Dokument: Investigations on particle-induced apoptosis in macrophages

Titel:	Investigations on particle-induced apoptosis in macrophages
Weiterer Titel:	Untersuchungen zur partikelinduzierten Apoptose in Makrophagen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=23593
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20130128-122130-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Wilhelmi, Verena [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,01 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 25.01.2013 / geändert 25.01.2013
Stichwörter:	macrophages, apoptosis, oxidative stress, (nano-)particles
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The ongoing industrial development and commercialisation of innovative nanomaterials is associated with an increased exposure of the population. However, the assessment of potential human health risks can barely keep up with the progressive achievements in nanotechnology. From the toxicological point of view, the lung is seen as main entry portal for particles. Several studies using respirable crystalline silica demonstrated a relation between particle-induced fibrosis and apoptotic processes in alveolar macrophages. Besides that, apoptotic macrophages are impaired in their clearance function. Therefore, knowledge about particle-induced apoptosis is considered to be a crucial readout to predict the pathogenic hazard of particles. In this regard, appropriate detection systems are a prerequisite to perform systematic screening studies. With this intention, in the first study a set of well-established methods and commercial cell death assays was applied to RAW 264.7 macrophages after treatment with six types of particulate materials, i.e. crystalline and amorphous SiO2, fine and ultrafine (nano )TiO2, and two further nanomaterials (ZnO, MgO). Through detailed inclusion of positive and negative controls, several particle-specific artefacts could be identified in specific cell death detection assays. These tests were subsequently optimised by experimental or mathematical adaptations in order to eliminate these artefacts. Since this study revealed that the nanomaterial ZnO was the most potent inducer of cytotoxicity, in particular apoptosis, a follow-up study focused specifically on the identification of underlying pro-apoptotic mechanisms. To investigate the role of oxidative stress in ZnO toxicity, primary bone marrow derived macrophages from murine knockout models were used. These investigations revealed that neither the phagocytic p47phox NADPH oxidase nor the redox-sensitive transcription factor Nrf2 are involved in the induction of apoptosis by ZnO. Further results obtained from experiments with caspase-9 deficient Jurkat T-lymphocytes demonstrated the involvement of the intrinsic mitochondrial apoptosis pathway. In a third study, the pulmonary toxicity of two types of carbon nanotubes, mainly differing in length and agglomeration behaviour, were investigated after pharyngeal aspiration in mice. Besides inflammatory effects in blood plasma and pro-fibrotic lesions in lung sections, granolumas were observed containing cells with activated caspase-3. However, accompanying in vitro-investigations on RAW 264.7 cells did not show direct caspase-3 activation by carbon nanotubes. Therefore, a screening for apoptotic effects in macrophages does not appear to be an appropriate tool to predict the fibrogenic hazard of carbon nanotubes. The studies described in this thesis provide a major contribution to the urgently required standardisation and validation of test systems, especially for the detection of particle-induced apoptosis. Furthermore, it demonstrates the impact of different physico-chemical properties on toxic effects of particles. This emphasises, that evaluation of the toxic hazard of these materials still requires testing on a case-by-case basis. Die fortschreitende industrielle Entwicklung und Kommerzialisierung innovativer Nanomaterialien geht mit einer zunehmenden Partikelbelastung der Bevölkerung einher. Die Abschätzung möglicher Risiken für die menschliche Gesundheit kann mit dem nanotechnologischen Fortschritt jedoch kaum Schritt halten. Aus toxikologischer Sicht stellt die Lunge eine Haupteintrittspforte für Partikel dar. Aus früheren Forschungen mit respirablen Quarzpartikeln ist bekannt, dass partikelinduzierte Fibrose im Zusammenhang mit apoptotischen Prozessen in Alveolarmakrophagen steht. Außerdem können apoptotische Makrophagen nicht mehr ihrer Clearance-Funktion nachkommen. Deshalb gilt die Induktion von Apoptose als wichtiger Hinweis auf die Pathogenität von Partikeln, für deren Nachweis geeignete Screening-Testsysteme erforderlich sind. In der ersten Studie dieser Arbeit wurden daraufhin gängige gut etablierte wie auch kommerziell erhältliche Detektionssysteme zur Quantifizierung von Zelltod anhand einer systematischen Auswahl von sechs Partikelmaterialien (kristallines und amorphes SiO2, feines und ultrafeines (nano-) TiO2, zwei weitere Nanomaterialien ZnO und MgO) in RAW 264.7 Zellen eingesetzt. Durch den Einsatz gezielter Positiv- wie Negativkontrollen wurden spezifische Störfaktoren, sowie Möglichkeiten zur Eliminierung dieser auf experimentellem oder rechnerischem Wege aufgezeigt. Das in dieser Studie als Auslöser von Zytotoxizität, speziell von Apoptose, prominenteste Nanomaterial ZnO wurde in einer Folgestudie hinsichtlich der apoptotischen Mechanismen untersucht. Die Fragestellung, ob oxidativer Stress als Auslöser für ZnO- induzierte toxische Effekte fungiert, wurde durch den Einsatz defizienter primärer Knochenmarksmakrophagen untersucht. Weder die phagozytische p47phox NADPH-Oxidase noch der redoxsensitive Transkriptionsfaktor Nrf2 zeigten einen Einfluss auf die Apoptoseinduktion durch ZnO-Partikel. Ergebnisse mit Caspase-9 defizienten Jurkat T-Lymphozyten konnten eine Beteiligung des intrinsischen mitochondrialen Apoptoseweges belegen. In einer dritten Studie wurde die pulmonale Toxizität zweier Kohlenstoffnanoröhrchen, die sich vor allem in Länge und Agglomerationsverhalten unterscheiden, nach pharyngealer Aspiration am Mausmodell untersucht. Neben entzündlichen Effekten im Blutplasma und pro-fibrotischen Läsionen in Lungenschnitten wurden Zellen mit aktivierter Caspase-3 in Granulomen nachgewiesen. Parallele in vitro-Untersuchungen an RAW 264.7 Zellen belegten jedoch keine direkte Caspase-3-Aktivierung durch Kohlenstoffnanoröhrchen. Ein Apoptose-Screening faserförmiger Partikel in Makrophagen ermöglicht somit keine Vorhersage hinsichtlich potentieller Fibrogenität in vivo. Die Ergebnisse dieser Dissertation leisten einen Beitrag zur dringend geforderten Standardisierung und Validierung von Testsystemen insbesondere zum Nachweis partikelinduzierter Apoptose. Darüber hinaus stellen sie die Bedeutung unterschiedlicher physicochemischer Eigenschaften für die toxischen Effekte von Partikeln heraus und verdeutlichen, dass nach wie vor eine Fall-zu-Fall-Testung spezifischer Materialien hinsichtlich ihrer Toxizität erfolgen muss.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	28.01.2013
Dateien geändert am:	28.01.2013
Promotionsantrag am:	11.10.2012
Datum der Promotion:	23.01.2013