Toxicita nanočástic

Miloslav Pouzar

Ústav environmentálního a chemického inženýrstvíUNIVERZITA PARDUBICE

2011

Co mají tyto věci společné?

Co mají tyto věci společné?

Protects sensitive skin with natural minerals zinc and titanium (no nano-particles).

For cosmetics companies these days, nanotechnology can be a selling point or a radioactive taboo

http://newhavenindependent.org/index.php/archives/entry/nanocosmetics_opportunity_or_risk/

Výrobky s obsahem nanomateriálů

N. Singh et al. / Biomaterials 30 (2009) 3891–3914

"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...."

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

Antimikrobiální účinky Ag NPs (možné mechanismy, časová souslednost)

1. Ag+ uvolněné z Ag NPs vyvolá tvorbu ROS 2. Ag NPs interagují s membránovými proteiny a mění jejich funkci3. AgNPs se akumulují na povrchu buněčné membrány a mění její propustnost4. Ag NPs přestupují do buňky, kde generují ROS, uvolňují Ag + a poškozují DNA

Marambio-Jones C., Hoek E.M., Journal of Nanoparticle Research 12, 1531-1554 (2010)

– vzniklé ROS mohou též poškodit DNA, integritu buněčné membrány a membránové proteiny– uvolněné Ag+ - poškození DNA a membránových proteinů

(Damm et al. 2008; Neal 2008)

Rezistence mikroorganismů proti účinkům těžkých kovů- produkce NPs

Intracelulární mechanismy• „efflux“ – aktivní transport s využitím proteinových přenašečů• změna rozpustnosti – srážení iontů za vzniku nerozpustných sloučenin, redukce iontů za

vzniku nanočástic kovu • vznik quasi-monodisperzních systémů• uvolnění NPs z buňky – ultrazvuk, detergenty• Ag NPs – Pseudomonas stutzery Ag259• Ag-Au slitiny – Lactobacillus (podmáslí) • Vliv Cl- - AgCl res, AgCl2- a AgCl32- res

Narayanan K.B., Sakthivel N., Advances in Colloid and Interface Science 156, 1-13 (2010)

Topologie nanokrystalů Ag – Pseudomonas stutzeri AG259

Extracelulární mechanismy

• biomineralizace, biosorpce, komplexace, srážení (Klebsiella pnemonia, E. coli)• vznik silně polydispersních systémů

• 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

Opalovací krémy

• Long et al. (2006) - EPA nanočástice TiO2 v opalovacích krémech mohou způsobovat poškození mozku u myší

• Oberdörster et al. 2007, Hirano et al. 2005 – toxický účinek fotoaktivních NPs TiO2 zvýšen v přítomnosti světla – mechanismus spojen s produkcí ROS

• 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

• Burnett and Wang 2010 – stratum corneum je efektivní bariéra zabraňující přestupu TiO2 a ZnO NPs do systémového oběhu, vliv poranění kůže?

Penetrace kůží

Nanočástice AD(ME)

• Gulson et al. (2010) - NPs ZnO v opalovacích krémech, velikost 19 a 100 nm, zdravá lidská kůže, zvýšená koncentrace Zn v krvi – forma?

• Zhang et al. 2008 – kvantové tečky, neporušená kůže – 100% záchyt ve stratum corneum, porušená kůže – přestup do systémového oběhu

• Rouse et al. 2007 – fullereny, prasečí kůže – vliv ohybu na míru penetrace

• Otberg et al. 2004 – záchyt TiO2 NPs ve vlasovém folikulu po aplikaci opalovacího krému, doba setrvání 10 dní (ve stratum corneum pouze 1 den)

J. Lademann et al. / European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 77 (2011) 465–468

Axonální translokace

Nanočástice AD(ME)• Elder et al. (2006) – inhalace MnO (30 nm, 500 g.m-3) – potkan, oběma nosními dírkami (12 dní)

- nárůst Mn v plicích 2-krát, v čichovém laloku 3,5-krát, jen levou nosní dírkou – nárůst Mn pouze v levé části čichového laloku

Axonální translokace +/-

Nanočástice AD(ME)

• Garzotto and De Marchis (2010) – kvantové tečky, myš – vstup do čichového laloku extracelulární cestou nikoli axonální translokací

ENPs inhalace

nos plíce

krev

Sekundární orgány

-----------------------Redistribuce do

krve

Mozek/CNS

Axo

náln

í tra

nspo

rt

Tran

slok

ace

BB

Bpe

netr

ace

Aku

tní e

xpoz

ice C

hronická expozice

http://www.particleandfibretoxicology.com/content/pdf/1743-8977-7-42.pdf

• Yu et al. (2007) – Au 20 nm (2106 částic.cm-

3), 5 dní – akumulace v čichovém laloku (8 ng.g-1), 15 dní – entorhinální kůra

• Oberdorster et al. (2005) – prostupnost čichového laloku pro 20 nm NPs je u člověka asi 2-10 vyšší než u potkana – průnik do hlubších struktur mozku

GI-absorpce

Nanočástice AD(ME)

J.J. Powell et al. / Journal of Autoimmunity 34 (2010) J226-J233

Endocytóza přes enterocyty

(<50-100 nm)

Transcytóza přes M-buňky v Peyerových plátech

(20-500 nm)

Persorpce otvory v záhybech klků

(nezáleží na velikosti)

Paracellulární transcytóza(velmi malé NPs - jen při nemoci)

Genotoxické účinky NPs

Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

spíše epigenetický nežli genotoxický účinek !!!!

Vliv doby expozice a doby setrvání částice v buňce (koroze)

Genotoxické účinky NPsAmesův test• nízká schopnost využívaných bakterií absorbovat NPs pomocí endocytózy - vysoká míra falešně negativních

výsledků

Konfliktní výsledky různých typů testůWarheit et al. (2007) - TiO2 - negativní Amesův test a test chromozómových aberací (hamster ovary cells)

Kang et al. (2008) - TiO2 - pozitivní kometový a mikrojaderný test (periferal blood lymphocytes)

Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

Vliv buněčné linie zvolené pro in-vitro testyPacurary al. (2008) - SWCNT - buňky mesothelu více citlivé na poškození DNA než buňky mesotheliomu

• Takagi et al. (2008) schopnost MWCNT vyvolávat mesotheliom u p53 +/+ myší převyšovala účinek azbestu (crocidolit) - obvykle se jednalo o AGLOMERÁTY, intraperitoneální apl.

MWCNTs

crocidolite

fullerenes

Karcinogenní účinky NPs

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

Reprodukční toxicita NPs

Ag NPs (15 nm) a CdO (1 000 nm)

Braydich-Stolle L. et al./ Toxicological Sciences 88 (2), 412-419 (2005)

Mitochondriální funkce Integrita buněčné membrány

Spermatogoniální kmenové buňky Jaterní buňky

Reprodukční toxicita NPs

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 NPsNel 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.

Neurotoxické účinky NPs

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

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)

Neurotoxické účinky NPsWang 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

Koloidní stříbro - Argyrie

Rosemary Jacobs – nosní kapky

http://www.osel.cz/index.php?obsah=6&clanek=5505

Paul Karason – následky léčby škrábanců od kočky

Stan Jones – strach z jevu Y2K

Podrobnosti: M. Pouzar, Modří mužové, www.osel.cz

Děkuji za pozornost