Ekotoxicita nanočástic Ing. Miloslav Pouzar Ph.D. Environmentální toxikologie (C863) 2010

Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008) 396-414

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

Příprava ENPs Fyzikální procesy Top-down Chemické procesy Bottom-up fotolytografie laserové řezání mechanické operace (mletí, broušení) Top-down 0,1nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m 1 mm Chemické procesy organická syntéza kondenzace koloidní procesy Bottom-up Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008) 396-414

Zdroje NPs Toxické účinky Navarro E. et al., Ecotoxicology 17, (372-386 (2008) Zdroje NPs Přírodní nebo antropogenní Cesty vstupu do ekosystému Životní prostředí Změny NPs v přírodním prostředí Abiotické interakce Biotické interakce – absorpce, cesty vstupu do organismu, osud NPs v buňce Toxické účinky organismus Účinek NPs na organismus Populace, společenstva, ekosystém Význam z pohledu velkých systémů, analýza rizik

Funkcionalizované NPs Environmentální transformace Osud NPs v ŽP Aglomeráty Kompozity Funkcionalizované NPs Volné NPs Environmentální transformace Agregáty

Ředění a transport na otevřené moře Pobřežní sedimenty Agregace Usazování na mořské dno Toxické pro benthos Mořské dno Mobilizace NPs mikroorganismy Toxické pro pelagické organismy Tvorba povrchové vrstvy Toxické pro embrya a plankton Akumulace na fázovém rozhraní Splachy z pobřeží Atmosférický spad Tvorba aerosolu Toxické pro mořské ptáky a svce změny teploty, iontové síly a koncentrace organického materiálu

Farré M., Gajda-Schrantz K., Anal. Bioanal. Chem. 393 (2009) 81-95

Soly Přírodní koloidy Částice 1Å 1 nm 1 m aminokyseliny polysacharidy peptidy proteiny organické huminové látky agregáty huminových l. viry, bakterie, řasy anorg. látky sorbované na org. částicích jíly (hlinitokřemičitany) jednoduché hydratované ionty (OH-, Cl-, SO42-, Na+, Ca2+, Mg2+, Cu2+,...) Fe (oxyhydroxidy) Mn (oxidy) anorganické sulfidy kovů uhličitany, fosforečnany amorfní SiO2

Interakce ENPs a přírodních koloidů povrchové vody - přírodní koloidy mg.L-1 , ENPs g.L-1 interakce ENPs s přírodními koloidy mnohem významnější než vzájemná interakce ENPs významný vliv huminových kyselin (HK) na agregaci ENPs nízké koncentrace HK - obvykle stabilizace koloidního systému, potlačení agregace vysoké koncentrace HK - obvykle zvýšení agregace kombinovaný vliv pH a přítomných iontů agregované ENPs - sedimentace ve vzduchu i vodě agregované a adsorbované ENPs - horší biologická dostupnost - bioakumulace? vysoká schopnost některých ENPs adsorbovat celou řadu látek - čištění vody

Toxicita ENPs Vliv chemického složení Vliv velikosti Vliv tvaru uvolňování toxických látek z povrchu nanočástic významné parametry - toxicita uvolňované látky, celkový povrch NPs inertní NPs - indukce oxidativního stresu funkcionalizovaný povrch - snadnější prostupnost buněčnými mebránami Vliv velikosti snadný průchod buněčnými membránami schopnost selektivní kumulace uvnitř buňky v závislosti na velikosti NPs Vliv tvaru vliv na průchodnost buněčnými membránami zvýšení toxicity uhlíkových nanotrubic vlivem aglomerace - analogie s azbestem

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

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

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

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

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

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

DNA ROS Poškození buněčné membrány / vliv na membránový potenciál Ag+ Poškození buněčné membrány / vliv na membránový potenciál Uvolnění toxických složek NPs Zn2+ Poškození DNA DNA e- protein CYP 450 ROS e- protein Poškození elektronového transportu / respirace Produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) Oxidace / poškození proteinů

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

Fulereny kulovitá struktura složená z uhlíkových atomů (C60 C70 C76 C78 C80) aplikace v optice, elektronice a biomedicíně nízká rozpustnost ve vodě - zvýšení možné navázáním hydrofilních funkčních skupin (funkcionalizace povrchu) nemodifikované fulereny - tvorba povrchových filmů na vodní hladině, záchyt na rozhraní voda-sediment, adsorpce na rozpuštěné organické látky metody pro udržení fulerenů ve vodním sloupci během ekotox. studií povrchově aktivní látky - toxicita surfaktantu či nečistot, deformace struktury, nutnost optimalizace poměru voda-surfaktant-fuleren ultrazvuk - změna struktury a tvaru fulerenů, tvorba reaktivních forem kyslíku (ROS), nízká stabilita suspenzí míchání, třepání - časově náročné, nestabilní suspenze

Fulereny Lyon et al. 2005 a 2006; Kashivada 2006: výrazně vyšší toxicita pro bakterie, ryby a bezobratlé v případě že je použita povrchově aktiví látka (THF-tetrahydrofuran) než v případě míchání Zhu et al. 2006 : LC50 (Daphnia magna) - míchání > 35 mg.L-1, THF 0,8 mg.L-1 vliv toxicity THF zachyceného uvnitř fulerenů? změna tvaru a velikosti fulerenů? Henry et. al. (2007) studium vlivu C60 na ryby (Danio rerio - larvální stádium) míchání - vyloučení vlivu surfaktantu nezjištěny projevy akutní toxicity, po 72h - minimální změny v genové expresi nezjištěna aktivace detoxifikačních mechanismů

Uhlíkové nanotrubice CNTs jednostěnné - SWCNTs a vícestěnné (MWCNTs) vysoká pevnost (kosmické lodě, umělé svaly), vysoká elektrická vodivost (elektrická vedení), baterie, palivové články, polovodiče vlastnosti důležité pro interakci s biol. systémy surové obsahují kovové nečistoty tvar a chemická odolnost - podobnost s azbestem Smith et al. (2007) - poškození buněk dýchacích orgánů pstruha duhového (Oncorhynhus mykiss) vlivem oxidativního stresu vyvolaného SWCNTs Cheng et al. (2007) - test toxicity SWCNTs na embryích Dania pruhovaného (Danio rerio) - zjištěné toxické účinky připsány vlivu Ni a Co (zbytky katalyzátorů) Mouchet et al. (2008) - studium toxicity a genotoxicity DWCNTS na pulcích Drápatky vodní (Xenopus laevis) - toxicita spojená s mechanickým zanášením žáber, genotoxicita nezjištěna

Kovové NPs Ag NPs baktericidní účinky textil (samočistící látky), kosmetika (šampóny), medicína (povlaky chirurgických nástrojů, zubní výplně, obvazy) Ag NPs adsorbované na buněčné membráně - omezení transportu látek postupné uvolňování Ag+ - inhibice enzymů, blokáda transkripce DNA a RNA, snížená produkce ATP zvýšení účinnosti antibiotik (vancomycin a amoxicillin) - S. aureus a E. coli urychlení hojení ran, zabránění zápachu vliv tvaru - účinnější trojúhelníkové NPs než kulové antivirotické účinky interakce Ag NPs 1-10 nm s virem HIV-1 - vazba na glykoproteiny

Kovové NPs Ag NPs Asharani et al. (2008) a Yeo et al. (2008) studie In-vivo - Danio rerio Ag NPs zjištěny mozku, srdci, žloutkovém vaku a krvi embryí zvýšená míra apoptózy embryonálních buněk výrazný pokles počtu vylíhnutých jedinců mezi 0, 10 a 20 ppt Ag NPs - jedinci z exponovaných skupin poškození oka, deformace ocasu, abnormální srdeční činnost Au NPs biomedicínské zobrazovací techniky, diagnóza a léčba nádorů často povrchová úprava zlepšující biologickou dostupnost a cílený transport Lovern et al. (2008) - kinetika absorpce a vylučování u Daphnia magna (maximální koncentrace dosažena po 12h, po přeložení do čisté vody pokles)

Oxidy kovů TiO2 NPs výrazné fotokatalytické účinky - fotodegradace toxických organických polutantů čištění povrchových a odpadních vod odstranění benzothiofenu z motorové nafty katalytický rozklad oxidů dusíku a síry, těkavých organických látek v ovzduší fotoaktivita – součást opalovacích krémů a fotoprotektivních vrstev katalyzátory, polovodiče, solární technologie tři krystalické formy – anatas, rutil a brookit Savolainen et al., 2010 – v několika in-vitro testech prokázán vliv krystalické struktury TiO2 na genotoxické účinky NPs anatas rutil

Oxidy kovů TiO2 NPs 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 Federici et al. 2007 – pstruh duhový – vlivem NPs TiO2 vyvolány dýchací potíže a zánětlivá rekce (možný vliv nečistot - Cu) Chen and Elimelech 2007 – absorpce NPs TiO2 na povrchu fotosyntetizujících řas – negativní vliv stínění na jejich životaschopnost Zheng et al. 2005 – NPs TiO2 zvýšily klíčivost semen špenátu Luetz 2006 – pozitivní vliv NPs TiO2 na růst fotosyntetizujících organismů – antimikrobiální účinky, absorpce nutrientů na povrchu NPs,

Oxidy kovů ZnO NPs využití ve zdrojích UV záření, chemické senzory, solární články schopnost blokovat UV-A a UV-B záření - opalovací krémy, kosmetika Zhang et al., 2007 – baktericidní účinky ZnO NPs - indukce tvorby ROS Heinlaan et al., 2008 – toxické účinky na luminiscenční bakterie Vibrio fishery a na korýše Daphnia magna a Thamnocephalus platyrus - účinek spojen s uvolněním Zn2+ iontů do roztoku - toxický účinek se projeví i když částice nepřekoná buněčnou membránu Franklin et al., 2007 – toxický účinek ZnO NPs na řasy v reálných podmínkách - lineární vztah mezi toxicitou NPs a mobilitou Zn2+ iontů Adams et al., 2006 – srovnání toxicity ZnO, SiO2 a TiO2 NPs na Daphnia magna - nejtoxičtější ZnO (EC50 = 0,5 mg.L-1), vliv velikosti částic zanedbatelný

Oxidy kovů CeO2 a Ce2O3 NPs Fe2O3 a Fe2O4 NPs s klesající velikosti NPs stoupá podíl CeIII využití v kyslíkových senzorech, redukce oxidativního stresu v biol. systémech (může docházet i k indukci tvorby ROS - závisí na podmínkách) Thill et al., 2008 – negativní účinky CeO2 NPs na bakterii Escherichia coli - adsorpce na vnější straně buněčné membrány Fe2O3 a Fe2O4 NPs pigmenty, biomedicínské aplikace (funkcionalizace) podpora růstu zelených řas v moři - asimilace CO2

Kvantové tečky (QDs), nanokrystaly CdS, CdSe, CdTe,... molekulární biologie, medicína, informační technologie shluk částic polovodičového materiálu 2-10 nm s netypickými elektrickými, optickými, magnetickými a katalytickými vlastnostmi "umělé atomy" - pravidelná struktura Gagne et al., 2008 – imunotoxický účinek CdTe QDs na sladkovodní mušli Eliptio complanata - oxidativní stres poškozující žábry, vnik zlomů na DNA Clap et al., 2004 – toxicita CdTe QDs spojena s vyluhováním Cd (velikost částic a povrchová úprava) Choi et al., 2007 – cytotoxické účinky QDs spojené s indukcí oxidativního stresu (smrt buněk vyvolaná peroxidací lipidů)