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Ag- but not ZnO-nanoparticles disturb the airway epithelial barrier at subtoxic concentrations
(2023)
Inhalation is considered to be the most relevant source of human exposure to nanoparticles (NPs); however, only a few investigations have addressed the influence of exposing the respiratory mucosal barrier to subcytotoxic doses. In the nasal respiratory epithelium, cells of the mucosa represent one of the first contact points of the human organism with airborne NPs. Disruption of the epithelial barrier by harmful materials can lead to inflammation in addition to potential intrinsic toxicity of the particles. The aim of this study was to investigate whether subtoxic concentrations of zinc oxide (ZnO)- and silver (Ag)-NPs have an influence on upper airway barrier integrity. Nasal epithelial cells from 17 donors were cultured at the air–liquid interface and exposed to ZnO- and Ag-NPs. Barrier function, quantified by transepithelial electrical resistance (TEER), decreased after treatment with 10 µg/mL Ag-NPs, but FITC-dextran permeability remained stable and no change in mRNA levels of tight junction proteins and E-cadherin was detected by real-time quantitative PCR (RT-qPCR). The results indicate that subtoxic concentrations of Ag-NPs may already induce damage of the upper airway epithelial barrier in vitro. The lack of similar disruption by ZnO-NPs of similar size suggests a specific effect by Ag-NPs.
Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) are widely utilized, for example in manufacturing paints and in the cosmetic industry. In addition, there is raising interest in the application of NPs in stem cell research. However, cytotoxic, genotoxic and pro-inflammatory effects were shown for NPs. The aim of this study was to evaluate the impact of ZnO-NPs on cytokine secretion and differentiation properties of human adipose tissue-derived stromal cells (ASCs). Human ASCs were exposed to the subtoxic concentration of 0.2 mu g/mL ZnO-NPs for 24 h. After four weeks of cultivation, adipogenic and osteogenic differentiation procedures were performed. The multi-differentiation potential was confirmed histologically and using polymerase chain reaction (PCR). In addition, the gene expression of IL-6, IL-8, vascular endothelial growth factor (VEGF) and caspase 3 was analyzed. Over the course of four weeks after ZnO-NPs exposure, no significant differences were detected in the gene expression of IL-6, IL-8, VEGF and caspase 3 compared to non-exposed cells. The differentiation was also not affected by the ZnO-NPs. These findings underline the fact, that functionality of ASCs is likely to be unaffected by ZnO-NPs, despite a long-term disposition of NPs in the cells, supposing that the starting concentration was safely in the non-toxic range. This might provide important information for single-use nanomedical applications of ZnO-NPs.
Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NP) are widely spread in consumer products. Data about the toxicological characteristics of ZnO-NP is still under controversial discussion. The human skin is the most important organ concerning ZnO-NP exposure. Intact skin was demonstrated to be a sufficient barrier against NPs; however, defect skin may allow NP contact to proliferating cells. Within these cells, stem cells are the most important toxicological target for NPs. The aim of this study was to evaluate the genotoxic and cytotoxic effects of ZnO-NP at low-dose concentrations after long-term and repetitive exposure to human mesenchymal stem cells (hMSC). Cytotoxic effects of ZnO-NP were measured by the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay. Furthermore, genotoxicity was evaluated by the comet assay. For long-term observation over 6 weeks, transmission electron microscopy (TEM) was applied. The results of the study indicated cytotoxic effects of ZnO-NP beginning at high concentrations of 50 μg/mL and genotoxic effects in hMSC exposed to 1 and 10 μg/mL ZnO-NP. Repetitive exposure enhanced cyto- but not genotoxicity. Intracellular NP accumulation was observed up to 6 weeks. The results suggest cytotoxic and genotoxic potential of ZnO-NP. Even low doses of ZnO-NP may induce toxic effects as a result of repetitive exposure and long-term cellular accumulation. This data should be considered before using ZnO-NP on damaged skin.
Diese Studie beschäftigt sich mit den toxischen Effekten von Zinkoxid Nanopartikeln (ZnO NP) auf humane Nasenschleimhautzellen. Speziell wurde eine mögliche Kumulation von DNS-Schäden und deren Reparatur analysiert. Zu diesem Zweck wurde ein dreidimensionales Kultursystem, sogenannte Miniorgankulturen, aus humaner nasaler Mukosa verwendet. Eine Charakterisierung der verwendeten Zinkoxid Nanopartikel erfolgte unter dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) und durch eine Zetapotentialmessung. Nach einer Woche Kultivierung fand eine Exposition der MOK mit einer Zinkoxid Nanopartikel Suspension in einer Konzentration von 0,1 µg/ml und 5 µg/ml statt. Als Positivkontrolle wurde in diesem Versuch 200µM Methymethansulfonat (MMS) zugesetzt. Es erfolgten drei jeweils einstündige Inkubationsphasen, wobei nach jeder Stunde ein Teil der MOKs für den Cometassay entnommen wurde. Nach dreimaliger Exposition wurden die verbliebenen MOKs für 24 Stunden zur Regeneration in unversetztem Nährmedium belassen und dann dem Cometassay zugeführt. Ergänzend wurde ein Sandwich ELISA zur Detektion von Caspase 3 durchgeführt. Zn2+ Ionen wurden im Zellkulturmedium analysiert. Der Nachweis von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erfolgte fluoreszenzmikroskopisch. Die DLS konnte eine durchschnittliche Partikelaggregatgröße von 354 nm nachweisen und das Zetapotential betrug -11,2 mV. Die im Cometassay festgestellten DNS-Schäden zeigten bei einer Zinkoxid Nanopartikel Konzentration von 0,1 µg/ml erst nach der Regenerationsphase von 24 Stunden einen signifikanten Anstieg, während 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikel zu jedem Zeitpunkt einen signifikanten Anstieg der DNS Fragmentation bewirkten. Das Ausmaß an Strangbrüchen nach 24 Stunden stieg auch hier nach 24stündiger Regenerationsphase nochmals an. 200 µM MMS induzierten ebenfalls einen signifikanten Anstieg der OTM-Werte bei einer, zwei und drei Stunden. Im Laufe der Regenerationsphase führten Reparaturmechanismen zu einem Absinken der OTM-Werte. Der Sandwich ELISA zeigte keinen signifikanten Anstieg der Caspase 3 Werte. Im Nährmedium konnte eine Zn2+ Ionenkonzentration von 2,8 µmol/ml nach einer Inkubation mit 0,1 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln festgestellt werden. Bei einer Inkubation mit 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln zeigte sich eine Ionenkonzentration von 52,7 µmol/ml. Intrazelluläre ROS konnte nur bei einer Exposition mit 5 µmol/ml Zinkoxid Nanopartikeln nachgewiesen werden. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass Zinkoxid Nanopartikel in den verwendeten Konzentrationen genotoxisch wirken, aber keine zytotoxische Wirkung entfalten. Die Schädigung kumuliert und schreitet während der Regenerationsphase noch fort. Eine multifaktorielle Schädigung der DNS, sowohl durch direkte Interaktion der Partikel mit dem Erbgut, als auch über entstandene ROS und Zn2+ Ionen, ist anzunehmen.