Transcript 4,3 Mb - miloslav . pouzar

Toxicita nanočástic
Miloslav Pouzar
Ústav environmentálního a chemického inženýrství
UNIVERZITA PARDUBICE
2010
Nanočástice
Přírodního původu
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
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
Příklady použití ENPs
Ag
•
antimikrobiální účinky - lednice, vysavače, klimatizace, textil, .....
TiO2 , ZnO
•
UV ochrana - opalovací krémy, nátěry, sluneční brýle, autokosmetika
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
"Jsou
nanočástic
e toxické
?"
"Neptej se
MĚ, zeptej
se
Paracelsa"
"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...."
Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na
Web of Science
A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119
Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na
Science Direct
A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119
Současná úroveň poznání o toxicitě nanomateriálů
Nové nanomateriály (NNm)
Objem výzkumu
Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm
Data o
toxicitě/nebezpečnosti
NNm vyhodnocená
regulačními orgány
Čas
K. Savolainen et al. / Toxicology 269 (2010) 92–104
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
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)
Hematoencefalická bariéra
Červená
krvinka
Kapilára
Těsné
spojení
Endoteliální
buňky
kapilárních
stěn
Základová
membrána
Astrocyty
Polysorbát
(Tween 80)
Oberdörster G. et al., Environmental Health Perspectives 113 (7) 823-839 (2005)
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
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)
Genotoxické účinky NPs
SCCP (2007)
•
nevhodnost in-vitro testů (Amesův) gentoxicity používaných pro roztoky
•
genotoxické účinky NPs souvisí se zánětlivým procesem
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)
Celkově nízký počet prací, velký počet
možných mechanismů, značná časová
náročnost
Karcinogenní účinky NPs
Takagi et al. (2008)
•
perzistentní částice (Azbest) obvykle vyvolávají lokální tvorbu reaktivních forem
kyslíku (ROS), vzniká dlouhodobý zánět  zvýšené riziko rakoviny
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.
Muller et al. (2009)
•
MWCNT ip, potkan kmen Wistar - žádná indukce mesotheliomu
•
trubice kratší než 5 m - úspěšná fagocytóza makrofágy
Karcinogenní
účinky NPs
Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)
Indukce oxidativního stresu vyvolaná NPs
Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)
Neurotoxické účinky NPs
Nel et al. (2006)
•
oxidativní stres a následná zánětlivá odpověď organismu jsou hlavními
mechanismy jak NPs poškozují neurony
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.
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
Neurotoxické účinky NPs
Hu et al., International Journal of Pharmaceutics 394 (2010) 115 - 121
Neurotoxické účinky NPs
Wang et al. (2009)
•
negativní vliv Cu-90 a Mn-40 NPs na sekreci dopaminu při in-vitro testech (PC12)
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
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)
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
Faktory ovlivňující toxicitu NPs
•
srovnávací in vitro studie toxicity čtyř druhů nanočástic a odhad
možných mechanismů jejich toxického účinku
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
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
•
LDH (laktát dehydrogenáza) - enzym, jehož extracelulární přítomnost
signalizuje mechanické poškození příslušných buněk
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
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
•
Tail DNA - test poškození DNA prováděný pomocí SGCE (single cell gel
electrophoresis)
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
Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78
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
Ne
Ano
vyřazení z dalšího testování, pokud
je dostupný test s dostatečnou
predikční schopností, klasifikace
Savolainen K. et al., Toxicology 269 (2010) 92 - 104
Strategie testování toxicity NPs
Stupeň II
In-vitro testy
• genotoxicita, imunotoxicita, dermální toxicita, oční
toxicita, neurotoxicita, hepatotoxicita
Ne
vyřazení z dalšího testování,
klasifikace
Ano
Stupeň III
In vivo testy
• imunotoxicita, orgánová toxicita, genotoxiicita,
reprodukční toxicita, ADME
Ne
vyřazení z dalšího testování,
klasifikace
Ano
Savolainen K. et al., Toxicology 269 (2010) 92 - 104
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