Dokument: Toxicological effects of Nanoparticles: In vitro studies with Titanium Dioxide

Titel:	Toxicological effects of Nanoparticles: In vitro studies with Titanium Dioxide
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3163
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050714-001163-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Singh, Seema [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,74 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Kahl, Regine [Gutachter] Prof. Dr. Wunderlich, Frank [Gutachter] Prof. Dr. Borm, Paul [Gutachter]
Stichwörter:	Nano Partikel, ROS, Umweltpartikel, ultrafeine Partikel, oxidativer Stress, TiO2-Partikel , Interleukin-8, ESR, Glutathion-Depletion, ZytotoxizitätNano Particles, ROS, Particulate matter, ultrafine Particle, oxidative stress, TiO2-Particle , Interleukin-8, ESR, Glutathione-Depletion, Cytotoxicity
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang zwischen Konzentrationen von Umweltpartikeln (englisch: particulate matter, PM) und gesundheitsschädigenden Effekten in besonders empfänglichen Bevölkerungsgruppen gezeigt. Bei der Inhalation von ultrafeinen Partikeln wird in den betroffenen Lungenepithelzellen oxidativer Stress ausgelöst. Dies führt zu einer Induktion und Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen. Dabei ist die Größe der Partikeloberfläche wichtiger als deren chemische Zusammensetzung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Rolle von Partikelgröße und Oberflächenzusammensetzung auf die Auslösung entzündungsfördernder Prozesse in vitro zu untersuchen. Dabei wurden die Partikel hinsichtlich Oberflächengröße und -chemie charakterisiert. In humanen Lungenepithelzellen (A549) wurden Model-TiO2-Partikel hinsichtlich Zytotoxizität, oxidativen Stress, Interleukin (IL)-8-Freisetzung und Partikelaufnahme untersucht. In einem Vergleich von fünf verschiedenen TiO2-Partikelgrößen (10, 25, 50, 82 und 100 m2/g) wurde die Bedeutung der Oberflächenbeschaffenheit auf die durch die Partikel induzierten Effekte analysiert. Außerdem wurde mittels Methylierung der Oberfläche die Hydrophobizität zweier TiO2-Proben (10 und 50 m2/g) geändert, um die Bedeutung der Partikelzusammensetzung zu evaluieren. Zur Charakterisierung von Partikeln wurden die folgenden Partikeleigenschaften analysiert: Partikeloberfläche (BET-Analyse nach Brunauer, Emmett und Teller), Morphologie (hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, HRTEM), Oberflächenchemie (Analyse der Methylierungs-Effizienz mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometrie, FTIR) und oxidativer Stress (Elektronen Spin Resonanz Spektroskopie, ESR). Zelluläre Partikeleffekte wurden in humanen Lungenepithelzellen (A549) getestet. Zytotoxizität wurde mittels LDH-Assay, die Radikalbildung der Partikel mittels ESR und Glutathion-Depletion bestimmt. Für die Untersuchung der Expression und Freisetzung des proinflammatorischen Zytokins IL-8 wurden RT-PCR und ELISA eingesetzt. Zur Analyse der Partikelaufnahme wurde TEM angewandt. Alle Partikeleffekte wurden bei gleicher Masse evaluiert. FTIR bestätigte die erfolgreiche Oberflächenmethylierung. Im azellulären System wurde keine signifikante Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) durch die Partikel nachgewiesen. In A549 Zellen verursachten die Partikel bei niedriger Dosis keine und bei höherer Dosis eine geringe Toxizität. Zelluläre ROS-Bildung, Glutathion-Depletion und IL-8-Expression zeigten eine klare Korrelation zur Oberfläche. Partikelmethylierung hatte auf die untersuchten Parameter keinen signifikanten Effekt. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Größe der TiO2-Partikeloberfläche von entscheidenderer Bedeutung für die proinflammatorischen Effekte ist, als die Partikelmasse. Unsere Daten stimmen mit früheren Ergebnissen aus Tierversuchen überein, in denen eine Korrelation zwischen pulmonaler Entzündung und Partikeloberfläche nachgewiesen wurde. ROS und deren Einfluss auf den zellulären Redox-Status stehen möglicherweise in kausalem Verband zur Induktion von IL-8, und die Glutathion-Depletion nimmt in diesem Prozess wahrscheinlich eine zentrale Stellung ein. Weitere Experimente, z.B. unter Einsatz von Antioxidanzien und Inhibitoren, sind erforderlich, um den Verband zwischen Partikel-induzierter ROS-Bildung und IL-8-Expression aufzuklären. Wir beobachteten klare Unterschiede in Toxizität und inflammatorischen Effekten von TiO2 in direktem Verband zur Partikeloberfläche. Hinsichtlich der Vielzahl offener Fragen bleibt die spezifische Rolle von ROS in der IL-8-Freisetzung zu klären. Die Ergebnisse dieser Studie sind jedoch von wesentlicher Bedeutung für die berufsbedingte Belastung gegenüber Nanopartikeln, da diese bislang auf Massenbasis reguliert werden. Adäquate in-vivo-Studien sind zur Bestätigung der hier gezeigten in-vitro-Ergebnisse erforderlich. Epidemiological studies indicate an association between ambient concentrations of particulate matter (PM) and adverse health effects in susceptible populations. Although the fraction of ultrafine particles (<100nm) herein are considered to be the main causal factor, the exact mechanisms by which these adverse effects may occur are not yet clearly understood. Upon inhalation, ultrafine particles induce oxidative stress in lung epithelial cells which leads to the induction and release of pro-inflammatory cytokines. The surface area of the particles is more important than the surface chemistry for inducing these responses. The aim of this thesis was to scrutinise the role of size and surface chemistry of particles in initiating pro-inflammatory effects in vitro. The study was designed to characterise the particles for surface area, surface chemistry and to look at the particle induced cytotoxicity, oxidative stress, interleukin-8 (IL-8) release and cellular uptake of particles using A549 human lung epithelial cells on treatment with model TiO2 particles. We compared five different sizes of model TiO2 particles (10, 25, 50, 82 and 100 m2/g) to look at the role of surface area in particle induced adverse effects. Two types of TiO2 (10 and 50 m2/g) were methylated to create the surface more hydrophobic and were evaluated to study the importance of the particle’s surface chemistry. Particles were characterised for surface area (BET-analysis according to Brunauer Emmett and Teller), for surface morphology (High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM), surface chemistry (analysis of methylation-efficiency using Fourier-Transformed Infrared Spectromety, FTIR) and oxidative stress (using Electron Spin Resonance, ESR). To test the effects of particles in cells we chose human lung epithelial cells (A549) as a model and cytotoxicity in cells was assessed by measuring LDH release. The radical generating capacities of the particles were determined by using ESR and by measuring cellular glutathione depletion in the cells. The pro-inflammatory cytokine (IL-8) expression and release from the cells was determined by RT-PCR and ELISA respectively. TEM was used to determine endocytosis of the particles by the cells. All the particles of different BET-surface areas were tested at equal mass dose. The methylation was successful as revealed by FTIR spectroscopy and no significant formation of reactive oxygen species (ROS) was detected when the particles were measured in an acellular system. In A549 cells, none of the particle preparations caused significant toxicity in cells at lower doses; however at higher doses, some toxicity was observed. For ROS, glutathione depletion and IL-8 expression, clear surface area dependent responses were detected. We did not observe a significant effect of methylation on particle induced inflammatory effects. Our findings suggest that for TiO2 particles the surface area rather than mass is a better predictor for the pro-inflammatory effects in vitro. Our data is in concurrence with previous in vivo studies in animals which also verified a relation between inflammation and the surface area than mass of the particles. ROS and its impact on the redox imbalance in the cell could be a central mechanism dictating the induction of IL-8, and glutathione depletion might act herein as a fundamental unifying event. Supplementary experiments, e.g. using antioxidants and other inhibitors are needed to resolve and investigate the apparent missing link between ROS and IL-8. We observed clear differences in the toxic and inflammogenic effects associated to the surface area of TiO2 particles. Due to the emergence of so many unrequited questions, the contribution of ROS in IL-8 release remains an important area of exploration. Nevertheless, our current findings have implications for occupational exposure to the nanoparticles because the contemporary standards are set on the basis of mass. Adequate in vivo studies are mandatory to relate and authenticate these in vitro results.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	14.07.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	04.07.2005
Datum der Promotion:	04.07.2005