Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-39791
Titel: Titanium dioxide nanoparticles and carbon nanotubes as potential stimulators of asthmatic reaction Studies in mouse model and cell culture
VerfasserIn: Harfoush, Shaza
Sprache: Englisch
Erscheinungsjahr: 2022
Erscheinungsort: Homburg/Saar
DDC-Sachgruppe: 570 Biowissenschaften, Biologie
610 Medizin, Gesundheit
Dokumenttyp: Dissertation
Abstract: The rising productions of engineered nanomaterials (ENMs) increase the risk for harmful exposure in occupational environments. Titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) and its derivatives are abundantly used in a number of medical and industrial applications. Previous studies revealed that there is increasing number of individuals with respiratory disorders when such normal individuals are exposed to these particles in vocational settings. However, little is known about how these particles affect the preexisting airway diseases such as asthma. In order to improve the understanding, we performed an ovalbumin (OVA)-induced mouse model of allergic airway inflammation. Control and asthmatic female BALB/c mice received TiO2 NPs (21 nm) intranasally. Local tissue effects and lung function were measured primarily. Further, nanoparticle distribution into extrapulmonary organs was investigated by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and scanning electron microscopy (SEM). Th1/Th2 cytokine levels were also measured in the lungs by ELISA. Our findings indicate that mice receiving OVA with TiO2 NPs developed an asthma‐like airway reaction, and enhanced eosinophil infiltration in the lung tissues of asthmatic mice compared to controls. We also found a significant increase in Th2 cytokines including Interleukin (IL) IL-4, IL 5 and IL-13 following TiO2 NP exposure. Adherent mouse alveolar macrophages were able to take up TiO2 NPs at different time points. Using SEM and ICP‐MS, we detected the nanoparticle in most of the organs of asthmatic and non-asthmatic treated mice. Next, we performed in vitro study in order to describe the toxicity of another range of nanomaterials. Three different configurations of carbon nanotubes (CNTs) including single walled carbon nanotubes (SWCNT), double walled carbon nanotubes (DWCNT), and multi walled carbon nanotubes (MWCNT) were incubated with human pulmonary epithelial cells (A549). Supernatants 7 of epithelial cell cultures were collected in order to detect the release of IL-8 and lactate dehydrogenase (LDH) by pulmonary epithelial cells. Emission scanning electron microscope (ESEM) was employed to characterize the CNTs, and to assess the modifications on the cellular surface following the exposure to the three different types of CNTs. Our results revealed the distinct differences in the levels of inflammatory response, the cellular damage, and toxicity caused by CNTs (release of LDH). Images taken by ESEM showed nanotube agglomerates and morphological changes after cellular incubation with SWCNT, DWCNT, and MWCNTs. Our data clarify the underlying mechanism of Titanium dioxide nanoparticles-induced aggravation of respiratory diseases and this suggests important implications for environmental and occupational health policy, as well as for workers and individuals exposed to these nanomaterials.
Die steigende Produktion von technischen Nanomaterialien (ENMs) erhöht das Risiko einer schädlichen Exposition im beruflichen Umfeld. Titandioxid-Nanopartikel (TiO2 NPs) und seine Derivate werden in zahlreichen medizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Zahl der Personen mit Atemwegserkrankungen zunimmt, wenn solche Personen im beruflichen Umfeld diesen Partikeln ausgesetzt sind. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie diese Partikel die bereits bestehenden Atemwegserkrankungen wie Asthma beeinflussen. Um das Verständnis zu verbessern, führten wir ein Ovalbumin (OVA)-induziertes Mausmodell für allergische Atemwegsentzündungen durch. Kontroll- und asthmatische weibliche BALB/c Mäuse erhielten intranasal TiO2 NPs (21 nm). Es wurden lokale Gewebeeffekte und die Lungenfunktion gemessen. Auch wurde die Verteilung von Nanopartikeln in extrapulmonalen Organen durch induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht. Der Th1/Th2-Zytokinspiegel wurde in den Mauslungen mittels ELISA gemessen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Mäuse, die OVA mit TiO2-NPs erhielten, eine asthmaähnliche Atemwegsreaktion entwickelten und die Infiltration mit Eosinophilen im Lungengewebe der asthmatischen Mäuse im Vergleich zu den Kontrolltieren verstärkt war. Auch gab es einen signifikanten Anstieg der Th2-Zytokine, einschließlich der Interleukine (IL) IL-4, IL-5 und IL-13 nach TiO2 NP-Exposition. Alveolarmakrophagen der Mäuse konnten zu verschiedenen Zeitpunkten TiO2 NPs aufnehmen. Mit Hilfe von SEM und ICP-MS konnten die Nanopartikel in den meisten Organen der asthmatischen und nicht asthmatischen Mäuse nachgewiesen werden. Als nächstes führten wir eine In-vitro-Studie durch, um die Toxizität einer weiteren Reihe von Nanomaterialien zu beschreiben. Drei verschiedene Konfigurationen von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), einschließlich einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), doppelwandiger Kohlenstoffnanoröhren (DWCNT) und mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) wurden mit humanen Lungenepithelzellen (A549) inkubiert. Die Überstände von Epithelzellkulturen wurden gesammelt, um die Freisetzung von IL-8 und Lactatdehydrogenase (LDH) durch Lungenepithelzellen nachzuweisen. Das Rasterelektronenmikroskop (SEM) wurde verwendet, um die CNTs zu charakterisieren und die Veränderungen auf der Zelloberfläche nach der Exposition gegenüber den drei verschiedenen Arten von CNTs zu bewerten. Unsere Ergebnisse zeigten deutliche Unterschiede im Grad der Entzündungsreaktion, der Zellschädigung und der durch CNTs verursachten Toxizität (Freisetzung von LDH). Die mit SEM aufgenommenen Bilder demonstrierten Nanoröhrenagglomerate und morphologische Veränderungen nach zellulärer Inkubation mit SWCNT, DWCNT und MWCNTs. Unsere Daten verdeutlichen den zugrunde liegenden Mechanismus mit der durch TitandioxidNanopartikel verursachten Verschlechterung von Atemwegserkrankungen. Dies deutet auf wichtige Auswirkungen auf die Umwelt- und Arbeitsschutzpolitik bei Exposition mit Nanomaterialien.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291--ds-397914
hdl:20.500.11880/35882
http://dx.doi.org/10.22028/D291-39791
Erstgutachter: Sester, Martina
Tag der mündlichen Prüfung: 18-Apr-2023
Datum des Eintrags: 24-Mai-2023
Fakultät: M - Medizinische Fakultät
Fachrichtung: M - Infektionsmedizin
Professur: M - Prof. Dr. Martina Sester
Sammlung:SciDok - Der Wissenschaftsserver der Universität des Saarlandes

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