Untersuchung der Veränderungen des Zytoskeletts in humanen Lungenmakrophagen in Abhängigkeit des Aktivierungszustandes der kleinen Rho-GTPasen aufgrund der Interaktionen mit synthetischen Nanopartikel

Abstract

Metalloxide sind die derzeit wichtigsten kommerziell verarbeiteten Nanopartikel (NPs). Ziel dieser Arbeit war es, synthetisch hergestellte NPs auf Silika- und Zirkoniumdioxid-Basis zu charakterisieren und Interaktionen mit vor allem humanen Alveolarmakrophagen zu untersuchen. In Makrophagen konnte via MTT-Test erst bei hohen Konzentrationen eine akute Toxizität durch ZrO2-NPs nachgewiesen werden. Mikroskopische Aufnahmen von perinukleär lokalisierten Teilchenclustern der untersuchten SiO2-NPs wurden als Grundlage zur Erforschung der intrazellulären Teilchen-Dynamik verwendet. Die Quantifizierung des für die meisten zellulären Aufnahmeprozesse essentiellen F-Aktins ergab nach Inkubation mit NPs einen Anstieg des fibrillären Aktingehalts. Als zentrale Regulatoren der Aktin-Dynamik wurden die kleinen Rho-GTPasen (RhoA, Rac1 und Cdc42) auf einen veränderten Aktivierungsgrad nach Inkubation mit SiO2-NPs untersucht. Ob und wie stark die Rho-GTPasen aktiviert wurden, war dabei abhängig von der jeweils zu betrachtenden GTPase, Oberflächenmodifikation und Konzentration der Partikel, sowie der jeweiligen Zellspezies. In humanen Interstitiellen Makrophagen konnte nach Exposition von nicht-PEGylierten SiO2-NPs via EMSA eine erhöhte Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-kB gezeigt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen dazu beitragen, die Toxizität und das inflammatorische Potential der verwendeten Nanomaterialien realistisch einzuschätzen.

There is an increasing exposition of humans to engineered Nanoparticles (NPs) that are present in a wide range of commercially available products, consisting of metal oxides representing actually the commercially most important NPs. Aim of this dissertation was to characterize technical silica and zirconium nanoparticles and to investigate the interactions with human lung macrophages. In macrophages, an acute toxicitiy was shown for zirconia NPs in high concentrations after an incubation time of 24 hours. Based on the microscopic images, it has been possible to develop a stochastic simulation of particle transport and particle dynamics in macrophages. Quantification of F-actin resulted in an increase after incubation with PEGylated and non-PEGylated silica NPs. The small Rho-GTPases (RhoA, Rac1 and Cdc42) play a pivotal role in regulating actin dynamics. Degree of activation depended on the selection of cell species, GTPase, surface modification and concentration of NPs. Investigations had to be carried out about how far small Rho-GTPases in macrophages are able to activate NF-kB after incubation with NPs. Results of EMSAs performed with interstitial macrophages incubated with non-PEGylated silica NPs showed an increase in NF-kB activation. Investigations in the context of this work are absolutely essential for the safe handling with nanomaterials. The findings are supposed to provide assessment of toxicity and inflammatory potential of the used nanomaterials.