Systems Toxicology Approach in Nanosafety: From In vivo Towards In vitro Testing

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3732-6
Julkaisun nimi: Systems Toxicology Approach in Nanosafety: From In vivo Towards In vitro Testing
Tekijä: Kinaret, Pia
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta, biotieteiden laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: Nanotechnology and engineered nanomaterials (ENM) are providing outstanding innovations in several fields of science and technology, spanning from medicine to aeronautics. However, some ENM are known to be harmful to humans and the environment, thus, their toxic potential need to be thoroughly tested. The production of ENM is drastically increasing, making traditional toxicity testing impractical and in some cases impossible. The classical hazard assessment involves extensive animal exposures, which are not applicable to vast growing number of novel nanomaterials. Their unique properties and behaviour in biological entities are differing from their bulk sized counterparts, making predictions of the effects difficult. Thus, new efficient and rapid methods need to be developed for nanomaterial toxicity testing and hazard assessment. The main ENM exposure route to humans is through airways. Studying the effects of nanoparticles and their toxic potential on the airways is hence necessary for creating a comprehensive understanding of the ENM-induced phenotypic, cellular and molecular changes. Inhalation exposure to murine models is considered as the state of the art method for studying the pulmonary responses. This expensive and laborious method is not practical for testing all nanomaterials with all the relevant doses. In another airway exposure method, the oropharyngeal aspiration, the ENM are introduced to the airways of test animals as a liquid dispersion under anesthesia. The aspiration method is debated, since the anesthesia and the dispersion might cause additional effects and responses. In the first part of this thesis, these two different airway exposure methods were compared, aiming at understanding whether the easier and faster oropharyngeal aspiration method could substitute the time-consuming and expensive whole-body inhalation method. The conjecture was indeed valid, as both methods showed similar outcomes at cellular and molecular level in response to rigid multi-walled carbon nanotubes after four-day exposure. Since the ongoing effort in reducing laboratory animal testing in hazard assessment as well as for faster and simpler testing, methods for replacing animals are being examined also by in vitro exposures. Cell exposures are even more argued, since they do not resemble the comprehensive responses of an animal and even less of the human organism, where different cell types are interacting and communicating in very intricated manner. Novel computational methods are being developed to mine the large exposure datasets for finding relevant features, that would explain and predict the human responses to ENM from in vitro and in vivo exposures. In the second part of the thesis, the possibility to interpret the complicated pulmonary responses by examining the transcriptional patterns of human macrophages and mouse lungs when exposed to carbon nanomaterials (CNM) were investigated. Gene co-expression networks revealed specific molecular patterns related to distinct properties of the CNM, namely aspect ratio, length, diameter and surface area, but which were common between in vitro and in vivo. These results aid the establishment of systems toxicology approaches in ENM hazard assessment and the shift from the classical, animal-based hazard assessment towards predictive models, ultimately supporting the development of new “safe-by-design” nanomaterials (safe design, safe production, and safe use).Nanoteknologia ja nanomateriaalit luovat uusia innovaatioita useilla eri tieteen ja tekniikan aloilla, aina lääketieteestä ilmailuteollisuuteen. Joidenkin nanomateriaalien tiedetään olevan haitallisia ihmiselle ja ympäristölle, joten niiden mahdolliset haitalliset vaikutukset on testattava perusteellisesti. Teollisesti tuotettujen nanomateriaalien määrä kasvaa nopeasti, minkä vuoksi perinteiset toksisuustestit ovat epäkäytännöllisiä, hitaita ja joissakin tapauksissa mahdottomia suorittaa. Perinteisessä vaaran arvioinnissa käytetään laaja-alaisia eläinkokeita, joita ei kuitenkaan voida soveltaa kaikkien nanomateriaalien nopeaan ja luotettavaan testaukseen. Nanomateriaalien ainutlaatuiset ominaisuudet ja käyttäytyminen biologisessa ympäristössä eroavat saman materiaalin mikrokokoisten hiukkasten ominaisuuksista, mikä tekee nanomateriaalien vaikutusten ennustamisen haastavaksi. Näin ollen uusia, tehokkaita ja nopeita menetelmiä on kehitettävä nanomateriaalien haitallisuuden testaukseen ja vaaran arviointiin. Nanomateriaalien todennäköisin altistusreitti ihmiselle on hengitysteiden kautta. Nanohiukkasten vaikutusten tutkiminen hengitysteissä on siksi välttämätöntä niiden aiheuttamien solu-ja molekyylimuutosten ymmärtämiseksi. Hiirimallien inhalaatioaltistusta pidetään luotettavana tekniikkana keuhkojen vasteiden tutkimisessa. Tämä kallis ja työläs menetelmä ei ole käytännöllinen eikä mahdollinen kaikille nanomateriaaleille. Toisessa yleisesti käytetyssä hengitysteiden altistusmenetelmässä, faryngaalisessa aspiraatiossa, nanomateriaalit viedään nukutetun koe-eläimen hengitysteihin nestemäisenä dispersiona. Aspiraatiomenetelmän luotettavuudesta on kiistelty, sillä nukutus ja dispersio saattavat vääristää ja peittää nanomateriaalien aiheuttamia vaikutuksia ja aiheuttaa ylimääräisiä vasteita. Työn ensimmäisessä osassa verrattiin näitä kahta eri altistusmenetelmää, tarkoituksena ymmärtää, voidaanko kallis ja aikaa vievä inhalaatiomenetelmä korvata helpommalla ja nopeammalla suun kautta tapahtuvalla aspiraatiomenetelmällä. Työn tuloksena nähtiin samanlaisia vasteita, kun hiiriä altistettiin neljän päivän ajan jäykille, moniseinäisille hiilinanoputkille inhalaatio- ja aspiraatiomenetelmällä. Koska laboratorioeläinten käyttöä haitallisten aineiden testauksessa yritetään vähentää, pyrkien nopeampaan, yksinkertaisempaan ja eettisempään riskinarviointiin, eläinten korvaamista in vitro –solualtistuksilla tutkitaan ja kehitetään aktiivisesti. Solumallit ovat kiisteltyjä, sillä ne eivät muistuta eläimen ja ihmisen monimuotoisia vasteita, joissa eri solutyypit vuorovaikuttavat ja kommunikoivat hyvin monimutkaisella tavalla. Työn toisessa osassa kartoitettiin mahdollisuuksia tulkita monimutkaisia keuhkovasteita, vertaamalla ihmisen makrofagi-solulinjan ja hiiren keuhkojen transkriptiomuutoksia nanomateriaalialtistuksen seurauksena. Tulokset osoittivat, että nanomateriaalien spesifiset vasteet riippuivat partikkelin dimensioista: pituudesta, halkaisijasta, pinta-alasta, sekä pituuden ja halkaisijan suhteesta, mutta osoittivat yhtäläisyyksiä solu- ja hiirialtistusten välillä. Tulokset tukevat uusien, toksikologisten lähestymistapojen luomista nanomateriaalien vaaran arvioinnissa ja siirtymistä klassisesta eläinkoeperäisestä vaarojen arvioinnista ennustaviin solumalleihin ja mallinnukseen, tukien näin ollen myös uusien turvallisten nanomateriaalien kehittämistä (turvallinen suunnittelu, turvallinen tuotanto ja turvallinen käyttö).
URI: URN:ISBN:978-951-51-3732-6
http://hdl.handle.net/10138/228040
Päiväys: 2017-11-17
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Systemst.pdf 571.5KB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot