Exposure of Engineered Nanoparticles to Human Lung Epithelial Cells

Exposure of Engineered Nanoparticles to Human
Lung Epithelial Cells: Influence of Chemical
Composition and Catalytic Activity on Oxidative
Stress
Doutorando: Iuri Jauris
1

Nanopartículas apresentam forte atividade
química e catalítica  contribui para uma
toxicidade mais agressiva e de longo termo.

Rápida captação celular de metais pesados
pode interferir no metabolismo celular
catalisando reações com o citosol.

A atividade catalítica da nanopartícula pode
induzir ROS dentro das células?
2

Métodologia
A formação de ROS foi estudada através da exposição
das nanopartículas em um meio de cultura de células
epiteliais do pulmão (A549) e sem a presença de células.

Materiais
Óxido de silício dopado com 0,5wt% ; 1,6wt% de ferro,
cobalto, manganês, titânio, e seus óxidos.
i)
Série de 8 sistemas contendo nanoparticulas de sílica
dopados com Fe (0 – 10 wt% Fe/SiO2).
ii)
3

Ensaios in vitro
Suspensão de Nanopartículas diluídas a concentração de
30 ppm ( 30 μg/ml meio de cultura).
Stress oxidativo
fluorescência:
medido
através
de
ensaios
de
4

Resultados
Nanopartículas esféricas.
Diâmetro ≈ 20 – 75nm
FIGURE 1. Representative transmission electron micrograph of nanoparticles used in the present
study (left) and typical log-normal particle size distributions as measured by X-ray disk centrifugation
(right). Phase composition, element sensitive mapping, and X-ray diffraction pattern are given in the
Supporting Information.
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Table ST2. Particle specific surface area, calculated diameter dBET and particle surface/number dose
during exposure.
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
Potencial Zeta semelhantes  taxas de
captação celular in vitro similares (previamente
determinado por Limbach et al.)
Figure S4. Zeta potentials of different transition metal doped silica nanoparticles samples
(all dopant concentrations were 1.6 wt% transition metal oxide).
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Ti e Fe < ROS comparado ao Co, Mn.
 1,6 wt% Mn/SiO2  aumento 25x ROS
 (ROS) Co3O4 e Mn3O4 puro >> ions  aumento da captação celular.
Nanopartículas agem como carreadores “cavalo de tróia”de ions para
dentro da célula.

FIGURE 2. ROS concentrations in human lung epithelial cells after 4 h nanoparticle exposure
(full columns) relative to reference cultures without particle exposition. Empty columns depict
cultures only exposed to the corresponding amount of metal salts as aqueous solution.
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
Experimentos com os óxidos metálicos na forma
livre seriam esperados apresentar 60x mais ROS
do que expostos a concentrações 1,6wt%, na forma
nano

Importância da forma de carreamento (nano ou
solução aquosa) e composição (metal+sílica ou
metal puro).

Além disso individualmente os metais apresentam
diferenças relacionados ao seus comportamentos
químicos e catalíticos (TiO2 menos ativo).
9


Óxido de ferro puro, nano, (20 – 100x mais ferro se comparado
com o dopado com SiO2) apresentaram menor ROS do que os
dopados não sendo distinguíveis do controle.
Para além de 5wt% de
ferro em sílica, a superfície
torna-se saturada e há
diminuição de sítios ativos
 ferro excedente forma
“pontos” de ferro cristalino.
FIGURE 3. ROS production of 30 ppm iron/silica nanoparticles exposed to A549 cells (left)
relative to saline controls exactly follows the activity pattern of FeOx/SiO2 known for
heterogeneous catalysts. Exposure to nanoparticles (full columns) results in different ROS
levels than exposure to iron ions (empty bars) at the same concentration.
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
Para o teste sem células e íons puro, Fe2O3, apresentou maior
ROS se comparado com o teste com células  atuação da
membrana

Sem células  A partir de 5 ppm houve um aumento de ROS ≠
nanopartículas (estatisticamente não relevante).
Figure 3. A cell-free control experiment in medium. Exposure to iron salts at the same iron
dose did provoke some ROS above 5 ppm (Fe)aq.
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•
Ions de ferro 20x mais ROS do que na forma nano  nano não
dissolvem significativamente no meio de cultura (4h).
•
Co3O4 e Mn3O4 ions e nano possuem ROS semelhantes  nano
dissolvem e liberam ions produzindo efeito semelhante.
FIGURE 4. Comparison of ROS production in cell-free culture medium for heavy metals at 30 µg/mL
medium. Exposure to particles (full bars) stimulates few ROS for iron oxide and titania. (t ) no
titanium salt reference was investigated due to its insolubility).
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Conclusões:

A composição química das nanopartículas é um fator
determinante para a formação de ROS.

Materiais parcialmente solúveis como o Co3O4 e
Mn3O4 entram nas células por mecanismo do tipo
cavalo de tróia produzindo 8x mais ROS se
comparado com a solução aquosa.

Atividade catalítica das nanopartículas pode prolongar
o dano celular uma vez que o material não é
degradado durante a interação intracelular.
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OBRIGADO!
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