Toxicita TiO2 NPs (pravdy, polopravdy a m

1
Toxicita TiO2 NPs(pravdy, polopravdy a mýty)

• Miloslav Pouzar
• Univerzita Pardubice
• 2014

2
Spiknutí toxikologu proti TiO2?

• "Jak dlouho ješte budou toxikologové tahat peníze
  z nás, z prumyslu, na prokazování už tolikrát
  prokázaného? Stovky studií zamerených na studium
  zdravotních následku profesionální expozice jasne
  dokládají, že je TiO2 mnohem méne škodlivý, než
  polétavý prach. V rámci inhalacních in-vivo
  studií je dokonce tato látka používána po mnoho
  let jako negativní kontrola. Muže mi tedy nekdo
  vysvetlit, proc se tím vubec ješte zabývat?"

Ing. Jan Procházka Ph.D. reditel firmy Advanced
Materials - JTJ s.r.o. (nano TiO2,
fotokatalytické aplikace) v rámci akce Kulatý
stul - Nanobezpecnost a odpovedné nakládání s
nanomateriály v CR a EU, Praha, Ústav
experimentální medicíny AV CR, Ceská
technologická platforma bezpecnosti prumyslu,
14.4.2014
3
http//www.czso.cz/csu/2013edicniplan.nsf/t/660034
4856/File/960113a04.pdf
4
Spiknutí toxikologu proti TiO2?

• Warheit D.B., DuPont Haskell Centers for Health
  and Environmental Sciences, "How to measure
  hazard/risks following exposures to nanoscale or
  pigment-grade titanium dioxide particles"

• toxikologická data o TiO2 - nedostatecná FCH
  charakterizace cástic
• krystalová struktura (rutil - pigmenty, anatas
  fotokatalytické NPs)
• velikost cástic (250 - 400 nm - pigmenty lt 100
  fotokatalytické NPs)
• povrchová úprava a pH povrchu (neupravené cástice
  "kyselejší")

• další nezbytné údaje
• stupen aglomerace v relevantním médiu
• povrchová reaktivita
• metoda prípravy/výroby vcetne úpravy povrchu
  (neutralizace)
• cistota

Warheit D.B., Toxicology Letters 220 (2013) 193 -
204
5
Spiknutí toxikologu proti TiO2?

• PMNs - neutrofilu - BAL

Potkan, intratracheální instilace
R//382nm//5,8 m2/g// Db 0,4//
R//136nm//18,2 m2/g// Db 10,1//
R//149nm//35,7 m2/g// Db 1,2
0,8 A-0,2 R// 129 nm// 53,0 m2/g// Db 23,8
Warheit D.B., Toxicology Letters 220 (2013) 193 -
204
6
Spiknutí toxikologu proti TiO2?

• in-vivo studie nesmyslne vysoké koncentrace,
  nevhodný model a zpusob aplikace
• Lee a kol. (1985) 2-letá inhalacní studie,
  potkan, TiO2 pigment gr. (10, 50 a 250 mg.m-3),
  tumory pouze u nejvyšší koncentrace
• Bermudez a kol. (2004) 13-ti týdenní inhalacní
  studie, uf-TiO2 (0,5 2 a 10 mg.m-3), fem.
  potkan, myš a krecek, krecci vetší schopnost
  vylucovat NPs než myši a potkani, u myší a
  potkanu pozorovány pri 10 mg.m-3 biomarkery
  zánetu a cytotoxicity, u potkanu též známky
  vznikající fibrózy
• Nikula a kol. (2001) inhalacní expozice ruzným
  typum cástic (uhelný prach, zplodiny z
  dieselového motoru 2mg. mg.m-3, 24 mesícu),
  celkový záchyt cástic v plicích u primátu a
  potkanu podobný, vyšší retence cástic v alveolách
  a vyšší zánetlivá reakce u potkanu
• Warheit akol. (1997) 4-týdení inhalacní studie,
  potkan, TiO2 pigment gr. a pentakarbonyl železa
  (10, 50 a 250 mg.m-3), pri nejvyšší koncentraci
  6-mesícu pretrvávající zánetlivá reakce,
  proliferace plicních bunek, zhoršené vylucování
  cástic, poškozená funkce makrofágu vliv
  pretížení plic (overload), nikoli typu cástic
  

Warheit D.B., Toxicology Letters 220 (2013) 193 -
204
7
Spiknutí toxikologu proti TiO2?

• kohortové studie - expozice v pracovním prostredí
  žádný dukaz o zvýšené incidenci ci mortalite
  rakoviny plic, nenádorových plicních a srdecních
  onemocnení
• Chen a kol. (1988) 1 576 mužu, ? 1 rok výroba
  TiO2 , 2 závody v USA
• Fryzek a kol. (2003) 4 241 osob,
  retrospektivní studie, 4 závody v USA
• Boffeta a kol. (2004) 15 017 osob, ? 1 rok
  výroba TiO2 , 11 závodu v EU
• Ellis a kol. (2010, 2014) 3 607 osob, výroba
  TiO2, DuPont 1935 - 2006

• IARC (TiO2 2006 a 2010 karcinogen trídy 2B v
  publikaci neuvedeno !!!)
• výrazná disproporce mezi výsledky
  epidemiologických studií a in-vivo testy
  inhalacní toxicity studie prokazující negativní
  korelaci mezi expozicí TiO2 a incidencí rakoviny
  plic Siemiatycki (1991) Boffetta a kol. (2001)
  Ramanakumar a kol. (2006, 2008)
• TiO2 NPs tvorí málo významnou frakci dosud
  studovaných TiO2 produktu

Warheit D.B., Toxicology Letters 220 (2013) 193 -
204
8
TiO2 mechanismy toxického úcinku
Prestup do bunek

• plicní makrofágy úcinne pohlcují pouze cástice o
  velikosti v rádu ?m, v prípade TiO2 NPs
  fagocytovány jen vetší aglomeráty volné NPs
  setrvávají dlouhodobe v plicní tkáni
• TiO2 NPs po inhalacní expozici prostupují do
  epiteliálních a endoteliálních bunek a
  fibroblastu, pohybují se v cytoplazme možnost
  interakce s bunecnými organelami

Indukce oxidativního stresu

• celá rada in-vitro testu prokázala schopnost TiO2
  NPs prostupovat do bunek, zvyšovat tvorbu ROS,
  ovlivnovat expresi genu významných antioxidacních
  enzymu, zpusobit vycerpání antioxidantu (GSH) a
  poškodit bunku (peroxidace lipidu, poškození DNA
  apod.)
• vliv UV zárení (anatas) fotoaktivované TiO2 NPs
  výrazneji indukují oxidativní stres i bez
  prítomnosti UV zárení (stejný úcinek pro anatas ?
  25 a ?100 nm)
• oxidativní stres dále vyvolává produkci
  pro-zánetlivých mediátoru (TNF?, MIP-2),
  poškození DNA a denaturaci protreinu

Skocaj M. a kol., Radiology and Oncology (2011)
227 - 247
9
Poškození mitochondrií, apoptóza
Poškození DNA
NP
Fagocytující bunky - ROS
Peroxidace lipidu
ROS
Oxidativní stres
TNF?, IL-1?, TGF-?
Tvorba mikrojader
P38-MAPK, NF-?B
Proliferace ECM
Nádory
Zánet
Fibróza
Manke A. a kol., BioMed Research International,
vol. 2013, Article ID 942916
10

• Analýza kondenzátu vydechovaného vzduchu
• Vyšetrení delníku z výroby TiO2 (11 kuráku, 9
  nekuráku, vek 35?5 let, zamestnání 9?4 roky)
• Expozice TiO2 0,1 30 mg.m3 (15 nm - 10?m, 90
  cástic ? 100 nm)

Oxidace proteinu
Markery zánetu
Pelclova D., Sborník NANOCON 2012 Conference,
Brno, Czech Rep. October 23-25.
11
TiO2 mechanismy toxického úcinku
Genotoxicita

• obvykle negativní výsledky in-vitro testu
  mutagenity (Amesuv test, mikronukleus test ap)
• genotoxicita nejcasteji jako sekundární projev
  oxidativního stresu a zánetu vliv velikosti,
  krystalické struktury ( ?anatas), povrchového
  náboje atd.
• Li a kol. (2010) - prímá interakce nano-anatasu
  s bázemi DNA jaterních bunek (ip aplikace, 14
  dní, 5-150 mg.kg-1)

Imunotoxický efekt

• Interakce s makrofágy, monocyty, leukocyty a
  dendritickými bunkami závisí na
  fyzikálne-chemických vlastnostech nanomateriálu
• apoptóza a nekróza bunek v dusledku oxidativního
  stresu prozánetlivé cytokiny
• Li a kol. (2013) intranasální instilace, anatas
  6 nm (2,5 5 a 10 mg.kg-1) , 90 dní, známky
  oxidativního stresu a zánetu vykazující závislost
  na dávce, zvýšená exprese genu regulujících
  odezvu na oxidativní stres, zánetlivou reakci a
  bunecný cyklus
• adjuvantní aktivita vznik alergií

Skocaj M. a kol., Radiology and Oncology (2011)
227 - 247
12
TiO2 mechanismy toxického úcinku
Neurotoxicita
Cit. Modifikace (velikost v nm) Expozice Model Úcinek
31 Rutil (80 nm) Anatas (155 nm) Intranasální inst. 500 ?g 15 dní Myš (Fem, CD-1) Distribuce v cichovém laloku a hipokampu oxidativní stres
92 Rutil (80 nm) Anatas (155 nm) Intranasální inst. 500 ?g 15 dní Myš (Fem, CD-1, ICR) Distribuce v hipokampu oxidativní stres ?markéry zánetu - TNF?
Anatas (5-6 nm DH 294 nm) Intranasální inst. 2,5 -10 mg.kg-1 90 dní Myš (Mal, CD-1, ICR) Konc. v mozku závislá na dávce oxidativní stres krvácení do mozku (prepocet 150 700 mg.kg-1 - 70 kg)
73 Anatas (3 nm) Intratrach. inst. 3,3 mg.kg-1 4 týdny Myš (Mal, Kunming) ? koncentrace v mozku oxidativní stres nekróza a zánet mozkové tkáne
94 Anatas (5 nm) Intragastr. adm. 5 - 50 mg.kg-1 60 dní Myš (Fem) ? NT Ach, Glu a NO ? NT NE, DA, 5-HT, DOPAC zmena enzymatické aktivity
OSHA PEL (TiO2 FPs) 15 mg.kg-1 NIOSH REL
(TiO2 NPs) 0,3 mg.kg-1 NEDO (TiO2 NPs) 1,2
mg.kg-1 Yuguan Z. a kol., Chemosphere 92
(2013) 11831189
Iavicoli I. a kol., Journal of Nanomaterials
(2012) ID 964381
13
Rizika expozice TiO2 NPs
Inhalacní

• tvorba ROS, zánet a nádorová onemocnení plic
  pomalejší vylucování NPs u lidí než u myší a
  potkanu data ze studií na potkanech relevantní
  pro odhad rizika u lidí
• Nurkiewitz a kol. (2008) potkan, inhalacní
  expozice TiO2 (21 nm, 1,5-12 mg.m-3, 240 720
  min) poškození krevních kapilár bez zjevných
  známek poškození ci zánetu plic
• prestup do mozku (axonální translokace i prestup
  z krve) neurotoxické úcinky

Orální (www.nicnas.gov.au)

• NOAEL 62,5 mg.kg-1.den-1 30 dní, 5 nm anatas,
  myš, žaludecní sonda poškození jater (zvýšená
  enzymatická aktivita, triglyceridy a cholesterol)
  pri 125 mg.kg-1.den-1 (Duan a kol. 2010)
• LOAEL 5 mg.kg-1.den-1 - 60 dní, 5 nm anatas,
  myš, žaludecní sonda imunosuprese, poškození
  jater a mozku (Hu a kol. 2010)
• TiO2 NPs (5 nm) - 60 denní aplikace žaludecní
  sondou (10 a 50 mg.kg-1.den-1 ), myš akumulace
  v játrech, hepatotoxicita a imunotoxicita
• neurotoxicita anatas 5 nm, 60 dní, 5 - 50
  mg.kg-1

Skocaj M. a kol., Radiology and Oncology (2011)
227 - 247
14
E 171 prumer 110 nm rozpetí 30 400 nm 36
cástic pod 100 nm FDA - obsah TiO2 nesmí
prekrocit 1 hmotnosti potraviny
Weir A. a kol., Environmental Science and
Technology (2012) 46, 2242 - 2250
15
Rizika expozice TiO2 NPs
Dermální

• TiO2 v opalovacích krémech od roku 1952, povolení
  FDA 1999
• velikost cástic 5 500 nm, 50 nm ideální pomer
  mezi barvou a UV opacitou (rutil), povrchová
  úprava (silika, alumina, zirkonium)
• penetracní studie obvykle záchyt NPs ve stratum
  corneum (?10 ?m mrtvých bunek, ? keratin)
• popsán prunik pres kuži bezsrsté myši (?lipidy,
  abnormální folikuly)
• Sadrieh a kol. (2010) 4-týdenní studie, TiO2
  ruzná velikost a povrchová úprava, 5 v krému,
  miniprase zvýšená koncentrace TiO2 v
  epidermis, dermis a tríselných uzlinách (v dermis
  8?10-5 aplikované dávky) 4 týdenní používání
  krému vede k prestupu 2,6?1010 cástic
• Yanagisawa a kol. (2009) intradermální injekce
  TiO2 atopická dermatitida (aktivace imunitního
  systému) vliv poškození kuže

http//www.itn.pt/sec/fis/eb/uk_eb_stratum_corneum
.htm
Skocaj M. a kol., Radiology and Oncology (2011)
227 - 247
16
Fotokatalýza
E. coli
Liou J.-W. a kol., Arch. Immunol. Ther. Exp.
(2012) 60267275
17
Rizika TiO2 NPs spojená s fotokatalýzou
Antimikrobiální aktivita

• anatas (Eg 3,2 eV), rutil (Eg 3,02 eV) ?
  387,5 a 410 nm (3 intenzity slunecního svetla)
• viry gt gram-negativní bakterie gt gram-pozitivní
  bakterie gt endospory gt kvasinky gt vláknité houby
• kompletní fotokatalytická destrukce bunecných
  komponent (za 75 h)

Rezistence

• Huang Z. a kol. (2000) - E. coli produkce
  enzymu SOD (konverze O2- na H2O2) a katalázy
  (konverze H2O2 na H2O a O2)
• Tsai T.-M. a kol. (2010) - není korelace mezi
  odolností vuci antibiotikum a TiO2, odolnost vuci
  TiO2 v nekterých prípadech spojena s tvorbou
  plasmidu

 
Markowska-Szczupak A. a kol., Catalysis Today 169
(2011) 249257
18
Rizika TiO2 NPs spojená s fotokatalýzou
Rozklad škodlivin

• pokusy s odstranováním VOCs, PAHs a NOx v
  laboratorních podmínkách ? koncentrace v ppm (? -
  konstantní, úcinnost oxidace závislá na ?) v
  reálných podmínkách koncentrace v ppb (význam ?
  ??)
• prudký pokles rychlosti oxidace pri koncentracích
  ? jednotky ppm
• oxidace smesí ? napr. inhibicní úcinek SO2

• vliv vzdušné vlhkosti ? napr. snížená adsorpce
  škodlivin, vysoká koncentrace meziproduktu
  vytlacovaných vlhkostí do plynné fáze (nedokonalá
  mineralizace)
• Gunschera J. a kol. (2009) mezi typické
  produkty fotooxidace VOCs na TiO2 patrí
  formaldehyd, formaldehyde, furfural, acetophenon,
  n-butylbutyrát, n-butyl-i-butyrát,
  n-butylpropionát, 4-heptanon, kyselina octová,
  i-butyraldehyd a krotonaldehyd
• Auvinen J. a kol. (2008) zdrojem toxických
  produktu fotooxidace muže být i degradace
  organické složky náterové hmoty

Lyu J. a kol Catalysis Today 225 (2014) 24 - 33
19
Rizika TiO2 NPs spojená s fotokatalýzou
Uvolnování TiO2 z náteru

• Kaiser a kol. (2013) zvetrávání náteru v
  klimatické komore, mletí a aplikace na bunky
  CaCo-2 (trávicí trakt nádor tlustého streva) a
  Jurkat (imunitní systém lidské T lymfocyty)

CaCo-2
Kaiser J.-P. a kol Plos One (2013) 8 (12)
e83215
20
A to je konec.. Dekuji za pozornost