Transport of metal oxide nanoparticles across the human air-blood barrier : interactions with physiologically relevant media and proteins

Abstract

There is still a big gap between nanoparticle production and industrial use on one hand and the knowledge of their toxicological potential on the other. In vitro assays are a common tool to investigate toxicity of substances, but for nanoparticles, some especially dispersion related pitfalls must be recognized and bypassed prior to correct interpretation of results. One special feature of nanoparticles is the possible interaction with proteins in cell culture media and with physiological proteins as well. On one hand, those interactions can have an influence on the agglomeration state, on the other hand cell reactions and hence the toxicological potential can be altered.

Investigations with the model protein BSA or FCS, respectively, revealed differences for the adsorption onto nanoparticles, although the particles tested had very similar physico-chemical properties. BSA seemed to adsorb to the particles in different conformations, and the state of agglomeration must be taken into account to draw conclusions about protein adsorption. Protein adsorption was also confirmed for physiologically relevant Surfactant protein A to eight different nanoparticles of partially the same bulk material. Also here, differences in protein adsorption could be detected. In contrast to BSA, Sp-A does not have much impact on the agglomeration state of the particles. Inhaled particles might cross the air-blood barrier and enter the blood stream. Hence, an in vitro air-blood barrier model was adapted to transport experiments with nanoparticles. The cell culture conditions were adapted and the transport characteristics of the cells confirmed. Except two different CeO2 particles, no metal oxide nanoparticle transport could be detected.

Noch immer ist die Schere zwischen der Produktion und großtechnischer Nutzung von Nanopartikeln einerseits und deren toxikologischen Potentials andererseits recht groß. In vitro-Versuche sind ein oft genutztes Mittel zur Bestimmung der Toxizität von Substanzen, für Nanopartikel jedoch müssen in diesem Zusammenhang bestimmte Fallen erkannt und umgangen werden, um so generierte Ergebnisse richtig zu interpretieren. Eine Besonderheit von Nanopartikeln ist deren Interaktion mit Proteinen in Zellkulturmedien, aber auch mit physiologisch relevanten Proteinen. Einerseits können solche Interaktionen einen Einfluss auf den Agglomerationsgrad der Partikel, andererseits auf die Reaktion der Zelle auf einen solchen, mit Proteinen überzogenen Partikel haben. Somit kann sich das toxikologische Potential von Nanopartikeln in beide Richtungen verschieben. Bei Untersuchungen mit dem Modellprotein BSA bzw. FCS konnten Unterschiede in der Adsorption an drei Nanopartikel gleichen Materials als auch sehr ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften aufgezeigt werden. Dabei zeigte sich, dass BSA wahrscheinlich in unterschiedlichen Konformationen an die Partikel bindet. Außerdem muss, um Proteinadsorption richtig einschätzen zu können, der Agglomerationsgrad der Partikel mit einbezogen werden. Protein-Adsorption konnte nicht nur für Modellproteine, sondern auch für das physiologisch relevante Surfactant Protein A an acht verschiedene Partikel, teilweise aus gleichem Material, nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu BSA hat die Dispersion in Sp-A-haltigem Medium keinen positiven Einfluss auf das Deagglomerationsverhalten der Partikel. Inhalierte Partikel können möglicherweise die Blut-Luft-Schranke passieren und so in den Blutkreislauf gelangen. Um den Partikelübertritt zu untersuchen, wurde ein in vitro Zellkultur-Modell an die Besonderheiten von Transportversuchen mit Nanopartikeln angepasst. Die Zellkultur-Bedingungen wurden angepasst und anschließend die Transporteigenschaften der Zellen mit diesen veränderten Gegebenheiten bestätigt. Mit Ausnahme der beiden getesteten CeO2-Partikel konnte im Rahmen der Versuchsdurchführung bei keinem Nanopartikel ein Transport festgestellt werden.