Toxicita nanočástic

1. Toxicita nanočástic Miloslav PouzarÚstav environmentálního a chemického inženýrstvíUNIVERZITA PARDUBICE2010

4. Nanočástice poly-dispersní systémy • půdní koloidy - částice jílů, oxidy a hydroxidy kovů, huminové kyseliny • ultrajemné podíly polétavého prachu (airborne UFPs) - mořská sůl • nanočástice biologického původu - pyly, mikroorganismy Přírodního původu Antropogenního původu - produkované nezáměrně obvykle též poly-dispersní systémy • dehet, fulereny a uhlíkové nanotrubice v dýmech • znečištění při svařování a plazmovém obrábění kovů Antropogenního původu - produkované záměrně (Engineered - ENPs) obvykle mono-dispersní systémy • jednostěnné a vícestěnné uhlíkové trubice (SWNTs, MWNTs), fulereny (C-60) • TiO2, MnO, ZnO, Fe2O3 • polymerní nanočástice

5. Příklady použití ENPs • antimikrobiální účinky - lednice, vysavače, klimatizace, textil, ..... TiO2 , ZnO • UV ochrana - opalovací krémy, nátěry, sluneční brýle, autokosmetika Ag Pt, Pd • katalytické vlastnosti - katalyzátory v automobilech CNT • elektronika, aditiva do pneumatik, lubrikanty, adsorpce kontaminantů SiO2 • ohnivzdorná skla, UV-ochrana, elektronika, farmaceutické produkty Al2O3 • baterie, mletí, protipožární ochrana, absorpce kovů, biosorbent Fe, Fe2O3 • čištění vody, aditivum do betonu

6. "Neptej se MĚ, zeptej se Paracelsa" "Jsou nanočástice toxické ?" "Jak už jsem řekl dříve - Všechny látky jsou jedy, nic není nejedovaté. Pouze dávka způsobuje, že látka přestává být jedem. Ale dneska se přeci všichni ptají sira Weba of Science...."

7. Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

8. Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Science Direct A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

9. Nové nanomateriály (NNm) Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm Objem výzkumu Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm vyhodnocená regulačními orgány Čas Současná úroveň poznání o toxicitě nanomateriálů K. Savolainen et al. / Toxicology 269 (2010) 92–104

10. Opalovací krémy Dunford et al. (2002), McHugh and Knowland (1997) • TiO2 / ZnO se podílí na tvorbě volných radikálů v kožních buňkách a na následném poškození DNA těchto buněk Long et al. (2006) EPA • nanočástice TiO2 v opalovacích krémech mohou způsobovat poškození mozku u myší Long et al. (2007) EPA • NPs TiO2 stimulace vzniku ROS v mozkových mikrogliích a poškození neuronů in-vitro Handy et al. (2008) • genotoxické a cytotoxické účinky - ryby

11. Vstup NPs do organismu Kreyling et al. (2002) • iv aplikace radioaktivních NPs 191Ir - distribuce do vnitřních orgánů (potkan) Monteiro-Riviere et al. (2007) • penetrace kůže na in-vitro a ex-vivo modelech, důkaz o přestupu NPs TiO2 nejednoznačný Oberdörster et al. (2004) a Elder et al. (2006) • inhalované NPs MnO o velikosti 30 nm (potkan) • přestup přes zakončení čichových nervů v nosní dutině do čichového laloku předního mozku a z něj pak dále do hlubších struktur mozku (kůra, mozeček) • axonální translokace Kreuter (2004) a Elder et al. (2006) • NPs potažené polysorbátem přestupují hematoencefalickou bariéru (BBB)

12. Hematoencefalická bariéra Červená krvinka Kapilára Endoteliální buňky kapilárních stěn Těsné spojení Základová membrána Polysorbát (Tween 80) Astrocyty

13. Oberdörster G. et al., Environmental Health Perspectives 113 (7) 823-839 (2005)

14. Pulmotoxické účinky NPs Donaldson et al. (2002, 2006); Lam et al. (2004, 2006) • intra-tracheální instilace či aspirace suspenzí NPs TiO2 či uhlíkových nanotrubic způsobuje v plicích u myší silnou zánětlivou odpověď i při nízkých koncentracích Shvedova et al. (2007) • akutní inhalační expozice uhlíkovým nanotrubicím (SWNTs, MWNTs) - zvýšený počet zánětlivých buněk v broncho-alveolární tekutině potkanů, plicní granulom a fibróza Ma-Hock et al. (2009) • tříměsíční inhalační studie na potkanech - uhlíkové MWNTs - vznik granulomů, při všech testovaných koncentracích (0; 0,1; 0,5 a 2,5 mg/m3) Alenius et al. (2010) • zesílení zánětlivé reakce v plicích potkanů po úpravě povrchu TiO2 zvyšující hydrofilitu

15. Pulmotoxické účinky NPs • při stejné dávce mají NSPs vyšší schopnost vyvolat zánětlivou reakci než částice větších rozměrů – vliv povrchu • TiO2 (anatas) 20 a 250 nm – intratracheální aplikace – potkan • po 24 h měřena plicní zánětlivá neutrofilní reakce • pro částice stejného složení a různého povrchu je lepší mírou dávky celkový povrch částic, než jejich hmotnost či počet Oberdörster G. et al., Environmental Health Perspectives 113 (7) 823-839 (2005)

16. Genotoxické účinky NPs SCCP (2007) • nevhodnost in-vitro testů (Amesův) gentoxicity používaných pro roztoky • genotoxické účinky NPs souvisí se zánětlivým procesem Celkově nízký počet prací, velký počet možných mechanismů, značná časová náročnost Savolainen et al., Toxicology 269 (2010), 92-104 • několik publikací popisujících in-vivo testy genotoxicity uhlíkových nanotrubic (SWCNT, MWNCT) - obvykle nesmyslně vysoké dávkování • vliv krystalické formy TiO2 (rutil vs. anatas) na výsledky různých typů in-vitro testů genotoxicity (kometový test, mikrojaderný test)

17. Karcinogenní účinky NPs Takagi et al. (2008) • perzistentní částice (Azbest) obvykle vyvolávají lokální tvorbu reaktivních forem kyslíku (ROS), vzniká dlouhodobý zánět  zvýšené riziko rakoviny Muller et al. (2009) • MWCNT ip, potkan kmen Wistar - žádná indukce mesotheliomu • trubice kratší než 5 m - úspěšná fagocytóza makrofágy Savolainen et al., Toxicology 269 (2010), 92-104 • celá řada prací popisující schopnost SWCNT a MWNCT indukovat tvorbu ROS při testech in vivo Takagi et al. (2008) • schopnost MWCNT vyvolávat mesotheliom u p53 +/+ myší převyšovala účinek azbestu (crocidolit) - obvykle se jednalo o AGLOMERÁTY, intraperitoneální apl.

18. Karcinogenní účinky NPs Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

19. Indukce oxidativního stresu vyvolaná NPs Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

20. Neurotoxické účinky NPs Nel et al. (2006) • oxidativní stres a následná zánětlivá odpověď organismu jsou hlavními mechanismy jak NPs poškozují neurony Scaper et al. (1999) • vysoký obsah snadno peroxidovatelných nenasycených mastných kyselin, vysoká spotřeba kyslíku a relativně nízké % antioxidačních enzymů v mozkové tkáni - vysoká citlivost mozku na zvýšenou tvorbu ROS Mates et al. (1999) • zvýšená produkce ROS  zvýšené riziko Alzheimerovy, Parkinsonovy a Huntingtnovy choroby Campbel et al. (2005) • zvýšená koncentrace NPs v mozkové kůře a hippocampu u nemocných Alzh.

21. Neurotoxické účinky NPs Hu et al., International Journal of Pharmaceutics 394 (2010) 115 - 121

22. Neurotoxické účinky NPs Wang et al. (2009) • negativní vliv Cu-90 a Mn-40 NPs na sekreci dopaminu při in-vitro testech (PC12) Ma et al. (2009) • při ip aplikaci 150 mg/kg TiO2 během 14 dnů akumulace NPs v mozku myši - oxidativní stres a poškození mozku • anatas se akumuluje lépe (500 ng/g) než "bulk" TiO2 (350 ng/g) Deng et al. (2009) • NPs ZnO (20-300 nm) - indukce apoptózy neurálních kmenových buněk - vliv Zn2+ iontu uvolněného uvnitř buněk Lockman et al. (2004) • vliv náboje NPs na destrukci BBB - neutrální NPs a nízké koncentrace záporně nabitých NPs bez efektu, destrukce BBB kladně nabitými NPs

23. Vliv NPs na oběhový systém Nurkiewitz et al. (2008) • znečištění ovzduší polétavým prachem má prokázanou spojitost se zvýšeným rizikem úmrtí na srdeční choroby • prachové částice větších poloměrů (0,1 - 2,5 m) způsobují při intratracheální expozici u potkanů zánětlivou reakci cévních stěn • inhalace nízkých koncentrací NPs TiO2 - microvaskulární disfunkce, trombóza Radomski et al. (2005) • inhalace SWCNT a MWCNT - agregace krevních destiček, trombóza Ericson et al. (2008) • nanočástice fumagillinu naplněné statinem použity k léčbě aterosklerózy

24. Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78 Faktory ovlivňující toxicitu NPs • srovnávací in vitro studie toxicity čtyř druhů nanočástic a odhad možných mechanismů jejich toxického účinku

25. Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78 Faktory ovlivňující toxicitu NPs • pro pokus použity PMEF buňky (primary mouse embrio fibroblast) • viability test (test přežívání) - živné médium mění zabarvení vlivem enzymatické aktivity buněk

26. Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78 • LDH (laktát dehydrogenáza) - enzym, jehož extracelulární přítomnost signalizuje mechanické poškození příslušných buněk

27. Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78 • SOD (superoxid dismutáza) - enzym redukující oxidativní stres • MDA (malondialdehyd) - produkt reakce ROS a polynenasycených lipidů

28. Tail DNA - test poškození DNA prováděný pomocí SGCE (single cell gel electrophoresis) Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78

29. Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78 Závěry studie Cytotoxicita a oxidativní stres • ZnO (oxid kovu) má výrazně větší cytotoxický efekt, než oxid křemičitý a obě formy uhlíku • tvarová podobnost a shodná velikost částic mezi ZnO a SiO2 ukazuje, že vliv na rozdíl v toxicitě má v daném případě chemické složení • menší částice CB mají menší cytotoxický a oxidativní efekt než větší částice ZnO • rozdílné chemické složení částic vede k jejich rozdílné schopnosti katalyzovat reakce vedoucí k produkci ROS a tím k oxidativnímu stresu, tvar částic má menší vliv než jejich chemické složení Genotoxicita • CNTs vykazují větší schopnost poškozovat DNA než ZnO, které je nejefektivnější z hlediska schopnosti vyvolat oxidativní stres • mechanismem genotoxického účinku CNTs může být mechanické poškození DNA • výrazný vliv tvaru na genotoxické účinky

30. Strategie testování toxicity NPs Stupeň I Fyzikálně chemická charakterizace • specifický povrch • chemická reaktivita • úroveň znečištění - těžké a přechodové kovy, organická rozpouštědla apod • chování v aerosolech a suspenzích - agregace Testování na acelulárních systémech • produkce ROS, RNS apod vyřazení z dalšího testování, pokud je dostupný test s dostatečnou predikční schopností, klasifikace Ne Ano Savolainen K. et al., Toxicology 269 (2010) 92 - 104

31. Strategie testování toxicity NPs Stupeň II In-vitro testy • genotoxicita, imunotoxicita, dermální toxicita, oční toxicita, neurotoxicita, hepatotoxicita Ne vyřazení z dalšího testování, klasifikace Ano In vivo testy • imunotoxicita, orgánová toxicita, genotoxiicita, reprodukční toxicita, ADME Stupeň III Ne vyřazení z dalšího testování, klasifikace Ano Savolainen K. et al., Toxicology 269 (2010) 92 - 104

32. Strategie testování toxicity NPs Stupeň IV Pozitivní testy genotoxicity a mutagenity vedou k dlouhodobým in vivo testům karcinogenity a reprodukční toxicity Daphnia magna přecpaná nanočásticemi TiO2, SWCNT a Daphnia držící dietu....... Savolainen K. et al., Toxicology 269 (2010) 92 - 104