Transcript 11,8 Mb - miloslav . pouzar

Toxicita nanočástic
Miloslav Pouzar
Azbest
Chrysotile
(bílý azbest)
Amosite
(hnědý azbest)
Crocidolite
(modrý azbest)
Azbest
Počátky průmyslového využití

první komerční důl na azbest – 1879 Quebeck

izolace teplovodního potrubí, boilerů, pecí

stavební materiály, zahradní nábytek, brzdové obložení, cigaretové filtry

zvuková izolace, protipožární zábrany

za 2. sv. války masivní využití azbestu při stavbě lodí
Azbest – nebezpečná vlákna

za toxické jsou považovány vláknité formy příslušných minerálů

zdravotní rizika spojena s dlouhodobou chronickou expozicí

dlouhá doba latence (desítky let)
Délka vlákna
> 5 m
Průměr vlákna
< 3 m (<0,1 m !!!)
Délka/Průměr vlákna > 3


rovná vlákna amfibolu mají větší schopnost penetrace plicní tkání než
zahnutá vlákna chrysotilu
na povrchu chrysotilu Mg2+ (cytotoxický efekt), na povrchu amfibolů Fe2+
(Fentonova reakce, oxidativní stres)
Azbest – zdravotní rizika

azbestóza - doba latence 10 - 40 let (chrysotil)

broncho-alveolární karcinom - doba latence 15 - 30 let (amfiboly)

pleurální plak

mesotheliom - doba latence 35 - 40 let (i 65 let) (amfiboly)
John Darabant
Asbestosis: Number of Deaths, Crude and Age-Adjusted
Mortality Rates (1968-1996)
Nanočástice
Přírodního původu
poly-dispersní systémy
• půdní koloidy - částice jílů, oxidy a hydroxidy kovů,
huminové kyseliny
• ultrajemné podíly polétavého prachu (airborne UFPs) zvětrávání hornin mořská sůl
• nanočástice biologického původu - pyly,
mikroorganismy
• uhlíkové nanotrubice (CNTs) a fulereny v 10 000 let
staré vrstvě ledu - Grónsko (požáry, sopečná činnost)
Antropogenního původu - produkované nezáměrně
obvykle též poly-dispersní systémy
•
•
•
•
dehet, fulereny a uhlíkové nanotrubice v dýmech
znečištění při svařování a plazmovém obrábění kovů
letecká a automobilová doprava
vaření
Nanočástice
Antropogenního původu - produkované
záměrně (Engineered - ENPs)
obvykle mono-dispersní systémy
(homogenita ve velikosti částic, tvaru,
složení, krystalové struktuře,...)
•
•
•
•
jednostěnné a vícestěnné uhlíkové trubice
(SWNTs, MWNTs), fulereny (C-60)
kovové nanočástice - Ag, Au, Fe, Cu
oxidy kovů - TiO2, MnO, ZnO, Fe2O3
dendrimery, polymerní nanočástice
A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119
Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science
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
•
Hund-Rinke and Simon 2006 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO2 na Daphnia
magna indukován předběžným osvícením UV světlem – fotokatalytická aktivita
poté přetrvává i za nepřítomnosti světla
•
Oberdörster et al. 2007, Hirano et al. 2005 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO2
zvýšen v přítomnosti světla – mechanismus spojen s produkcí ROS
Experiment I
Hui Yang, Chao Liu, Danfeng Yang, Huashan Zhanga, Zhuge Xia
Comparative study of cytotoxicity, oxidative stress and genotoxicity induced by four
typical nanomaterials: the role of particle size,shape and composition
Journal of Applied Toxicology 29, 69-78, (2009)
Velikost, tvar a chemické složení
•
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
•
•
pro pokus použity PMEF buňky (primary mouse embrio fibroblast)
viability test (test přežívání) - živné médium mění zabarvení vlivem enzymatické
aktivity buněk (WST-1 assay)
Absorpce při
440 nm
•
LDH (laktát dehydrogenáza) - enzym, jehož extracelulární přítomnost
signalizuje porušení integrity buněčné membrány příslušných buněk
(PMEF buňky) – test citlivý na mechanické poškození buněk
Průměrné hodnoty LDH byly
zvýšeny o 70,4; 88,0; 76,6 a
106,4 % oproti kontrole
•
DCFH-DA (2,7-dichlorfluorescein diacetat) – látka difunduje do buňky, reaguje s
ROS a mění se na vysoce fluoreskující DCFH – intenzita fluorescence odpovídá
koncentraci ROS v buňce
ZnO
CNTS
SiO2
CB
•
Kometový test - test poškození DNA, úroveň parametru „Tail DNA“ koreluje s
mírou poškození DNA
•
•
pro test použity dvě koncentrace NPs – 5 g.L-1 a 10 g.L-1
pro ZnO nepozorována závislost míry poškození DNA na koncentraci !!!
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
Experiment II
Oberdörster G., Ferin J., Finkelstein J., Wade P., Corson N.,
Increased pulmonary toxicity of ultrafine particles II. Lung lavage studies
Journal of Aerosol Science 21:384–387 (1990)
Povrch
–
–
–
–
TiO2 (anatas) 20 a 250 nm
intratracheální instilace – 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
Experiment III
Shiqian Zhu, Eva Oberdörster, Mary L. Haasch,
Toxicity of an engineered nanoparticle (fullerene, C60) in two aquatic species,
Daphnia and fathead minnow
Marine Environmental Research 62, S5–S9 (2006)
Agregace
– Fullereny (C60) – test na Daphnia magna
– ve vodném prostředí tvoří agregáty (povrchový film)
– techniky zajišťující kontakt mezi pokusným
organismem a zkoumanou látkou
• povrchově aktivní látky – THF (tetrahydrofuran)
• míchání
• ultrazvuk
•
Takagi et al. (2008) schopnost MWCNT vyvolávat mesotheliom u p53 +/+ myší
převyšovala účinek azbestu (crocidolit) - obvykle se jednalo o AGLOMERÁTY,
intraperitoneální apl.
crocidolite
MWCNTs
fullerenes
Experiment IV
Elder A., Gelein R., Silva V., Feikert T., Opanashuk T., Carter J. Potter R.,
Maynard A., Ito Y., Finkelstein J., Oberdörster G.
Translocation of Inhaled Ultrafine Manganese Oxide Particles to the Central
Nervous System
Environmental Health Perspectives 114 (8), 1172-1178 (2006)
Interakce s organismem - toxikokinetika
– Inhalační expozice MnO (30 nm, 500 g.m-3) - potkan
– Analýza MnO v plicích, játrech, čichovém laloku (olfactory bulb)
– Inhalace oběma nosními dírkami – 12 dní
• koncentrace Mn v plicích vzrostla 2-krát, v čichovém laloku 3,5-krát
• mírný nárůst koncentrace Mn pozorován i v dalších částech mozku
(striatum, frontal cortex, and cerebellum)
• v plicích nepozorovány projevy zánětlivé reakce
• v čichovém laloku pozorovány četné známky zánětlivé reakce (tumor necrosis
faktor- mRNA – nárůst 8-krát)
– Inhalace pouze levou nosní dírkou – 2 dny
• výrazný nárůst koncentrace Mn pouze v levém čichovém laloku
•
•
Takeda et al. (2009) – březí myši podkožně aplikována suspenze NPs
TiO2 - anatas, 25-70 nm, 100 L, 1 mg.mL-1 - aplikace 3, 7, 10 a 14 dní po
oplodnění
•
•
porodní váha potomků exponovaných samic byla nižší (88% vs. kontrola)
u narozených samečků TiO2 detekováno v genitáliích - výrazně nižší
spermatogeneze
•
u narozených samečků TiO2 v čichovém laloku mozku – výrazně vyšší
biomarkery zánětlivé reakce
Mechanismy toxického účinku NPs
1.
2.
3.
4.
povrch částice vyvolá
oxidativní stres který vyústí v
nárůst koncentrace Ca2+ v
buňce a v následnou aktivaci
příslušných genů
přechodné kovy uvolněné z
povrchu částice vyvolají
oxidativní stres….
receptory na povrchu buněčné
membrány jsou aktivovány
přechodnými kovy – následuje
aktivace genů
buňkou pohlcené nanočástice
poškodí mitochondrie a
vyvolají oxidativní stres
Nanotoxikologie je komplexní obor – úspěch v této oblasti je
zásadně podmíněn efektivní mezioborovou kooperací.
Odborníci, kteří chtějí v nanotoxikologii uspět musí hledat
nový obecněji srozumitelný jazyk, který umožní spolupráci
v dosud sobě velmi vzdálených vědních disciplínách
Oberdörster 2005
Existuje dnes vůbec nějaká vědní disciplína, pro kterou by
výše uvedený výrok neplatil?
Pouzar 2010
Děkuji za Váš čas