Toxicita nanočástic Miloslav Pouzar

Chrysotile (bílý azbest) Crocidolite (modrý 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

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 Web of Science

Současná úroveň poznání o toxicitě nanomateriálů Nové nanomateriály (NNm) Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm Data o toxicitě/nebezpečnosti NNm vyhodnocená regulačními orgány Čas Objem výzkumu 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

Velikost, tvar a chemické složení 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

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 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 Agregace 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

crocidolite MWCNTs fullerenes 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

Interakce s organismem - toxikokinetika 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 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