Toxicita nanočástic

Miloslav Pouzar

Azbest

Chrysotile (bílý azbest)

Amosite (hnědý azbest)

Crocidolite (modrý azbest)

AzbestPočátky 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)

NanočásticePřírodního 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 nezáměrněobvykle 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

Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science

A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

Nové nanomateriály (NNm)

Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm

Data o toxicitě/nebezpečnostiNNm vyhodnocená regulačními orgány

Čas

Ob

jem

výz

kum

uSoučasná úroveň poznání o toxicitě nanomateriálů

K. Savolainen et al. / Toxicology 269 (2010) 92–104

• 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

Experiment IHui 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

Hui Yang et al., J. Appl. Toxicol. 2009, 29, 69-78

• srovnávací in vitro studie toxicity čtyř druhů nanočástic a odhad možných mechanismů jejich toxického účinku

• 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 IIIShiqian 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.

MWCNTs

crocidolite

fullerenes

Experiment IVElder 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. povrch částice vyvolá oxidativní stres který vyústí v nárůst koncentrace Ca2+ v buňce a v následnou aktivaci příslušných genů

2. přechodné kovy uvolněné z povrchu částice vyvolají oxidativní stres….

3. receptory na povrchu buněčné membrány jsou aktivovány přechodnými kovy – následuje aktivace genů

4. 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