• Keine Ergebnisse gefunden

      Chapter  6  

  

 

Chapter 6 

114 

Summary of results 

 

Engineered nanoparticles enter several types of mammalian cells 

Toxic effects of nanoparticles may arise either from interactions with the cell surface or  by internalisation into the cytoplasm and sub‐cellular structures. Thus, at first it was  investigated  whether  engineered  nanoparticles  are  principally  able  to  penetrate  mammalian  cells.  Several  cell  types  and  six  types  of  nanoparticles  with  different  properties were considered for this study (Chapter 2). Results of light‐ and electron  microscopy experiments showed that all investigated types of particles were able to enter  all of the different cell types. The particles were always found within the cytoplasm but  never in cell nuclei. Furthermore, it could be shown that nanoparticles within cells co‐

localise  with  lysosomal  structures.  A  relative  quantification  of  particle  uptake  was  established  by  flow  cytometry  measurements.  Changes  of  cellular  granularity  were  generally more dependent on the particle than on the cell type; indicating an influence of  particle  properties  either  on  their  internalisation  ability  or  the  cellular  granularity  measurements itself. After short exposure times, a slight correlation was found for the  granularity data with the primary particles sizes. However, particle properties which  were not considered in the study might influence the cellular granularity measurements  as well. Further research is necessary to elucidate these interactions.  

Flow  cytometry  was  also  used  to  investigate  the  impact  of  the  actin‐  (i.e.  a  cytoskeleton‐) inhibitor Cytochalasin D on the particle incorporation into cells. The ability  to incorporate nanoparticles was not affected by the inhibitor in most of the cell types but  a reduction of the particle internalisation was found in a few cases. This study illustrated  that technical nanoparticles are able to enter all kinds of mammalian cells independent of  the cellular phagocytosis ability. However, the underlying mechanisms of incorporation  remain to be elucidated. An export of particles out of the cells was not observed in vitro in  this study, but  translocation aspects within and out of  whole organisms should be  considered for future research projects. 

 

Toxicity of tungsten based nanoparticles 

Acute toxicity of technical nanoparticles was assessed with focus on WC (tungsten  carbide) and WC‐Co (tungsten carbide cobalt) nanoparticles and their impact on human 

(Chapter 3) and fish cells (Chapter 4). By physico‐chemical characterisation of the particles  it  was  found  that  serum  proteins  (especially  albumin)  bound  to  the particles.  The  inclusion of serum proteins in cell culture media had a stabilising effect and prevented  agglomeration of particles. Furthermore it was shown that cobalt leached out of WC‐Co  nanoparticles  to  some  extent.  This  was  considered  by  implementing  comparative  experiments with CoCl2. Cell viability and membrane integrity of human lung, skin, and  colon cells were not affected by WC nanoparticles up to a concentration of 30 μg/ml. In  contrast, WC‐Co nanoparticles were slightly toxic to all cells; the colon cells were the most  sensitive type of the human cells. The effects of WC‐Co were always stronger than effects  of CoCl2 or WC+CoCl2 applied in equivalent concentrations (Chapter 3). An increased  toxicity for WC‐Co was also found with trout gill cells (Chapter 4). WC and WC‐Co  nanoparticle were detected within the cytoplasm of the gill cell line; media of different  complexity, whose constituents (e.g. proteins) influence the agglomeration of the particles,  had no effects on the particle internalisation. However, the toxicological effects of CoCl2 as  well as the nanoparticle effects were found to vary depending on the composition of  exposure media (Chapter 4). 

 

Altered gene expression and the role of leached ions  

In order to analyse effects of WC and WC‐Co nanoparticles in more detail and with the  aim to elucidate the modes of action of the enhanced toxicity of WC‐Co nanoparticles,  global gene expression in human skin cells (HaCaT) was investigated also in comparison  to dissolved cobalt ions (Chapter 5). Therefore, whole genome microarrays were used and  patterns of the transcriptome were compared between WC, WC‐Co or CoCl2 treated cells. 

Extensive  data  and  pathway  analyses  showed  that  most  genes  were  differentially  expressed after the CoCl2 treatment. Exposure to WC‐Co nanoparticles resulted also in a  large number of genes with altered expression. By contrast, gene expression patterns of  WC treated cells were hardly influenced by the nanoparticles. Most of the genes affected  by WC‐Co nanoparticles were also found to be altered in the CoCl2 treatment. Within  these genes, a significant enrichment of genes known as targets of the HIF1α (hypoxia  inducible  factor)  transcription  factor  or  genes  coding  proteins  that  are  involved  in  response to hypoxia could be identified by pathway and gene set enrichment analyses. 

Cobalt  ions  are  known  to  stabilise  the  transcription  factor  HIF1α,  which  affects 

Chapter 6 

116 

appropriate downstream target genes. Hence, this study clearly indicates that leached  cobalt ions play an important role in toxicity of WC‐Co nanoparticles. The underlying  mechanism for the enhanced toxicity of WC‐Co in comparison to WC particles and  dissolved cobalt, however, could not be explained by the genome wide transcription  analysis (Chapter 5). 

 

Concluding remarks and future directions

    

Nanotechnology  industry,  focussing  on the  development  and production  of  new  products  for  many  fields  of  application,  is  rapidly  growing.  The  emerging  use  of  nanoparticles  could  lead  to  their  release  and  emissions  with  potential  negative  consequences for occupational and environmental health. So far, nanoparticles are not  specifically regulated and labelling of nanoparticle‐containing products is not required. 

Potential health or environmental effects are assessed based on the properties of the bulk  materials.  The  need  to  establish  nanoparticle‐specific  regulations  is  controversially  discussed. Finally, for risk assessment, both the hazardous potential and the exposure  probability have to be considered. Therefore, successive analyses are necessary at which  in vitro experiments contribute to identify acute toxic nanoparticles and potential modes  of action as initial steps for the risk assessment. In vitro studies are economically and  ethically desirable and provide evidence about possible hazardous potential. Especially  for the toxicological screening of the huge palette of different nanoparticles, in vivo studies  are inappropriate or not even feasible. Nevertheless, in vitro methods based on cell  cultures still have a limited capacity to predict in vivo effects (Sayes et al. 2007). This is  primarily  caused by the specific  uptake and translocation  routes in vivo, which are  difficult to be mimicked in vitro. Particles that enter an organism via the lung may lead to  reactions that are a consequence of communication between several cell types and are not  detectable in a single cell culture (e.g. inflammation due to immunological and defence  responses independent of particle translocation). Co‐cultures of several cell types, as  recently demonstrated by a few studies (Brandenberger et al. 2010, Burguera et al. 2010),  might provide an in vitro approach for future activities addressing these problems of  systemic interactions. However, considering our knowledge so far, particles that are toxic  in vitro should be handled accordingly and exposure should be avoided generally. Non 

toxic particles (such as WC), that have been found to enter cells easily, have to be assessed  in vivo due to their possible long term and systemic impacts on organisms. 

Besides toxicological issues, estimating and analysing the particle uptake into cells is  rather difficult, especially in a quantitative manner. Initial studies show that “Inductively  Coupled Plasma  ‐ Mass Spectrometry” (ICP‐MS) might be a useful tool to measure  intracellular particle contents (Limbach et al. 2005, Wang et al. 2008a, Xia et al. 2008). 

However, for this method the chemical destruction of the particles is necessary, which is  not trivial for hard materials such as tungsten. Furthermore, the detection and distinction  of free or particle‐bound ions in comparison to solid particles is not possible. Therefore,  further investigations are necessary to establish a system to measure absolute amounts of  particles within cells. Studies should focus on the development or adaptation of methods  for the quantitative determination of intracellular nanoparticles and leached components  to better link toxicological effects to internal particle or ion concentrations. Furthermore,  exposure scenarios for humans and the environment have to be generated to estimate  relevant exposure concentrations and the abilities to measure nanoparticles qualitatively  and quantitatively in air and the environment have to be improved. 

The  research  of  this  thesis  shows  that  toxicological  investigations  of  engineered  nanoparticles in vitro are possible and appropriate for the understanding of interactions  between technical nanoparticles and cells. Based on these data, further activities should  focus on the role of the potential carrier function of nanoparticles and consider questions  of bioaccumulation and intracellular effect concentrations. 

 

 

118