Dokument: Investigation on the toxicity of Engineered Nanoparticles - Exploring the role of the glutathione antioxidant system
| Titel: | Investigation on the toxicity of Engineered Nanoparticles - Exploring the role of the glutathione antioxidant system | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44008 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20181220-110512-0 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Thongkam, Waluree [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. med. Krutmann, Jean [Gutachter] Prof. Dr. Proksch, Peter [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Es gibt anhaltende Bedenken bzgl. der Sicherheit industriell hergestellter Nanopartikel (NP). Zu einer humanen Exposition gegenüber NP kann es bei deren Herstellung oder Freisetzung aus erbraucherprodukten kommen. Während die Lunge als bedeutendstes Eintritts- und Zielorgan für inhalierte NP gilt, können auch andere Organe infolge Translokation von der Lunge, nach oraler Aufnahme oder intravenöser Applikation von NP beeinflusst werden. Ziel dieser Doktorarbeit war die Untersuchung von Zytotoxizität und DNA-Schädigung unterschiedlicher Typen industriell-hergestellter NP in Bezug auf ihre Zusammensetzung und der zugrundeliegenden Rolle von oxidativem Stress und intrazellulärem Glutathion (GSH)-Status. In der ersten Studie wurden 11 NP in humanen Zelllinien von Lunge (A549), Leber (HepG2) und Niere (HK-2) bezüglich ihrer Oxidantien-generierenden Eigenschaften untersucht. Ag-NP und unbeschichtete ZnO-NP induzierten DNA-Schäden und Zytotoxizität, während TiO2 DNA-Schäden ohne zytotoxische Effekte verursachte. Die Effekte der einzelnen NP variierten auch deutlich zwischen den Zelllinien und in Abhängigkeit des verwendeten Dispergens. Die Oxidantien-generierenden Eigenschaften der NP, gemessen unter zellfreien Bedingungen, ergaben keine Vorhersage bzgl. des zytotoxischen oder DNA-schädigenden Potentials der NP. In der 2. Studie wurde untersucht, ob Ag-NP eine adaptive Antwort zur Folge haben können, ähnlich wie zuvor mit dem ubiquitären Toxin Acrolein in Lungenzellen demonstriert wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Vorbehandlung von A549-Zellen mit einer geringen Dosis von Ag-NP sowohl gegen toxische Dosen von Ag-NP als auch von Acrolein schützte. Im Gegensatz zu Acrolein war die Adaptation durch Ag-NP nicht durch eine erhöhte mRNA-Expression von γ-Glutamylcystein-Synthetase (γGCS) und steigende GSH-Level begleitet, jedoch durch eine verstärkte Expression von Hämoxigenase 1 (HO-1)-mRNA und eine erhöhte Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2)-Immunoreaktivität. In der 3. Studie wurde untersucht, ob der intrazelluläre GSH-Status die Unterschiede bzgl. der Toxizität von NP in A549-, HepG2- und HK-2-Zellen erklären könnte. Die Ergebnisse zeigten einen inversen Zusammenhang zwischen DNA-Schäden durch TiO2-NP und dem konstitutiven GSH-Level in den jeweiligen Zelllinien. Dieser Effekt wurde durch Vorbehandlung mit dem GSH-Synthese-Inhibitor Buthionin-Sulfoximin (BSO) weiter verstärkt. Im Gegensatz dazu induzierten TiO2-NP keine substantielle Senkung des GSH-Spiegels, nukleare Translokation von Nrf2 und steigende mRNA-Expression von γGCS und HO-1. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass TiO2-NP keinen starken oxidativen Stress in Zellen induziert, aber die DNA-schädigenden Eigenschaften dieser NP vom intrazellulären GSH-Status abhängen. Die im Rahmen der Doktorarbeit durchgeführten Studien erbringen neue Erkenntnisse bzgl. der Bedeutung der Auswahl der Zelllinie und Dispersions-Methodik in NP-Toxizitäts-Screening-Ansätzen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass GSH am Schutz vor DNA-Schädigungen durch TiO2-NP beteiligt ist, jedoch nicht an adaptiven Schutzmechanismen gegenüber Ag-NP.There is an ongoing concern about the safety of engineered nanoparticles (NPs). Humans can be exposed to NPs during their manufacturing or following their release from consumer products. While the lung is considered as most important entrance and target organ for inhaled NPs, other organs may also be affected upon NP translocation from the lung or, for instance, following oral exposure and intravenous administrations. The aim of this thesis was to investigate the cytotoxic and DNA damaging effects of various types of engineered NPs in relation to their composition and to study the underlying role of oxidative stress and the glutathione (GSH) antioxidant defense system. In the first study, a panel of 11 NPs was investigated in human epithelial cell lines from lung (A549), liver (HepG2) and kidney (HK-2) in relation to their oxidant generating properties. Ag NPs and uncoated ZnO NPs caused DNA damage with concurrent cytotoxicity, whereas specific TiO2 caused DNA damage in the absence of cytotoxicity. The effects of specific NPs also varied considerably with the cell line, and on the presence of the NP dispersant. The oxidant generating properties of the NPs, measured under cell free conditions, did not predict their cytotoxic and DNA damaging capacity. The second study evaluated whether Ag NPs may give rise to an adaptive response in a similar fashion to previous findings with the ubiquitous toxicant acrolein in lung cells. It was found that a low dose pretreatment of A549 human epithelial cells with Ag NPs induced protection against a toxic dose of the Ag NPs as well as acrolein. In contrast to acrolein, adaptation by Ag NPs was not associated with an increase in γ-glutamylcysteine synthetase (γGCS) mRNA and GSH level, although heme oxygenase 1 (HO-1) mRNA expression and Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) immunoreactivity were enhanced. The third study explored whether differences in intracellular GSH status could explain for differences in toxicity of nanoparticles in the A549, HepG2 and HK-2 cells. Data showed an inverse relation between DNA damage induction by TiO2 NPs and the constitutive level of GSH in the respective cell lines. DNA damage by TiO2 was further enhanced upon pre-treatment with the GSH synthesis inhibitor buthionine-sulfoximine (BSO). However, in contrast to ZnO NPs, TiO2 did not cause a substantial decline of GSH levels, nuclear translocation of Nrf2, and increased mRNA expression of γGCS and HO-1. Together, these findings indicate that TiO2 does not induce strong oxidative stress in cells, but that the DNA damaging properties of these nanoparticles depend on the intracellular GSH level. The studies performed in the present thesis provided novel insight on the importance of the selection of the cell line and dispersion method in nanoparticle toxicity screening approaches. Moreover, it could be demonstrated that GSH is involved in the protection from DNA damage by TiO2 NPs, but not in an adaptive protective mechanisms to Ag NPs. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 20.12.2018 | |||||||
| Dateien geändert am: | 20.12.2018 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 20.10.2016 | |||||||
| Datum der Promotion: | 20.10.2017 |
