Studium depozice a efektů nanočástic v modelovém organismu Mus musculus

Mgr. Jan Vysloužil, Ph.D.

Doctoral thesis

Study of deposition and effects of nanoparticles in the model organism Mus musculus

Abstract:

Tato dizertační práce je věnována studiu nanočástic oxidu zinečnatého, oxidu měďnatého, oxidu olovnatého a oxidu kademnatého. Tyto typy nanočástic byly využity při inhalační expozici modelového organismu myši laboratorní. Distribuce, depozice a efekty, které mohou nastat po expozici nanočásticím jsou procesy, které jsou přímo závislé na mnoha faktorech, a to zejména na fyzikálně-chemických vlastnostech nanočástic. Odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti různých nanočástic v kombinaci se silně heterogenním prostředím organismu, dobou expozice a koncentrací nanočástic vedou k tomu, že odlišné typy nanočástic vykazují různý model chování a dopadů v rámci organismu po expozici nanočásticím. V rámci dizertační práce bylo provedeno sledování nanočástic ve vybraných tkáních exponovaných modelových organismů ve srovnání s kontrolními skupinami. Pro sledování nanočástic, jejich distribuce, depozice a efektů byly použity metody transmisní elektronové mikroskopie a dále byla provedena prvková analýza vybraných tkáňových řezů pro potvrzení přítomnosti nanočástic metodou skenovací transmisní elektronové mikroskopie v kombinaci s rentgenovou spektroskopií. Pro experiment s nanočásticemi oxidu zinečnatého byla dále aplikována metoda RT-PCR pro studium genů souvisejících s homeostázou zinku a hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem ke stanovení koncentrace zinku v daných tkáních. Získané výsledky metodou STEM-EDX potvrdily u inhalovaných nanočástic oxidu zinečnatého a měďnatého depozici v primárně exponovaném orgánu plic a jejich distribuci do dalších orgánů, ledvin a jater u nanočástic oxidu zinečnatého a jater u nanočástic oxidu měďnatého. U ostatních mikroskopických analýz lze na depozici nanočástic usoudit na základě pozorování metodou TEM. Po inhalaci nanočástic oxidu zinečnatého byly také pozorovány změny na úrovni genů souvisejících s homeostázou zinku a zvýšené hladiny zinku v plicích a játrech stejně jako zvýšená tělesná hmotnost u exponovaných myší.

Abstract:

This dissertation is devoted to the study of nanoparticles of zinc oxide, copper oxide, lead oxide and cadmium oxide. These types of nanoparticles have been used in inhalation exposure of a laboratory mouse model organism. The distribution, deposition and effects that can occur after exposure to nanoparticles are processes that are directly dependent on many factors, especially the physicochemical properties of nanoparticles. Different physicochemical properties of different nanoparticles in combination with a highly heterogeneous organism environment, exposure time and concentration lead to different types of nanoparticles exhibiting various patterns of behavior and impacts within the organism after exposure to nanoparticles. Within the scope of the dissertation, nanoparticles were monitored in selected tissues of exposed model organisms in comparison to control groups. Method of transmission electron microscopy was used to monitor nanoparticles, their distribution, deposition and effects, and an elemental analysis of selected tissue sections was performed to confirm the presence of nanoparticles by scanning transmission electron microscopy in combination with X-ray spectroscopy. For the experiment with zinc oxide nanoparticles, the RT-PCR method was further applied to study genes related to zinc homeostasis and inductively coupled plasma mass spectrometry to determine the zinc concentration in the tissues. The results obtained by the STEM-EDX method confirmed deposition of inhaled zinc oxide and copper nanoparticles in the primary exposed lung organ and their distribution to other organs, kidneys and liver for zinc oxide nanoparticles and liver for copper oxide nanoparticles. In other microscopic analysis, the deposition of nanoparticles can be judged by TEM observations. Following inhalation of zinc oxide nanoparticles, changes in the level of genes associated with zinc homeostasis and increased zinc levels in the lungs and liver were observed as well as increased body weight in exposed mice.

Keywords

nanočástice, zinek, měď, olovo, kadmium, transmisní elektronová mikroskopie, STEM-EDX, RT-PCR, hmotnostní spektrometrie, nanoparticles, zinc, copper, lead, cadmium, transmission electron microscopy, mass spectrometry

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 9. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 21. 10. 2021
• Supervisor: RNDr. Miroslav Machala, CSc.
• Reader: Ing. Vladislav Krzyžánek, Ph.D., prof. Ing. Vladimír Adamec, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry