Immunomodulatory Effects of Engineered Nanomaterials in Healthy and Diseased Lungs and Skin

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4715-8
Julkaisun nimi: Immunomodulatory Effects of Engineered Nanomaterials in Healthy and Diseased Lungs and Skin
Tekijä: Ilves, Marit
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Integroivien biotieteiden tohtoriohjelma
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Tiivistelmä: Nanotechnology is exerting a huge impact on various sectors of everyday life as it has a tremendous potential for revolutionizing a long list of consumer products and industrial applications. The key to success in the nanotechnology field lies in the fact that materials at the nanoscale possess novel and enhanced properties such as greater strength and improved conductivity when compared with their bulk-sized equivalents. The most probable occupational and consumer routes of exposure to engineered nanomaterials (ENM) are via the respiratory tract and skin. Due to their small size, ENM are able to bypass physical and chemical barriers in the human body and come into contact with the immune system which is capable of recognizing foreign structures including ENM. However, the downscaling of the materials also increases their chemical reactivity, which in combination with the small size and other physicochemical properties, means that ENM could influence our immune system exerting possibly beneficial but also adverse effects on our health. The aim of this thesis was to investigate modulatory effects and physiological outcomes of ENM on a healthy and a compromised immune system in the lungs and skin. The main findings of the thesis were that rigid, rod-like but not long and tangled carbon nanotubes (CNT) were able to induce a condition similar to allergic airway inflammation via activation of innate immunity. Although nanofibrillated celluloses triggered acute pulmonary inflammation, their effects subsided within one month and regardless of the material’s biopersistence, their health outcomes differed significantly from the long-term pathologies of rigid, rod-like CNT. Uncoated and functionalized CuO nanomaterials demonstrated an ability to worsen allergic asthma by eliciting pulmonary neutrophilia, however it was found that surface PEGylation significantly suppressed the inflammatory potential of the pristine CuO ENM; this effect was especially evident at the transcriptional level. Topical exposure to nano-sized ZnO in a murine model of atopic dermatitis revealed that the particles were able to pass through mechanically injured allergic skin. This penetration of the material resulted in a local inhibition of pro-inflammatory and allergic reactions and a systemic exacerbation of IgE antibody production. This work provides knowledge of pulmonary and dermal effects of ENM. The results of this thesis demonstrate that ENM with different physicochemical characteristics possess an ability to modulate our immune system. These observations emphasize the diversity and complexity of the materials as well as highlighting their impacts on the immune system and the resulting consequences on health. These data contribute to the safety assessment of ENM as well as information that can be useful in nanomedicine.Nanoteknologialla on suuri vaikutus arkielämän eri osa-alueisiin, koska sillä on valtava potentiaali mullistaa kulutushyödykkeitä ja teollisia sovelluskohteita. Nanoteknologian menestyksen avain perustuu nanokokoisten materiaalien uusiin ja paranneltuihin ominaisuuksia, kuten lujuuteen ja johtokykyyn verrattuna vastaaviin, mikrokokoisiin materiaaleihin. Sekä kuluttajat että työntekijät altistuvat todennäköisimmin teollisesti tuotetuille nanomateriaaleille (ENM, engl. engineered nanomaterials) hengitysteiden ja ihon kautta. ENM:n pienen koon vuoksi ne pystyvät ohittamaan ihmiskehon fysikaaliset ja kemialliset esteet, minkä jälkeen ne joutuvat kosketuksiin immuunijärjestelmän kanssa, joka kykenee tunnistamaan elimistölle vieraita rakenteita, kuten ENM:eja. Materiaalien partikkelikoon pienentäminen lisää myös niiden kemiallista reaktiivisuutta, joka yhdessä pienen koon ja muiden fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien kanssa tarkoittaa, että ENM:t voivat vaikuttaa immuunijärjestelmäämme, ja vaikutukset voivat olla hyödyllistä mutta myös haitallisia terveydellemme. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia ENM:ien vaikutuksia ja fysiologisia seurauksia terveessä ja heikentyneessä immuunijärjestelmässä sekä keuhkoissa että ihossa. Väitöskirjatyön päähavainnot olivat, että jäykät ja sauvamaiset, mutta eivät pitkät ja lankakerämäiset, hiilinanoputket (CNT, engl. carbon nanotubes) pystyivät aktivoimaan luontaisen immuniteetin ja aiheuttamaan samanlaisen tilan kuin allerginen hengitysteiden tulehdus. Vaikka nanofibrillimäiset selluloosat aiheuttivat akuuttia pulmonaarista tulehdusta, niiden vaikutukset vähenivät kuukaudessa ja aineen biopysyvyydestä huolimatta niiden terveysvaikutukset erosivat merkittävästi jäykän, sauvanmuotoisen CNT:n aiheuttamista pitkäaikaisista patologisista vaikutuksista. Sekä päällystämättömät että funktionalisoidut CuO-nanomateriaalit pahensivat allergista astmaa aiheuttamalla keuhkojen neutrofiliaa, mutta partikkelin pinnan PEGylaatio vähensi merkittävästi muokkaamattomien CuO ENM:n tulehdusvaikutuksia, mikä havaittiin erityisen selvästi transkriptionaalisella tasolla. Paikallinen ihoaltistuminen nano-kokoiselle ZnO:lle hiiren atopisen dermatiitin mallissa paljasti, että partikkelit kykenivät kulkemaan allergisen ihon läpi, mikä oli mekaanisesti rikkoutunut. Tämä materiaalin tunkeutuminen johti pro-inflammatoristen ja allergisten reaktioiden paikalliseen vähentymiseen, sekä IgE-vasta-ainetuotannon systeemiseen lisääntymiseen. Tämä työ antaa tietoa ENM:ien vaikutuksista keuhkoissa ja ihossa. Tämän väitöskirjatyön tulokset osoittavat, että ENM:t, joilla on erilaisia fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia, kykenevät moduloimaan immuunijärjestelmäämme. Nämä havainnot korostavat materiaalien moninaisuutta ja monimutkaisuutta, sekä korostavat niiden vaikutuksia immuunijärjestelmään ja sen seurauksia terveydelle. Nämä tiedot edistävät ENM:n turvallisuuden arviointia, ja niistä voi olla hyötyä nanolääketieteessä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4715-8
http://hdl.handle.net/10138/264092
Päiväys: 2018-12-14
Avainsanat: Immunology
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
immunomo.pdf 998.8KB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot