverschmutzung verursachten gesundheitlichen Auswirkungen bieten. Die Verwendung von Medikamenten zur primären und sekundären Prävention von KHK sollte jedoch gefördert werden, wenn dies aus zusätzlichen Gründen indiziert ist [47].