Efekty a osudy nanočástic v buňkách a tkáních ve zvířatech a in vitro kulturách

MUDr. Jana Dumková, Ph.D.

Doctoral thesis

Effects and fate of nanoparticles in animal cells and tissues and in vitro cultures

Anotácia:

Úvod. Současná výroba a využívání enormního množství částic nanometrových rozměrů ve všech odvětvích lidské činnosti s sebou přináší i zvýšenou expozici nanočástic na lidský organismus. Sledování možných nežádoucích účinků nanočástic na živé tkáně proto patří ke stejně důležitým prioritám jako výzkum jejich unikátních žádoucích účinků. Jednou z nejčastějších vstupních cest nanočástic do organismu je cesta inhalační. Metody. Nanočástice kovů kadmia nebo olova ve formě oxidu kadmia (CdO) nebo oxidu olova (PbO) byly generovány v laboratoři Ústavu analytické chemie AV ČR, v.v.i., ve vertikální peci. Tyto nanočástice byly kontinuálně vháněny do inhalačních komor, kde byly umístěny dospělé myší samice. Experimentální myší samice byly vystaveny působení nanočástic 24 hodin denně 7 dní v týdnu a kontrolní skupina myší vdechovala vzduch bez nanočástic. Po zvolené době působení (po 6 týdnech, 11 a 13 týdnech inhalace) byla zvířata usmrcena a byly odebrány orgány (plíce, játra, ledviny, slezina, mozek, vaječníky) pro chemickou, histopatologickou a elektronověmikroskopickou analýzu. Inhalace nanočástic kovů byly opakovány v nezávislých experimentech. Výsledky. Nanočástice kadmia způsobily závažné zánětlivé změny nejen v plicním parenchymu, ale patologické změny byly přítomny i v játrech. Nanočástice kadmia byly pozorovány v membranózních pneumocytech a plicních makrofázích, v hepatocytech, v epitelových buňkách nefronů, v buňkách sleziny a v neuronech. Nanočástice olova podobně jako nanočástice kadmia způsobily závažné zánětlivé změny v plicích. Nanočástice olova vyvolaly nejen patologické změny v játrech, ale vedly i k poškození neuronů především v hipokampální oblasti mozku. Ačkoli kadmium i olovo jsou popisovány jako nefrotoxické, nanočástice kadmia ani nanočástice olova nevedly k výrazným morfologickým změnám v ledvině, a to i přesto, že chemická analýza prokázala v ledvině velmi vysoké koncentrace obou prvků. Nanočástice olova byly prokázány ve všech sledovaných orgánech (v plicích, játrech, ledvinách, slezině, mozku a vaječnících), jejich výskyt a množství v buňkách bylo tkáňově specifické. Množství nanočástic olova v buňkách korelovalo se stupněm poškození tkáně více než s koncentrací olova v daném orgánu. Závěr. Inhalované nanočástice oxidů kadmia a olova byly prokázány nejen v plicích, ale i ve všech dalších sledovaných orgánech. Zjistili jsme závažné změny v řadě orgánů po subchronické inhalaci těchto nanočástic. Zajímavé bylo i zjištění, že lokalizace nanočástic v buňkách byla tkáňově specifická. Výsledky této práce dále potvrdily, že toxicita nanočástic kadmia a olova se liší od toxicity solí kovů kadmia a olova.

Abstract:

Background. The actual production and usage of enormous amount of nanosized particles in all branches of human activities causes increased nanoparticle exposition to human organism. The research of unique positive features of nanoparticles has the same priority as the research of its possible negative effects on live cells and tissues. The most frequent entry into the organism is the inhalation way. Methods. Metal nanoparticles cadmium or lead in form of cadmium oxide (CdO) or lead oxide (PbO) were generated in the laboratories of the Institute of Analytical Chemistry of the Czech Academy of Sciences, v.v.i., in the hot-wall tube flow reactor. Metal nanoparticles were continuously pumped into inhalation chambers where adult female mice were located. Experimental female mice were continuously exposed to nanoparticles for several weeks 24 hours per day and 7 days per week, the control group inhaled the air without nanoparticles. After 6, 11 and 13 weeks of exposure, the animals were sacrificied and their organs (lung, liver, kidney, spleen, brain, ovaries) were analyzed chemically, histopathologically and electronmicroscopically. The inhalation of metal nanoparticles was repeated in independent experiments. Results. Cadmium nanopaticles caused serious inflammatory changes not only in lung parenchyme but pathological changes were present also in liver tissue. Cadmium nanoparticles were observed in membranous pneumocytes and lung macrophages, in hepatocytes, in the epithelial cells of nephrons, in splenic cells and in neurons. Lead nanoparticles caused serious inflammatory changes in lungs similarly to cadmium nanoparticles, moreover, they induced pathological changes in liver and damage of neurons in hippocampal region of brain. Interestingly, although cadmium and lead metals are described as nephrotoxic, neither cadmium nor lead nanoparticles induced extensive pathological changes in kidney in spite of high concentration of both elements detected in kidney chemically. Lead nanoparticles were observed in all analyzed organs (lung, liver, kidney, spleen, brain, ovary), their location and amount in cells was tissue-specific. The amount of lead nanoparticles in cells correlated with tissue damage more tightly than the concentration of lead in given organ. Conclusions. Inhaled cadmium and lead nanoparticles were approved not only in lungs but also in all analyzed secondary organs. We observed serious pathological changes after subchronic inhalation of these metal nanoparticles. The localization of nanoparticles was cell and tissue specific. The results of this work confirmed different effects of lead and cadmium in nanoparticle form contrary to salt form of these metals.

Kľúčové slová

nanočástice, kadmium, olovo, toxicita, inhalace, elektronová mikroskopie, nanoparticles, cadmium, lead, toxicity, inhalation, electron microscopy

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 15. 5. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 31. 5. 2018
• Vedúci: doc. MUDr. Miroslava Sedláčková, CSc., doc. RNDr. Marcela Buchtová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / odbor:
Anatomy, Histology and Embryology (4-years) / Anatomy, Histology and Embryology