Toxicita nanočástic

1. Toxicita nanočástic Miloslav PouzarÚstav environmentálního a chemického inženýrstvíUNIVERZITA PARDUBICE2011

2. Co mají tyto věci společné?

3. Co mají tyto věci společné? For cosmetics companies these days, nanotechnology can be a selling point or a radioactive taboo Protects sensitive skin with natural minerals zinc and titanium (no nano-particles). http://newhavenindependent.org/index.php/archives/entry/nanocosmetics_opportunity_or_risk/

4. Výrobky s obsahem nanomateriálů N. Singh et al. / Biomaterials 30 (2009) 3891–3914

5. "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...."

6. Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Web of Science A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

7. Počet odkazů týkajících se toxicity nanočástic na Science Direct A. Kahru et al. / Toxicology 269 (2010) 105–119

8. Antimikrobiální účinky Ag NPs (možné mechanismy, časová souslednost) • Ag+ uvolněné z Ag NPs vyvolá tvorbu ROS • Ag NPs interagují s membránovými proteiny a mění jejich funkci • AgNPs se akumulují na povrchu buněčné membrány a mění její propustnost • Ag NPs přestupují do buňky, kde generují ROS, uvolňují Ag+ a poškozují DNA • 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) Marambio-Jones C., Hoek E.M., Journal of Nanoparticle Research 12, 1531-1554 (2010)

9. 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 Topologie nanokrystalů Ag – Pseudomonas stutzeri AG259 Extracelulární mechanismy • biomineralizace, biosorpce, komplexace, srážení (Klebsiella pnemonia, E. coli) • vznik silně polydispersních systémů Narayanan K.B., Sakthivel N., Advances in Colloid and Interface Science 156, 1-13 (2010)

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

11. 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? Penetrace kůží • Rouse et al. 2007 – fullereny, prasečí kůže – vliv ohybu na míru penetrace • Zhang et al. 2008 – kvantové tečky, neporušená kůže – 100% záchyt ve stratum corneum, porušená kůže – přestup do systémového oběhu • 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

12. 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

13. ENPs inhalace nos plíce Chronická expozice Akutní expozice Translokace Sekundární orgány ----------------------- Redistribuce do krve Axonální transport krev BBB penetrace Mozek/CNS Nanočástice AD(ME) • Yu et al. (2007) – Au 20 nm (2106 částic.cm-3), 5 dní – akumulace v čichovém laloku (8 ng.g-1), 15 dní – entorhinální kůra Axonální translokace +/- • 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 • Garzotto and De Marchis (2010) – kvantové tečky, myš – vstup do čichového laloku extracelulární cestou nikoli axonální translokací http://www.particleandfibretoxicology.com/content/pdf/1743-8977-7-42.pdf

14. Nanočástice AD(ME) Transcytóza přes M-buňky v Peyerových plátech (20-500 nm) Endocytóza přes enterocyty (<50-100 nm) GI-absorpce Paracellulární transcytóza (velmi malé NPs - jen při nemoci) Persorpce otvory v záhybech klků (nezáleží na velikosti) J.J. Powell et al. / Journal of Autoimmunity 34 (2010) J226-J233

15. Genotoxické účinky NPs spíše epigenetický nežli genotoxický účinek !!!! Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

16. Genotoxické účinky NPs Amesův test • nízká schopnost využívaných bakterií absorbovat NPs pomocí endocytózy - vysoká míra falešně negativních výsledků Vliv doby expozice a doby setrvání částice v buňce (koroze) Konfliktní výsledky různých typů testů Warheit 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) Vliv buněčné linie zvolené pro in-vitro testy Pacurary al. (2008) - SWCNT - buňky mesothelu více citlivé na poškození DNA než buňky mesotheliomu Singh N. et al., Biomaterials 30, 3891–3914 (2009)

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

18. Reprodukční toxicita 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

19. Spermatogoniální kmenové buňky Jaterní buňky Mitochondriální funkce Integrita buněčné membrány Reprodukční toxicita NPs Ag NPs (15 nm) a CdO (1 000 nm) Braydich-Stolle L. et al./ Toxicological Sciences 88 (2), 412-419 (2005)

20. Neurotoxické účinky NPs Nel et al. (2006) • oxidativní stres a následná zánětlivá odpověď organismu jsou hlavními mechanismy jak NPs poškozují neurony 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 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.

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

22. Neurotoxické účinky NPs Wang et al. (2009) • negativní vliv Cu-90 a Mn-40 NPs na sekreci dopaminu při in-vitro testech (PC12) 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) 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

23. Koloidní stříbro - Argyrie Paul Karason – následky léčby škrábanců od kočky Stan Jones – strach z jevu Y2K Rosemary Jacobs– nosní kapky Podrobnosti: M. Pouzar, Modří mužové, www.osel.cz http://www.osel.cz/index.php?obsah=6&clanek=5505

24. Děkuji za pozornost