Toxikologické účinky expozice nanočásticemi kovů

Mgr. Jana Lebedová, Ph.D.

Doctoral thesis

Toxicological impacts of exposure to metal nanoparticles

Abstract:

Nanočástice jsou využívány v širokém spektru aplikací od elektroniky po kosmetiku a další aplikace jsou rychle vyvíjeny. Nicméně, nanočástice vznikají také nezáměrně při procesech hoření přírodního i antropogenního původu, ve vodních aerosolech atd. Je proto velmi pravděpodobné, že dochází k expozici lidí, zvláště vezmeme-li do úvahy inhalaci. I přesto stále nemáme dostatek informací o možných důsledcích inhalace nanočástic. Zvláště poznatky z dlouhodobějších expozic jsou nutné ke zhodnocení možných rizik spojených s jejich vdechováním. První část této disertační práce se zaměřuje na vliv inhalace nanočástic CdO a PbO. Za účelem studia jejich vlivu v závislosti na dávce či délce expozice byly provedeny akutní a subchronické testy a byly použity dvě různé koncentrace nanočástic. Za pomoci elektronové mikroskopie byl sledován transport nanočástic do sekundárních orgánů, byla také provedena histopatologická analýza, analýza biomarkerů oxidativního stresu a další. Přítomnost nanočástic byla potvrzena ve všech studovaných orgánech, včetně mozku. V průběhu celé expozice byla pozorována postupná bioakumulace kadmia i olova ve všech studovaných orgánech (plicích, játrech, ledvinách a mozku). Také histopatologické nálezy a ovlivnění parametrů oxidativního stresu a poškození byly zřetelnější s prodlužující se dobou expozice a vyššími koncentracemi částic. Naše studie ukázaly vliv akutní a subchronické inhalační expozice nanočásticemi PbO a CdO, potvrdily transport těchto nanočástic do sekundárních orgánů, zdokumentovaly zvyšování koncentrace Cd a Pb a histopatologické změny ve tkáních v závislosti na době trvání expozice a dávce. Celkově naše pozorování potvrdilo, jak je důležité se při charakterizaci možných vlivů nanočástic zaměřit také na dlouhodobé studie. Druhá část disertační práce se zaměřuje na genotoxický potenciál nanočástic ušlechtilých kovů – stříbra, zlata a platiny. Tyto kovy jsou používány například v biomedicínských aplikacích, platina je používána také v katalyzátorech výfukových plynů, což vede k možné inhalační expozici. Nicméně o genotoxicitě těchto kovů je dostupné jen omezené množství informací, zvláště těch týkajících se možné závislosti účinků na velikosti částic. Proto bylo cílem této studie posoudit účinky Ag, Au a Pt nanočástic ve dvou velikostech. V rámci studie byla zjištěna fyzikálně chemická charakteristika nanočástic. Vliv na životaschopnost buněk byl posouzen pomocí Alamar blue testu, vliv na tvorbu DNA zlomů pomocí minigel comet testu a na indukci vzniku mikrojadérek pomocí průtokové cytometrie (in vitro microflow kit). Studie zdokumentovala genotoxické účinky Au a Pt nanočástic závislé na velikosti těchto částic, zatímco Ag nanočástice způsobily srovnatelný genotoxický efekt v obou zkoumaných velikostech. Výsledky potvrdily důležitost zohlednění velikosti jako jedné z fyzikálně chemických vlastností nanočástic při posuzování jejich toxicity. Získané informace mohou být použity pro zlepšení hodnocení rizik plynoucích z expozice nanočásticemi, stejně tak jako při navrhování studií hodnotících bezpečnost nanočástic a stanovování priorit pro budoucí výzkum.

Abstract:

Nanoparticles are widely used in variety of applications ranging from electronics to cosmetics and new applications are being rapidly developed. However, nanoparticles are formed also unintentionally during combustion processes of natural and artificial sources, in water sprays etc. Thus, human exposure to nanoparticles is very likely to occur, especially considering inhalation route. Despite this, there is still a lack of information regarding possible impacts of nanoparticle inhalation. Especially data from longer-term exposures are needed to assess the risks associated with prolonged inhalation of nanoparticles. The first part of this dissertation thesis focusses on the impact of CdO and PbO nanoparticles inhalation. Short and longer-term exposure to two nanoparticle concentrations was studied to examine dose- and time-dependent effects. Nanoparticles transport to secondary organs was examined by transmission electron microscopy, and also histopathological analyses, oxidative stress biomarkers analyses and other examinations were performed. Presence of nanoparticles was proved in all studied organs, including brain. Gradual bioaccumulation of cadmium and lead was observed in the course of exposure in all studied organs (lung, liver, kidney and brain). Also, histopathological changes and signs of oxidative stress and damage were more pronounced with longer exposure duration and higher dose. Our studies characterized impacts of acute to subchronic inhalation exposures to CdO and PbO nanoparticles, proved transport of these nanoparticles to secondary organs, documented time- and dose-dependent gradual increase of Cd and Pb concentrations and histopathological damage in tissues. Our observations emphasize the importance of longer-term exposure studies in characterizing the possible impacts of environmental inhalation exposure to nanoparticles. Second part of the thesis focused on the genotoxic potential of noble metal nanoparticles – silver, gold and platinum. These noble metal nanoparticles are used in biomedical applications, platinum nanoparticles are used also as vehicle exhaust catalyst, which leads to possible inhalation exposure. However, limited data is available on genotoxicity of these nanoparticles and especially on their sizedependent effects. Thus, the aim of the experiment was to assess effects of two different sizes of Ag, Au and Pt nanoparticles. Nanoparticles were characterized and viability of exposed cells was assessed using Alamar blue assay, formation of DNA strand breaks using mini-gel Comet assay and induction of micronuclei using flow cytometry (in vitro microflow kit). The study documented size-dependent genotoxicity of Au and Pt NPs, while both sizes caused a comparable genotoxic effect in case of Ag NPs. The results document the necessity to consider the nanoparticle size as an important physico-chemical property, when nanoparticle toxicity is assessed. The gained information can be used for improvement of risk assessment of nanoparticles as well as towards designing and prioritizing further needed research and nanoparticle safety evaluation studies.

Keywords

nanočástice, oxidativní stres, oxidativní poškození, toxicita, genotoxicita, ušlechtilé kovy, oxidy kovů, inhalace, nanoparticles, oxidative stress, oxidative damage, noble metal, metal oxide, inhalation, toxicity, genotoxicity

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2019
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Kateřina Malachová, CSc., prof. MVDr. Jiří Pikula, Ph.D., Dipl. ECZM

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ecotoxicology