Μελέτη της τοξικής, κυτταροτοξικής και γενοτοξικής δράσης νεοσυντιθέμενων ενώσεων και νανοϋλικών σε in vitro συνθήκες

Abstract

The continuous production of Nanotechnology products raises concerns in relation to their environmental impact. Specifically, zinc oxide (ZnO) and silver (Ag) nanoparticles (NPs), are two of the most widely manufactured NPs, used in numerous applications which increases the chances of their bioavailability in the environment. Despite the extended scientific research concerning the aforementioned NPs, most studies focus on a specific factor and/or parameter e.g. the synthesis method, the physicochemical characteristics and morphology, the potential applications and/or the toxic effects against a particular organism or cell line. Even though, each study enriches the scientific database and fills the knowledge gaps still existing in the field of Nanotechnology, the present study aimed to a holistic approach. Specifically, the current research entails (a) the synthesis of ZnO, Ag and ZnO-Ag NPs, (b) the characterization of the NPs (in powder form as well as in dispersion media) (c) the assessment of their potential toxic, cytotoxic and genotoxic effects against different biological systems (human lymphocytes, bacteria and hemocytes of bivalve mollusc) in vitro, (d) and NPs interactions in the presence of humic acids (HAs), thus simulating actual environmental conditions. The NPs of the present study (ZnO, Ag and ZnO-Ag NPs) were manufactured through the novel method of flame spray pyrolysis (FSP), which is used for the synthesis of single and composite NPs possessing high crystallinity and improved physicochemical characteristics and morphology. NPs were subsequently characterized via powder X ray diffraction (pXRD), transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS). Afterwards, the potential genotoxic and cytotoxic activity of NPs, with and without two fully characterized humic acids (HALP, LHA), was investigated in human lymphocytes by applying the cytokinesis block micronucleus assay with cytochalasin-B (CBMN). Zn2+ leaching was determined in lymphocytes obtained by the CBMN assay, via anodic stripping voltammetry (ASV). Thereafter, NPs mediated effects on Vibrio fischeri, with or without the presence of HAs, were investigated, using the Microtox test. Finally, the cytotoxic and oxidative effects of NPs were examined in hemocytes of the mussel Mytilus galloprovincialis through the determination of (a) the lysosomal destabilization (Neutral Red Retention Time/NRRT), (b) the production of superoxide anions, (c) the production of nitric oxides (in terms of nitrites) and (d) the levels of lipid peroxidation. According to the results, in the case of CBMN assay, no genotoxic activity was observed in any case, for any of the NPs, with or without humic acids (HAs). However, all NPs showed cytotoxic action. Even though Ag and ZnO-Ag NPs led to the induction of cytotoxicity with and without HAs, the mixtures of ZnO NPs with HAs diminished the cytotoxicity that was induced by the single ZnO NPs. As far as Zn2+ leaching is concerned, it was found that the highest concentrations of the mixtures (ZnO, ZnO-Ag)NPs-HAs kept a small percentage of ions, while in every other case the percentage was negligible. Increased toxicity was observed against Vibrio fischeri when treated with ZnO and ZnO-Ag NPs, while Ag NPs demonstrated the lowest toxic potential. NPs combination with both HAs did not lead to any significant changes in the toxicity in comparison with the single ZnO and ZnO-Ag NPs. However, Ag NPs-HAs mixtures lead to the diminution of toxicity induced by single Ag NPs. As far as mussel hemocytes are concerned, each NP showed a different toxic mode of action. Thus, ZnO NPs -via their surface charge and particle agglomeration- could enter the cells before the manifestation of cellular mortality, while the release of Zn2+ could promote radical generation via the stimulation of the respiratory burst process. On the other hand, the higher cellular and oxidative potential of Ag NPs, probably through the release of Ag+, did not seem to be related with the respiratory burst process. Similarly, cellular and oxidative damage induced by ZnO-Ag NPs, demonstrated the presence of antagonistic/synergistic activity among metal ions (Zn2+, Ag+) which depending on the circumstances could mediate the behaviour and biological effects of the composite NP. In conclusion, the results demonstrate novel NPs ability to exert toxic, cytotoxic and oxidative effects. However, it was found that NPs effects varied among the NPs, as well as among the different assays and organisms and/or cells that were used. As a result, it is obvious that it is indispensable to evaluate the toxic profile of NPs by applying a variety of assays and environmental scenarios, in addition to conducting an integrated and reliable characterization of NPs in every case.

Η συνεχώς αυξανόμενη παραγωγή προϊόντων της Nανοτεχνολογίας εγείρει στις μέρες μας σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τον περιβαλλοντικό αντίκτυπό τους. Συγκεκριμένα, νανοσωματίδια (Nanoparticles, NPs) όπως το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) και αργύρου (Ag), παρουσιάζουν ευρεία εξάπλωση και εφαρμογή, γεγονός που αυξάνει τις πιθανότητες να βρεθούν βιοδιαθέσιμα στο περιβάλλον. Παρόλο που υπάρχει εκτεταμένη βιβλιογραφία αναφορικά με τα προαναφερθέντα NPs, συνήθως κάθε μελέτη εστιάζει σε συγκεκριμένο παράγοντα κάθε φορά όπως για παράδειγμα στη σύνθεση των NPs, τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά τους, τις πιθανές εφαρμογές τους ή τις τοξικές τους επιδράσεις σε συγκεκριμένο οργανισμό ή κυτταρική σειρά. Αν και κάθε έρευνα ενισχύει το μέχρι τώρα γνωσιακό υπόβαθρο και συμπληρώνει κενά αναφορικά με τη Νανοτεχνολογία, με την παρούσα μελέτη έγινε η προσπάθεια πραγματοποίησης μιας ολοκληρωμένης εργασίας. Συγκεκριμένα, το ερευνητικό πλάνο περιλαμβάνει (α) τη σύνθεση των ZnO, Ag και ZnO-Ag NPs, (β) το χαρακτηρισμό τους (μεμονωμένα και σε διασπορά μέσα σε υδατικά διαλύματα), (γ) την αξιολόγηση των πιθανών τοξικών, κυτταροτοξικών και γενοτοξικών τους επιδράσεων σε διαφορετικά βιολογικά συστήματα (ανθρώπινα λεμφοκύτταρα, βακτήρια και αιμοκύτταρα δίθυρου μαλακίου) σε in vitro συνθήκες, (δ) τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των εξεταζόμενων NPs παρουσία χουμικών οξέων (Humic Acids, HAs), προσομοιάζοντας έτσι τις πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Αναλυτικότερα, τα NPs (ZnO, Ag και ZnO-Ag NPs) παρασκευάστηκαν με την καινοτόμο τεχνική πυρόλυσης ψεκασμού φλόγας (Flame Spray Pyrolysis, FSP) που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση μεμονωμένων και σύνθετων NPs με υψηλή καθαρότητα και βελτιωμένα μορφολογικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά. Ακολούθησε χαρακτηρισμός των NPs με περίθλαση ακτίνων Χ (powder X ray Diffraction, pXRD), με ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (Transmission Electron Microscopy, TEM) και με δυναμική σκέδαση φωτός (Dynamic Light Scattering, DLS). Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η ενδεχόμενη γενοτοξική και κυτταροτοξική δράση των NPs παρουσία και απουσία δύο χαρακτηρισμένων HAs (Humic acid-like-polycondensate, HALP; Leonardite Humic Acid, LHA) σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα με την εφαρμογή της τεχνικής των μικροπυρήνων με χρήση της κυτταροχαλασίνης-Β (Cytokinesis Block Micronucleus assay, CBMN assay). Η έκπλυση ιόντων Zn2+ προσδιορίστηκε στα ιζήματα των λεμφοκυττάρων που προέκυψαν από την τεχνική CBMN, μέσω της ανοδικής αναδιαλυτικής βολταμμετρίας (Anodic Stripping Voltammetry, ASV). Έπειτα, οι τοξικές επιδράσεις των NPs παρουσία και απουσία των δύο HAs μελετήθηκαν στο βακτήριο Vibrio fischeri με τη χρήση του συστήματος Microtox. Τέλος, εξετάστηκαν οι κυτταροτοξικές και οξειδωτικές επιδράσεις των NPs σε αιμοκύτταρα του μυδιού Mytilus galloprovincialis, μέσω προσδιορισμού (α) της λυσοσωμικής αποσταθεροποίησης (Τεχνική ουδέτερου ερυθρού/Neutral Red Retention Time), (β) της παραγωγής σουπεροξειδικών ανιόντων, (γ) της παραγωγής οξειδίων του αζώτου (υπό μορφή νιτρωδών) και (δ) των επιπέδων λιπιδικής υπεροξείδωσης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, στην περίπτωση της τεχνικής CBMN, δεν υπήρξε εκδήλωση γενοτοξικών φαινομένων σε καμία περίπτωση, για κανένα από τα υπό μελέτη NPs τόσο παρουσία όσο και απουσία των δύο HAs. Από την άλλη πλευρά, όλα τα NPs εκδήλωσαν κυτταροτοξική δράση. Ωστόσο, αν και τα Ag και ZnO-Ag NPs οδήγησαν σε επαγωγή κυτταροτοξικότητας παρουσία και απουσία των δύο HAs, τα μίγματα των ZnO NPs με τα δύο HAs ελάττωσαν την κυτταροτοξικότητα που προκλήθηκε από τα μεμονωμένα ZnO NPs. Αναφορικά με τα ποσοστά έκπλυσης ιόντων Zn2+, παρατηρήθηκε ότι οι μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των μιγμάτων (ZnO, ZnO-Ag)NPs-HAs διατήρησαν ένα μικρό ποσοστό ιόντων, ενώ στις υπόλοιπες περιπτώσεις το ποσοστό ήταν αμελητέο. Στην περίπτωση προσδιορισμού της τοξικότητας των NPs έναντι του βακτηρίου Vibrio fischeri, διαπιστώθηκε ενισχυμένη τοξικότητα των ZnO και ZnO-Ag NPs ενώ τα Ag NPs εμφάνισαν τη μικρότερη τοξική δράση. Ο συνδυασμός με τα δύο HAs δεν οδήγησε σε κάποια σημαντική αλλαγή της τοξικότητας σε σύγκριση με τα μεμονωμένα NPs, στην περίπτωση των ZnO και ZnO-Ag NPs. Αντιθέτως, τα μίγματα Ag NPs-HAs ελάττωσαν την τοξικότητα που προκλήθηκε από τα μεμονωμένα Ag NPs. Όσον αφορά τις επιδράσεις των NPs στα αιμοκύτταρα των μυδιών, διαπιστώθηκε ότι κάθε NP διέθετε διαφορετικό μηχανισμό εκδήλωσης τοξικότητας. Συγκεκριμένα, τα ZnO NPs - μέσω του επιφανειακού τους φορτίου και της σωματιδιακής συσσωμάτωσης - ενδέχεται να εισέλθουν στα κύτταρα πριν την εκδήλωση κυτταρικής θνησιμότητας, ενώ η απελευθέρωση των ιόντων Zn2+ μπορούσε να οδηγήσει στην παραγωγή ριζών μέσω διέγερσης της διαδικασίας της αναπνευστικής έκρηξης. Αντιθέτως, η παρατηρούμενη κυτταρική και οξειδωτική καταπόνηση που προκλήθηκε από τα Ag NPs, πιθανότατα λόγω της απελευθέρωσης ιόντων Ag+, δε φάνηκε να σχετίζεται με την αναπνευστική έκρηξη. Ομοίως, οι κυτταρικές και οξειδωτικές βλάβες που προκλήθηκαν από τα ZnO-Ag NPs, υπέδειξαν την παρουσία ανταγωνιστικής/συνεργιστικής δράσης μεταξύ των μεταλλικών ιόντων (Zn2+, Ag+) που ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες μπορούν να ρυθμίσουν τη συμπεριφορά και τις βιολογικές επιδράσεις του σύνθετου NP. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τη δυνατότητα των νεοσυντιθέμενων ZnO, Ag και ZnO-Ag NPs να προκαλούν τοξικές, κυτταροτοξικές και οξειδωτικές επιδράσεις. Παρόλα αυτά, διαπιστώθηκε ότι οι επιδράσεις των NPs ποικίλουν τόσο μεταξύ των ίδιων των NPs, όσο και μεταξύ των τεχνικών και των οργανισμών μοντέλων και/ή κυττάρων που χρησιμοποιήθηκαν. Κατά συνέπεια, είναι εμφανές ότι είναι αναγκαίο να αξιολογείται το τοξικολογικό προφίλ των NPs με τη χρήση ενός εύρους τεχνικών, βιοδεικτών και περιβαλλοντικών σεναρίων, καθώς και να γίνεται παράλληλα ένας ολοκληρωμένος και αξιόπιστος χαρακτηρισμός αυτών σε κάθε περίπτωση.