Dokument: Mechanisms and Consequences of Particle Uptake in Alveolar Macrophages

Titel:	Mechanisms and Consequences of Particle Uptake in Alveolar Macrophages
Weiterer Titel:	Mechanismen und Konsequenzen der Partikelaufnahme in Makrophagen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=17130
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110126-115710-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Scherbart, Agnes M. [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,53 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.01.2011 / geändert 26.01.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter] Prof. Dr. Esser, Charlotte [Gutachter]
Stichwörter:	macrophages, (nano-)particle internalization, size distribution, oxidative stress, inflammation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Macrophages (MФ), effector cells of the innate immune system, are very important in the phagocytosis and elimination of pathological invaders such as microorganisms and particles. The process of internalization can be associated with MФ activation resulting in the release of inflammatory mediators like cytokines, chemokines and reactive oxygen species (ROS). An uncontrolled persistent inflammatory response in particle-exposed lungs is discussed as a risk factor for the development of chronic obstructive pulmonary disease, fibrosis and cancer. Within the lung, alveolar macrophages (AMФ) representing key target cells for interaction with inhaled particles. However, the precise mechanisms of particle uptake and associated generation of inflammatory mediators by these cells are still poorly understood. Therefore, mechanistic studies are urgently required, especially for engineered nanoparticles, as their potential to cause adverse health effects is increasingly debated. The aim of this thesis is to unravel the interactions between particles and AMФ in relation to the physico-chemical properties of these compounds. To this extent, three independent studies were performed. In study 1 the molecular mechanisms of interactions of fine versus ultrafine TiO2 with AMФ (NR8383 cells) were investigated in comparison to fine-sized quartz (DQ12). The results showed that particle-specific physico-chemical properties determine the pattern as well as the extent of induction of oxidative stress and inflammatory responses. Analysis of uptake, with the use of specific inhibitors, revealed differences in uptake mechanisms for the three particle types. In contrast, intracellular ROS and calcium influx occurred to a similar extent with all particle types and thus unlikely provide an explanation for the observed differential uptake and pro-inflammatory responses. Study 2 focused on the cytotoxic and inflammatory responses in quartz-treated NR8383 cells in relation to particle-surface associated iron. The findings indicate that low levels of surface bound and potentially bioavailable iron may reduce quartz related adverse health effects. In study 3 the biocompatibility of a panel of five hydroxyapatite materials of different size and morphology was investigated in NR8383 cells as well as in primary AMФ. The findings support a good biocompatibility of all the tested materials unlike DQ12, the positive control. Overall, these results demonstrate that the interaction with-, and activation of-, MФ by particles strongly depends on various physico-chemical properties, such as particle size and distribution, agglomeration behaviour, chemical composition and surface contamination. Current observations are of special importance for hazard and risk assessment of inhaled particles as well as for smart engineering of novel nanoparticles for therapeutic applications. Makrophagen (MФ), die Effektorzellen des angeborenen Immunsystems, sind von großer Bedeutung bei der Phagozytose und Eliminierung von Pathogenen, wie Mikroorganismen und Partikeln. Die Internalisierung kann mit der Aktivierung der MФ einhergehen, welche in der Ausschüttung inflammatorischer Mediatoren, wie Zytokinen, Chemokinen und reaktiver Sauerstoffspezies (ROS - engl. reactive oxygen species) resultiert. Eine unkontrolliert andauernde Entzündungsreaktion in partikelexponierten Lungen wird als Risikofaktor für die Entwicklung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung, von Fibrose und Krebs diskutiert. In der Lunge sind es die Alveolarmakrophagen (AMФ), welche hauptsächlich mit inhalierten Partikeln interagieren. Die genauen Mechanismen der Partikelaufnahme, sowie die damit verbundene Generierung und Ausschüttung von inflammatorischen Mediatoren sind bis dato nur unzureichend geklärt. Daher sind mechanistische Untersuchungen dringend erforderlich, vor allem für die vermehrt eingesetzten industriell hergestellten Nanopartikel, deren gesundheitsschädliches Potential immer intensiver diskutiert wird. Das Ziel dieser Arbeit ist die genaue Untersuchung der Interaktionen zwischen Partikel und AMФ im Verhältnis zu physiko-chemischen Partikeleigenschaften. Drei verschiedene Studien wurden hierzu durchgeführt: In Studie I wurden die molekularen Mechanismen der Interkation von feinem und ultrafeinem TiO2 mit AMФ (NR8383 Zellen) im Vergleich zu feinem Quarz (DQ12) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass partikelspezifische physiko-chemische Eigenschaften für die qualitative und quantitative Ausprägung von oxidativem Stress und Entzündungsreaktionen entscheidend sind. Untersuchungen der Partikelaufnahme, unter Verwendung spezifischer Inhibitoren, zeigten unterschiedliche Mechanismen für die jeweiligen Partikel. Dem entgegengesetzt traten intrazellulläre ROS Bildung und Kalzium Einstrom für alle drei Partikel in gleichem Maße auf. Studie II setzte den Schwerpunkt auf zytotoxische und inflammatorische Reaktionen Quarz-behandelter NR8383 Zellen. Die Partikeloberfläche des Quarzes war mit Eisen in unterschiedlichen Konzentrationen versehen. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Mengen an oberflächengebundenem und potentiell bioverfügbarem Eisen, Quarz-induzierte gesundheitsschädliche Effekte reduzieren können. In Studie III wurde die Biokompatibilität von fünf Hydroxyapatiten verschiedener Größe und Morphologie in NR8383 Zellen und in primären AMФ untersucht. Die Ergebnisse unterstützen eine gute Biokompatibilität aller getesteten Materialien, mit Ausnahme von DQ12, welches als Positivkontrolle mitgeführt wurde. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass Interaktion mit- und Aktivierung von- MФ, durch Partikel, stark von den physiko-chemischen Eigenschaften der Partikel abhängig, wie Partikelgröße, Größenverteilung, Agglomerationsverhalten, chemische Zusammensetzung und Oberflächenkontaminierungen. Diese aktuellen Beobachtungen sind von großer Relevanz für Gefahr- und Risikobewertungen von inhalierbaren Partikel, sowie für mögliche gezielte Anwendungen neuer Nanopartikel in medizinisch-therapeutischen Ansätzen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	26.01.2011
Dateien geändert am:	26.01.2011
Promotionsantrag am:	02.10.2010
Datum der Promotion:	01.12.2010