Assessing toxicity of ionic liquids utilizing zebrafish, cells, and liposomes

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4414-0
Julkaisun nimi: Assessing toxicity of ionic liquids utilizing zebrafish, cells, and liposomes
Tekijä: Ruokonen, Suvi-Katriina
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Kemian ja molekyylitutkimuksen tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: Ionic liquids are molten salts, with melting points usually below 100 °C. Because the physical and chemical properties of ionic liquids are easily tunable by combining different ionic liquid cations and anions, has their use become more popular in many pharmaceutical and industrial applications. Despite their “green reputation”, due to their low vapor pressures and growing use, there is only little information on the toxicity of ionic liquids, effects on the environment, and long-term impacts. Many ionic liquids are water-soluble and lipophilic, thus they can bioaccumulate in aqueous organisms and furthermore in animals at higher trophic levels and eventually even to humans. This doctoral thesis describes how a group of phosphonium-, imidazolium-, and guanidinium based ionic liquids interact with zebrafish, various cell lines, and biomimicking phospholipid vesicles (liposomes). The ionic liquids in this study are potential biomass dissolvers. Further, the ionic liquids were chosen to have different chain lengths or core atoms. The aim of the study was to determine how the selection of a target organism, cation chain length, and especially anion chain length of phosphonium-based ionic liquids affect the ionic liquid toxicity. In addition, a long-term exposure to potential biomass dissolving ionic liquids was assessed using adult zebrafish. These results were utilized to find novel methodologies to evaluate ionic liquid toxicity without the use of living organisms, using solely cell membrane mimicking liposomes. To investigate the influence of ionic liquids on cell rupturing, hemolysis and a real-time cytotoxicity assay were performed and the results were compared with liposome integrity information. Differential scanning calorimetry was used to study the penetration of the ionic liquid into the lipid bilayer. The effect of ionic liquids on the size and the zeta potential of negatively charged liposomes, were assessed in order to obtain information on the changes in the diameter and surface charge of the liposomes. In addition, nuclear magnetic resonance spectroscopy, more specifically diffusion ordered spectroscopy was utilized for studying whether the ionic liquids occur as unimers or aggregates and if they are attached to the lipid bilayer. By comparing the toxicity results obtained from the zebrafish and cytotoxicity assays to the lipid bilayer rupturing information, it was possible to predict the mechanism of toxicity of ionic liquids. Thus, the ionic liquids could be divided into three groups based on their toxicity mechanism: 1) plasma membrane rupturing ionic liquids, 2) ionic liquids that have an effect on both the cell membrane integrity and the cell metabolism, and 3) ionic liquids affecting solely on the cell metabolism.Ioniset nesteet ovat sulia suoloja, joiden sulamispisteet ovat yleensä alle 100 °C. Koska ionisten nesteiden fyysiset ja kemialliset ominaisuudet ovat helposti muokattavissa, yhdistämällä erilaisia kationeja ja anioneja, on niiden käyttö yleistynyt monissa lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa. Ionisten nesteiden myrkyllisyydestä, vaikutuksista ympäristöön ja pitkäaikaiskäytöstä on vain vähän tietoa huolimatta niiden alhaisten höyrynpaineiden aiheuttamasta ”vihreästä maineesta” ja niiden kasvavasta käytöstä. Monet ioniset nesteet ovat vesiliukoisia ja lipofiilisia ja voivat siten bioakkumuloitua vesistöjen organismeihin, ravintoketjun korkeammilla tasoilla oleviin eläimiin sekä lopulta jopa ihmisiin. Tämä väitöskirja kuvaa miten ryhmä fosfonium-, imidatsolium-, ja guanidiniumperäisiä ionisia nesteitä vuorovaikuttaa seeprakalojen, erilaisten solujen ja biomallintavien fosfolipidivesikkelien (liposomi) kanssa. Tässä työssä käytetyt ioniset nesteet ovat potentiaalisia biomassan liuottajia, joiden atomien ytimet sekä ketjujen pituudet vaihtelevat. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää miten kohdeorganismin valinta, fosfoniumperäisten ionisten nesteiden kationin ketjun pituus, sekä varsinkin anionin ketjun pituus vaikuttaa ionisten nesteiden myrkyllisyyteen. Lisäksi, ionisten nesteiden pitkäaikaisvaikutuksia arvioitiin käyttämällä aikuisia seeprakaloja. Näitä tuloksia hyödynnettiin, jotta löydettäisiin uusia menetelmiä, joissa elävien organismien sijaan voitiin käyttää yksinomaan solukalvoja mallintavia liposomeja. Ionisten nesteiden vaikutusta solujen hajoamiseen tutkittiin hemolyysin ja reaaliaikaisen sytotoksisuusanalyysin avulla ja näitä tuloksia verrattiin liposomien eheystuloksiin. Differentiaalista pyyhkäisykalorimetria käytettiin selvittämään miten ioniset nesteet tunkeutuvat lipidikaksoiskerrokseen. Ionisten nesteiden vaikutusta negatiivisesti kokonaisvarautuneiden liposomien kokoon ja zetapotentiaaliin tutkittiin kuvaamaan miten ioniset nesteet vaikuttavat liposomien halkaisijaan sekä pintavaraukseen. Lisäksi, ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa, tarkemmin diffuusio-erotteista spektroskopiaa, hyödynnettiin selvittämään ilmenevätkö ioniset nesteet unimeereina vai aggregaatteina ja ovatko ne kiinnittyneet lipidikaksoiskerroksen pintaan. Yhdistämällä seeprakaloista ja sytotoksisuusanalyyseista saadut tulokset lipidikaksoiskerroksen hajoamistuloksiin, oli mahdollista ennustaa ionisten nesteiden toksisuusmekanismi. Näin ollen ioniset nesteet voitiin jakaa kolmeen ryhmään: 1) plasmamembraanin hajottavat ioniset nesteet, 2) ioniset nesteet, jotka vaikuttavat sekä solun eheyteen että solun aineenvaihduntaan ja 3) ioniset nesteet, jotka vaikuttavat vain solun aineenvaihduntaan.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4414-0
http://hdl.handle.net/10138/242102
Päiväys: 2018-10-12
Avainsanat:
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä

Tähän julkaisuun ei ole liitetty tiedostoja

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot