Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 1

Interactiuneananoparticulelor cu tesuturile vii (4)

Prof. Alina Badanoiu

Efectul asupra tesuturilor vii

Nano tuburi de carbon

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 2

Nanotuburi de carbon CNT

armchair

zig-zag

intermediar

Jelena Kolosnjaj-Tabi, Henri Szwarc and Fathi Moussa, In vivo Toxicity Studies of Pristine Carbon Nanotubes: A Review, www.intechopen.com

SWCNT

Jelena Kolosnjaj-Tabi, Henri Szwarc and Fathi Moussa, In vivo Toxicity Studies of Pristine Carbon Nanotubes: A Review, www.intechopen.com

Diametru 0.4-20 nm

Lungime ordin mSWCNT suntasamblate prin forte Van der Waals

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 3

MWCNT Diametru pana la 50 nmLungime ordin m- Scroll- Rusian doll

Jelena Kolosnjaj-Tabi, Henri Szwarc and FathiMoussa, In vivo Toxicity Studies of Pristine Carbon Nanotubes: A Review, www.intechopen.com

Wong, Pumera, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013,15, 7755-7759

Alte proprietati CNT

Se obtin cu impuritati C sau metale(catalizatori)

Purificare CNT purificate caracter hidrofob si nu pot fi

usor dispersate Pentru a realiza dispersarea lor se

functionalizeaza cu diferite grupari(covalente/necovalente etc)

Operatii de oxidare (tratare cu acizi)

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 4

Factori care influenteaza cito/genotoxicitatea determinata de CNT Caracteristicile CNT:

Dimensiunile ( lungimea) Impuritati Prezenta la suprafata a unor grupe functionale

Teste in vitro: Linia celulara, concentratie, doza etc Tipul testului in anumite cazuri CNT

interactioneaza cu reactivii folositi (rezultateneconcludente)

Linia celulara

Teste in vivo Modul de administrare:

Inhalare, instilare aparat respirator Aplicare dermala piele, penetrare in

organism Injectare (intravenoasa, intraperitoneala, etc) Administrare orala

Factori care influenteaza cito/genotoxicitatea determinata de CNT

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 5

Teste in vitro

Trei tipuri de CNT

CNF(carbon nano fibre)

MWCNT SWCNT

C. Grabinski et al. / Carbon 45 (2007) 28282835

Linie celulara HEL30 celule keratinotice(soarece)studiu relevant pentru expunereadermala

Celule HEL30Celule tratate cu MWCNT, 10 g/mL

Celule tratate cu SWCNT, 10 g/mL

Clusteri de MWCNT in mediul de cultura

Formatiuni fibroasede SWCNT in mediulde cultura

C. Grabinski et al. / Carbon 45 (2007) 28282835

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 6

Generarea de ROS

Potentialul membraneimitocondriale dupaexpunere timp de 24 h (microscopiede fluoresenta)

(A) Control- peroxid; (B) CdO, 2.5 g/mL;(C) SWCNT, 50 g/mL; (D) MWCNT, 50 g/mL.

Ruperea membraneimitocondriale

Ruperea membranei mitocondriale

EfectEfect maimai intensintens de de generaregenerare ROS: ROS: -- SWCNTSWCNT-- crestecreste de de 33--4 4 oriori fatafata de de control;control;--MWCNTMWCNT-- crestecreste de de 33--7 7 oriori fatafata de de control;control;--efectulefectul depindedepinde de de DOZADOZA

C. Grabinski et al. / Carbon 45 (2007) 28282835

Efectele CNT

Genotoxicitate primara interactiunea directa cu ADN- secundara determinata de ROS

Fig.1. Interactiunea CNT cu celulele

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 7

Teste in vivoExpunere prin intermediul aparatului respirator

CNT pot forma, in functie si de dimensiunealor: aerosoli aglomerari

Aerosolii sunt usor inhalati si: pot formea granuloame modifica structura plamanului (fibroza) cauza pentru carcinoame (posibil)

J. Boczkowski, S. Lanone / Advanced Drug Delivery Reviews 64 (2012) 1694

Efectul CNT

Dimensiunea CNT joaca un rol important: Particule (rezultate prin aglometarea CNT) se

depoziteaza in plamanani efecte prezentateanterior

Aspect fibrilar (de ex: carbon nano fiber - CNF) actiune similara cu cea a fibrelor de azbest: afecteaza pleura creste cantitatea de celule macrofage fagocitoza

incompleta afectarea celulelor mesoteliale (cancer) CNF provoaca inflamatii mai mici comparativ cu

CNT dar au o citotoxicitate mai mare

S. Lanone et al. / Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 20632069

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 8

Fig.2. CNT prezente intr-o celula imuna din pleura

http://www.rsc.org/chemistryworld/news/2009/october/25100901.asp

Carbon nanotubes in macrophages: imaging and chemical analysis by synchrotron X-ray fluorescence microscopy, http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Highlights/2008/imaging/imaging12

Fig. 3. Reprezentarea fenomenului de fagocitoza incompleta a unui manunchi de CNT pe suprafata caruia sunt grefate nanoparticule de Fe (impuritati- catalizator)

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 9

Concluzii CNT de dimensiuni mici care pot ajunge in pleura

sunt in general eliminate prin stomate (deschideri) CNT de dimensiuni mari se acumuleaza in jurul

acestor stomateinflamatii fibroze cancer (actiune similara cu cea fibrelor de azbest)

Placa pleurala Fibroza

Administrarea intra-peritoneala(in cazul utilizarii in biomedicica)

Acumulare si agregare CNTparticule de dimensiuni m determina aparitia granuloamelor

Agregatele de dimensiuni mai mici ( ordinul nm) au fosteliminate

Fig.4 Granulom format in ficatul unui soarece, dupa 90 de zile din momentul injectarii cu SWNT

Jelena Kolosnjaj-Tabi, Henri Szwarc and FathiMoussa, In vivo Toxicity Studies of Pristine Carbon Nanotubes: A Review, www.intechopen.com

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 10

Oxidarea CNTefect asupra citotoxicitatii

Citotoxicitate CNT oxidate > CNT

Posibile explicatii: Creste posibiliatate de a interactiona cu

celulele (bioavailability) Dispersie mai buna (reduc fenomenul de

aglomerare) Ambele cauze

Defecte structurale

Pot determinaaparitia si crestereaROS

Nu s-a doveditfoarte clar ca CNT cu defectestructurale ar fi maitoxice decat celefara defecte

Hansang Kwon et al 2012 Nanotechnology 23 225704

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 11

Teste in vitroefectul CNT asupra unor liniicelulare(J.Du et all., E n v i r o n m e n t a l t o x i c o l o g y a n d p h a r m a c o l o g y 3 6 ( 2 0 1 3 ) 451462)

Teste in vivoefectul CNT asupra unor liniicelulare(J.Du et all., E n v i r o n m e n t a l t o x i c o l o g y a n d p h a r m a c o l o g y 3 6 ( 2 0 1 3 ) 451462)

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 12

Grafene

Surse de grafene Cataliza Filme transparente Electrozi Stocare de hidrogen Materiale compozite Aplicatii biologice

drug-delivery bio-assay

Tipuri de grafene A.M. Jastrzebska et all, J Nanopart Res (2012) 14:1320

Fig. 5. Mai multe straturi de grafene (a), grafena nano-film ( b), oxid de grafena (c) si oxid de grafena redus (d).

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 13

Citoxoicitatea grafene in vitro

Linie celulara A 549 cu un ciclu de 22 h S-au determinat ;

Modificari morfologice; Viabilitatea celulara; Speciile reactive de oxigen (ROS):

Y. Chang et al. / Toxicology Letters 200 (2011) 201210

Fig.5. Imagini AFM ale grafenelorutilizate:

Grosime grafene~0.9 mm

a) l-GO dim. 430 300 nmb) s-GO - dim. 780410 nmc) m-GO dim. 160 90 nm

Y. Chang et al. / Toxicology Letters 200 (2011) 201210

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 14

Fig.6. Morfologialiniei celulareA549 tratata cu 200g/mL:(a)l-GO;

(b)s-GO;

(c) m-GO;

(d) control.

430 300 nm 780 410 nm

160 90 nmNu se pun in Nu se pun in

evidentaevidentamodificarimodificari

ale ale morfologieimorfologieicelulelorcelulelor!!

Y. Chang et al. / Toxicology Letters200 (2011) 201210

Y. Chang et al. / Toxicology Letters 200 (2011) 201210

Fig.7. Viabilitatea celulelorin functie de concentratiasolutiei de grafene cu diferite dimensiuni

CitotoxicitateCitotoxicitate moderatamoderata maimai importantaimportanta pentrupentrugrafenelegrafenele de de dimensiunidimensiuni

micimici (s(s--GO) GO) sisiconcentratiiconcentratii maimai marimari!!

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 15

Fig.8. Influenta grafenelor(GO) de diferite dimensiuniasupra nivelului de ROS al celulelor de tip A549.

Y. Chang et al. / Toxicology Letters 200 (2011) 201210

StresulStresul oxidativoxidativ esteeste maimaimare mare pentrupentru grafenelegrafenelede de dimensiunidimensiuni maimai micimici

(s(s--GO) GO) sisi crestecreste cu cu concentartiaconcentartia solutieisolutiei

Fig.9. Imagini TEM ale celulelor tratate cu GO (a) si a celulei de control (b).

Y. Chang et al. / Toxicology Letters 200 (2011) 201210

Nu Nu aparapar modificarimodificari importanteimportante in in cazulcazul celulelorcelulelor tratatetratate cu GO.cu GO.

Nu se Nu se punepune in in evidentaevidenta prezentaprezenta GO in GO in interioulinterioul celuleicelulei ( fig.9a)( fig.9a)

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 16

Concluzii

Grafenele de dimensiuni mici pot induce o usoara crestere a stresului oxidativ, in corelare si cu concentratia solutie

Efectul citotoxic al grafenelor este mult maimic comparativ cu CNT

A.M. Jastrzebska et all, J Nanopart Res (2012) 14:1320

In vitroIn vitro

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 17

A.M. Jastrzebska et all, J Nanopart Res (2012) 14:1320

In vitroIn vitro

In vivoIn vivo A.M. Jastrzebska et all, J Nanopart Res (2012) 14:1320

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 18

A.M. Jastrzebska et all, J Nanopart Res (2012) 14:1320

TH=grosime

LD=latime

Anti-tumorale

Anti-bacteriene

Fulerene

Fulerene (C60) functionalizate cu diferitegrupe dispersare in solutii

Acest tip de fulerene importante pentruaplicatiile in nano-medicina

C60 nefunctionalizate pot forma agregate de dimensiuni nanometricecand sunt puse in contact cu apa la pH neutru

C.M.Sayes et all, Nano Lett., Vol. 4, No. 10, 2004

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 19

C.M.Sayes et all, Nano Lett., Vol. 4, No. 10, 2004

Fig. 10. Efectulfulerenelor nefunctionalizate(C60) sifunctionalizate, asupra viabilitatiicelulare (celuleumane)

Fig.11. Mortalitatea celulelor umane ( fibroblase dermale) cand sunt puse in contact cu diferitele specii de fulerene: nano-C60 (), C3 (), Na+2-3[C60O7-9(OH)12-15](2-3)- (), si C60(OH)24 ().

C.M.Sayes et all, Nano Lett., Vol. 4, No. 10, 2004

Interactiunea nanoparticulelor cu tesuturile vii IV FIM

Alina Badanoiu 20

Fig. 12. Influenta nanoagregatelor de fulerena (nano-C60) asupra integritatiimembranei celulare (HEPG2- celule carcinom ficat si HDF-celule dermalefibroblase)

CrestereaCrestereaconcentratieiconcentratiei de de nanonano--C60 C60 crestecresterisculriscul distrugeriidistrugerii

membraneimembranei celularecelulare

EfectEfect citotoxiccitotoxic

Concluzie

C60 nefunctionalizata are efect citotoxic ( la conc. mai mari de 20 g/mL) ca urmare a cresterii nivelului de ROS

Functionalizarea C60 reduce citotoxicitatea in cazul unor linii celulare fibroblaste dermalesi carcinom hepatic.