Dokument: Electron Paramagnetic Resonance as a method to monitor the intrinsic oxidant activity of ambient particulate matter (PM).- Design, validation and application of the method in environmental settings.
| Titel: | Electron Paramagnetic Resonance as a method to monitor the intrinsic oxidant activity of ambient particulate matter (PM).- Design, validation and application of the method in environmental settings. | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2665 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20031203-000665-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Shi, Tingming [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof.Dr. Schwarze [Gutachter] Prof. Dr. Kahl, Regine [Gutachter] Prof. Dr. Borm, Paul [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Feinstaub, Elektron spin Resonanz, Sauerstoffradikale, Metallen, Fenton Aktivität, Umweltbelastung, DNA schädenPM10, electron spin resonance, oxygen radicals, Fenton activity, monitoring, DNA damage. | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang zwischen der Belastung mit Umwelt-partikeln (particulate matter, PM) und gesundheitsschädigenden Effekten gezeigt. Grundle-gende Mängel bestehen jedoch am Verständnis möglichen Wirkungsmechanismen. Die Eigen-schaft der Partikel, freie Radikale, insbesondere Hydroxylradikale (·OH) zu erzeugen, gilt als Ursache für ihre biologische Aktivität, die bis jetzt jedoch meist durch indirekte Messung der Oxidantien-Aktivität ermittelt wurde. Elektroparamagnetische Resonanz Spektroskopie (EPR) ist eine der empfindlichsten und spezifischsten Methoden zum Nachweis hoch reaktiver Sauerstoffspezies, wie des ·OH. Wir entwickelten eine Methode, um mit der EPR-Technik die Kapazität zur Erzeugung von ·OH in 3 unterschiedlichen PM- Fraktionen zu bestimmen, sowie zeitliche und regionale Variationen mit dem Effekt von PM auf DNA-Schädigung in Zielzellen und freier DNA in Beziehung zu setzen. Alle untersuchten Partikel erzeugten ·OH. Dies wurde zu Masse, Größe und Quelle der Partikel in Beziehung gesetzt. Die ·OH-Erzeugung wurde durch exogenes Wasserstoff-peroxid eingeleitet und durch den Metallchelator Desferoxamin gehemmt. Die ·OH-Generierung von mit verschiedenen löslichen Metallsalzen beschichteten Russpartikeln variierte hinsichtlich Metallbeschichtung, sowie bei gleichem Metall hinsichtlich Oxidationsstatus. Eine stärkere Fähigkeit zur Erzeugung freier Radikale wurde bei Cu2+-, V2+-, V5+- und Fe2+-, eine geringere bei Fe3+-, Ni2+- und Zn2+-Beschichtung ermittelt. Staubproben von je 6-Wochen-Intervallen der Sommer- bzw. Herbst/Winter-Saison wurden auf die ·OH-Generierung , den Gehalt an den Übergangsmetallen V, Cr, Fe, Ni und Cu sowie die Induktion von 8-Hydroxy-2?-deoxyguanosine (8-OHdG) in Kälberthymus-DNA (Immuno-Dotblot-Assay) und menschlichen Lungenepithelzellen A549 (Immuncytochemie) gemessen. ·OH-Generierung der groben und feinen PM-Fraktionen wurde zur 8-OhdG Bildung in Kälberthymus-DNA in Bezug gesetzt. Beide PM-Fraktionen erzeugten ·OH sowie 8-OHdG in Kälber-thymus-DNA und in A549 Zellen. 8-OHdG Bildung in reiner DNA war von der ·OH-Generierung, nicht aber von den Metallkonzentrationen, mit Ausnahme von Kupfer, abhängig. Eine signifikant höhere ·OH-Produktion wurde für die grobe, nicht aber für die feine PM-Fraktion der Herbst/Winter-Saison ermittelt. Dies wurde nicht durch Unterschiede bezüglich Masse oder Metallgehalt verursacht und weist auf andere, noch unbekannte, anthropogene Komponenten hin, welche die Radikal-erzeugende Kapazität von PM beeinflussen könnten. Untersuchungen von Proben grober und feiner Umweltpartikel von 4 unterschiedlichen Orten in Nordrhein-Westfalen ergaben, dass durch feine PM-Fraktionen verursachte DNA-Strangbrüche ursächlich mit der ·OH-Generierung zusammenhingen, und sowohl DNA-Schädigung als auch ·OH-Generierung mit der Konzentration einiger Metalle, wie Fe, Cu, Cr, Cd und Pb, korrelierten. Eine signifikant höhere ·OH-Generierung wurde für PM-Proben aus Industriegebieten sowie für grobe Fraktionen ermittelt, höhere lösliche Metallgehalte wurden jedoch in die feinen Fraktionen analysiert. Auf die gleiche Masse bezogen, zeigt die ·OH-Bildung eine beträchtliche Variabilität sowohl hinsichtlich Proben-sammelort als auch hinsichtlich PM-Fraktion. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass die EPR-Methode unter Einsatz der Spin-trap Analyse die Bioverfügbarkeit und Redox-Aktivität von Metallen der Partikeln integriert und reproduzierbar die intrinsische Oxidationskapazität von Umweltpartikeln messen kann. Die Ergebnisse diese Doktorarbeit zeigen, dass die Oxidationsaktivität eine alternative Methode zur reproduzierbare Messung von PM-Effekten darstellt.Epidemiological studies have demonstrated a relationship between ambient particulate matter exposure and adverse health effects. There is still a fundamental lack of understanding on the causal constituents or possible mechanism through which they act. The free radical generating activity of particles, especially hydroxyl radical (?OH) generation, has been suggested as a unifying factor in their biological activity, but so far mostly indirect methods for assessment of oxidant activity have been used. Electron paramagnetic resonance (EPR) is one of the most sensitive and definite methods, especially for the detection of very reactive oxygen species, such as the hydroxyl radical. Here, we have developed a method using EPR to evaluate the capacity of ambient particulate matter to induce hydroxyl radical generation in different PM fractions, temporal as well as regional variations and related this activity to the effect of PM to cause DNA damage in target cells and nude DNA. Various particles, such as residual oil fly ash (ROFA), total suspended particles (TSP), coarse and fine PM fractions have been shown to have the ability to generate hydroxyl radicals in the presence of hydrogen peroxide and this was related to particle mass, size and the source of particles. Hydroxyl radical generation was facilitated by exogenous hydrogen peroxide and was inhibited by the metal chelator desferoxamine. Carbon black particles coated with different soluble metal salts showed hydroxyl radical generation that varied with different metals, as well as their valency. A higher ability of free radical generation was found in those particles coated with Cu2+, V2+, V5+, Fe2+ and lower with Fe3+, Ni2+ and Zn2+(Chapter II). Samples that were collected over 6 weeks in summer and 6 weeks in autumn/winter at one sampling location were analysed for the hydroxyl radical generation by EPR, induction of 8-hydroxy-2?-deoxyguanosine (8-OHdG) and transition metal content. An immuno-dotblot assay was developed and used for the measurement of 8-OHdG in calf thymus DNA; immunocytochemistry was used to determine 8-OHdG formation in A549 human epithelial lung cells. The content of leachable V, Cr, Fe, Ni, and Cu was determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The ·OH generating ability of these weekly coarse and fine PM samples was correlated to the formation of 8-OHdG in calf thymus DNA. Both PM fractions elicited ·OH generation as well as 8-OHdG formation in calf thymus DNA and in A549 cells. The formation of 8-OHdG in naked DNA was significantly related to ·OH generation, but not to metal concentrations except for copper. A significantly higher ·OH generation was observed for coarse PM, but not fine PM collected during autumn/winter season and this was not due to differences in sampled mass or metal content. Specific weather conditions were associated to ·OH formation by the coarse mode particles which suggests that other, yet unknown, anthropogenic components may affect the radical-generating capacity of PM (Chapter III). Weekly samples of coarse and fine PM from 4 different sites were analysed for ·OH-formation using EPR, formation of 8-OHdG in calf thymus DNA using an immuno-dotblot assay, DNA strand breakage in A549 human lung epithelial cells using the alkaline comet assay and transition metals by ICP-MS. Both PM sizes elicited ·OH generation and 8-OHdG formation in calf thymus DNA. DNA strand breakage by fine PM was significantly related to ·OH generation and both DNA damage and ·OH generation were correlated to the concentration of several metals, such as Fe, Cu, Cr, Cd and Pb. A significantly higher ·OH generation was observed for PM sampled at urban/industrial areas as well as coarse fractions, however higher soluble metal contents were found in the fine fractions. When considered at equal mass, ·OH formation showed considerable variability with regard to the sampling places as well as the fraction of PM. We conclude that our method of measuring ·OH by EPR with spin trap integrates bioavailability and redox activity of metals in the presence of particles. It can be used to measure reproducibly the intrinsic oxidant capacity of particulate matter and it may be an alternative metric to mass in evaluating effects of PM. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 03.12.2003 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.02.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 19.11.2003 | |||||||
| Datum der Promotion: | 19.11.2003 |
