Mangan ist ein essenzielles Spurenelement. In niedrigen Mengen muss es täglich aufgenommen werden und ist als Ko-Faktor bzw. Zentralatom in Enzymen aktiv, die den oxidativen Stress bekämpfen. Zu viel Mangan kann aber Hirnschäden hervorrufen, die den Parkinson-Symptomen ähnlich sind.  

Verteilung und Wirkung im Körper

Mangan wird in seinen Verbindungen, meist als Oxide, über die Nahrung aufgenommen. Über den Dünndarm gelangen ca. 10 % des enthaltenen Mangans über das Blut in die Leber und werden danach weiter verteilt zu den Organen, die das Mangan benötigen . Diese Vorgänge der Aufnahme und Verteilung sind stark reguliert, dadurch gibt es über diesen Weg der Aufnahme kein Risiko, zu viel Mangan aufzunehmen. Anders verhält es sich, wenn eine Exposition über die Lunge stattfindet und größere Mengen inhaliert werden. Manganhaltige Stäube, die z.B. am Arbeitsplatz entstehen und eingeatmet werden können, führen zu einer Exposition auch der tiefen Lungenteile. Dort kann Mangan sehr gut resorbiert werden. Außerdem gelangen auch manganhaltige Partikel über die Riechschleimhaut in der Nase (siehe Nanopartikel und die Riechschleimhaut) direkt in den Riechkolben, einen vorderen Teil des Gehirns. Dieser direkte Weg in das Gehirn umgeht die Blut-Hirn-Schranke und führt zu hoher Belastung des Vorderhirns und nachfolgend des gesamten Gehirns . Da der Transport in das Gehirn sehr schnell ist, wird eine dauerhafte Exposition gegenüber Mangan unweigerlich zu einer Anreicherung des Mangans im Gehirn führen . Dort bewirkt eine Überdosierung des Mangans einen gegensätzlichen Effekt zum gewünschten Bekämpfen des oxidativen Stresses: zu viel Mangan erhöht den oxidativen Stress! Durch diese dauerhafte Erhöhung der Konzentration von Sauerstoffradikalen kommt es zu Nervenschädigungen, die zu typischen Effekten führen; schnelle Ermüdbarkeit, Schlafstörungen, Muskelschmerzen und -hypertonie, maskenähnliches Gesicht, Gangänderungen, Koordinationsstörungen, Halluzinationen und mentale Reizbarkeit gehören zu den Symptomen . Dabei sind die Wirkungen nahezu unabhängig von der Form, in der das Mangan auftritt. Für Trimangantetroxid (Mn₃O₄) wurde nach Exposition von Mäusen über die Lunge ein entzündlicher Effekt bei relativ niedrigen Konzentrationen beschrieben und der gleiche Effekt wurde nach Gabe der gleichen Menge von Mangan (III)-oxid (Mn₂O₃) beobachtet . Bei Ratten konnte ebenfalls nach Exposition der Lunge mit Braunstein (MnO₂), allerdings in einer deutlich höheren Konzentration, der Transport in das Gehirn und neuronale Effekte nachgewiesen werden . Alle diese Versuche wurden mit nanopartikulären Manganoxiden durchgeführt. Für den Braunstein (MnO₂) wurde auch gezeigt, dass nach oraler Aufnahme hoher Mengen des Mangandioxids ein erhöhter Transport in die Leber stattfand und von dort die Verteilung auch bis zum Gehirn nachgewiesen werden konnte, was zu deutlichen Effekten bei den behandelten Ratten führte . Allerdings haben die Autoren der Studien klar hervorgehoben, dass diese Konzentrationen nichts mit der Realität zu tun haben, da dies nicht der täglichen Aufnahme im Menschen entspricht.  

Aufnahme und Wirkung in Zellen

Eine Reihe von in vitro Studien hat die biochemischen Vorgänge in Zellen nach Manganoxid-Behandlungen untersucht und auch dabei wurden verschiedene Oxide des Mangans eingesetzt. Braunstein (MnO₂) löste in niedrigen Konzentrationen verglichen zu anderen Metalloxiden in Nanoform oxidativen Stress aus . In in vitro Versuchen bildeten menschliche Nervenzellen reaktive Sauerstoffradikale und erhöhten ihre antioxidative Kapazität. Dennoch wurden die Nervenzellen geschädigt und begannen abzusterben. Mangan (III)-oxid (Mn₂O₃) hatte abhängig von den Zelltypen durchaus unterschiedliche Wirkungen, allerdings waren Effekte eher auf Lungenepithelzellen beschränkt. So waren die Fresszellen der Lunge wenig beeinflusst durch die Zugabe dieses Manganoxids und die Autoren der Studie waren überrascht, dass die Wirkung so gering war . Bei den Epithelzellen der Lunge war die Situation eher vergleichbar zu den Ergebnissen im Tierversuch, das Mangan (III)-oxid war zytotoxisch und löste oxidativen Stress in den Zellen aus . Epithelzellen aber auch menschliche Nervenzellen reagierten in vitro außerdem mit Apoptose. Eine deutlich geringere Wirkung hatte Mn₂O₃ wiederum auf ganz spezifische Immunzellen der Lunge, sogenannte dendritische Zellen, und auf die Zellen in einem 3D-Lungenmodell. Nach Behandlung mit 70 nm großen Mangan (III)-oxid-Partikeln erhöhten sich nur bestimmte Proteine auf der Plasmamembran der dendritischen Zellen, ansonsten wurde im 3D-Modell keine schädlichen Effekte beobachtet . Auch die dritte untersuchte Variante der Manganoxide, das Mn₃O₄ (chemischer Name Trimangantetroxid), führt in Lungenepithelzellen zu einer entsprechenden Reaktion durch oxidativen Stress. Eine systematische Studie beschäftige sich mit der Veränderung eines wichtigen elektronischen Zustandes der Verbindung durch die Zugabe anderer Elemente zu den Nanopartikeln. Die toxische Wirkung und die Auslösung des oxidativen Stresses sowohl in den Epithelzellen der Lunge als auch in Makrophagen hing direkt von einer Veränderung dieser Eigenschaft ab , was als Beispiel für die Fertigung von „Safe-by-Design“ Partikeln angeführt wurde (sihe auch Spotlights März 2022 und Spotlight November 2021). Das reine Mn₃O₄ hatte aber eine deutliche Wirkung auf Epithelzellen der Lunge und die typischen Effekte wie oxidativer Stress, Zelltod etc. wurden auch hier beobachtet . Dabei wurde im Vergleich das nanopartikuläre Manganoxid deutlich besser von den Zellen aufgenommen als gelöste Mangansalze.   Aufgrund seines Redoxpotentials hat Mangan insbesondere Effekte im Zusammenhang mit reaktiven Sauerstoffspezies. Mangan wirkt positiv in niedrigen Mengen und eingebaut in bestimmten Enzymen oxidativem Stress entgegen und hilft, diesen im Körper zu reduzieren. Erhöhte Konzentrationen des Mangans haben aber genau den umgekehrten Effekt: zu viel davon im Körper erhöht den oxidativen Stress, was insbesondere in Nervenzellen des Gehirns zu ernsthaften Folgen führen kann. Die Zellen sterben teilweise ab und es kommt zum Manganismus, das sind Parkinson-ähnliche Symptome.