Technologie na bázi nanočástic pro studium toxicity

Bc. Jakub Hruška

Master's thesis

Nanoparticles Based Technology for Toxicity Study

Abstract:

Titan a jeho slitiny jsou hojně využívané materiály v implantologii zejména díky jejich odolnosti a stabilitě. Po implantaci však tyto materiály podléhají chemickému a mechanickému opotřebení, během kterého vznikají částice různých velikostí včetně nanočástic. Uvolněné titanové nanočástice (Ti, TiO₂) nejsou bioinertní a mohou způsobit aktivaci lidského imunitního systému mimo jiné prostřednictvím oxidačního stresu a poškození DNA. Jejich přítomnost v těle může podporovat vznik chronických zánětlivých změn v okolí implantátů, jako je peri-implantitida a peri-implantační mukóza. Teoretická část práce poskytuje stručný přehled o fyzikálně-chemických parametrech kovových nanočástic (NP) a jejich základních cytotoxických mechanismech. V rámci experimentální části byla nejprve sledována toxicita dvou nemodifikovaných krystalických forem TiO₂NP na bakteriální kulturu <i>E. coli</i>, konkrétně anatasu (A) a jeho směsi s rutilem (A+R). Žádná z testovaných koncentrací však nevedla ke statisticky významnému snížení počtu kolonií (CFU/ml). S cílem vytvořit stabilní disperzi vhodnou pro toxikologické testování v biologických médiích byl povrch TiO₂NP(A+R) modifikován bovinním sérovým albuminem (BSA). Takto připravené nanočástice TiO₂NP(A+R) + BSA poskytovaly vyšší stabilitu disperze dle charakterizace pomocí dynamického rozptylu světla a mikroskopie atomárních sil. Následně byl sledován vliv disperze TiO₂NP(A+R) + BSA (z-average 150 nm) na růst bakteriální kultury <i>E. coli</i> v LB médiu a DMEM médiu s přídavkem 10% fetálního bovinního séra. Ze statistické analýzy vyplynulo, že nanočástice TiO₂NP(A+R) + BSA v testované koncentraci 500 μg/ml neměly vliv (p = 0,06) na počet kolonií (CFU/ml) kultury <i>E. coli</i>. Dále byl sledován vliv připravené disperze TiO₂NP(A+R) + BSA na viabilitu kultury primárních pacientských osteoblastů. Testovaná koncentrace 500 μg/ml statisticky významně (p <0,001) snížila viabilitu osteoblastů. Tato koncentrace vedla k úmrtí 52,2 ± 6,3 % buněk a poskytla tak informaci o letální koncentraci (LC₅₀).

Abstract:

Titanium and its alloys are extensively used materials in implantology due to their durability and stability. However, once implanted, those materials undergo chemical and mechanical wear, which gives rise to particles of different sizes, including nanoparticles. The released titanium nanoparticles (Ti, TiO₂) are not bioinert and can cause activation of the human immune system, for example, through oxidative stress and DNA damage. Their presence in the body can promote the development of chronic inflammatory changes around implants, such as peri-implantitis and peri-implant mucositis. The theoretical part of the thesis provides a brief overview of the physicochemical parameters of metal nanoparticles (NPs) and their basic cytotoxic mechanisms. In the experimental part, the toxicity of two unmodified crystalline forms of TiO₂NPs on <i>E. coli</i> bacterial culture, namely anatase (A) and its mixture with rutile (A+R), was first investigated. However, none of the tested concentrations led to a statistically significant reduction in colony-forming units (CFU/ml). In order to create a stable dispersion suitable for toxicological testing in biological media, the surface of TiO₂NPs(A+R) was modified with bovine serum albumin (BSA). Thus, prepared TiO₂NPs(A+R) + BSA provided higher dispersion stability as characterised by dynamic light scattering and atomic force microscopy. Subsequently, we investigated the effect of TiO₂NP(A+R) + BSA dispersion (z-average 150 nm) on the growth of <i>E. coli</i> culture in LB medium and DMEM medium with the addition of 10% fetal bovine serum. Statistical analysis showed that TiO₂NPs(A+R) + BSA at the tested concentration of 500 μg/ml did not affect (p = 0.06) colony-forming units (CFU/ml) of the <i>E. coli</i> culture. Furthermore, the effect of the prepared TiO₂NP(A+R) + BSA dispersion on the culture viability of primary patient osteoblasts was investigated. The tested concentration of 500 μg/ml statistically significantly (p <0.001) decreased the viability of osteoblasts. This concentration resulted in the death of 52.2 ± 6.3% of the cells and thus provided information on the lethal concentration (LC₅₀).

Keywords

Biotechnologie v testování toxicity, bakteriální a tkáňové kultury, Dynamický rozptyl světla, <, i>, E. coli<, /i>, Mikroskopie atomárních sil, modifikace a stabilizace titanových nanočástic, oxid titaničitý, primární kultura pacientských osteoblastů, Biotechnology in toxicity testing, Bacterial and tissue cultures, Dynamic light scattering, Atomic force microscopy, Modification and stabilization of titanium nanoparticles, titanium dioxide, primary culture of patient’s osteoblasts

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2024
• Supervisor: prof. RNDr. Monika Pávková Goldbergová, Ph.D.
• Reader: Mgr. Antonín Bednařík, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biotechnology / Biotechnology