Nanomaterials - Toxic or Therapeutic?

Abstract

Nanomaterialer (NMer), slik som nedbrytningsprodukter av plast og konstruerte medikament leveringspartikler, både slippes ut i miljøet og administreres til mennesker i økende grad. Dette gjør at man stiller spørsmål ved hvilke konsekvenser denne eksponeringen kan ha for menneskers helse. Det er stor mangel på forskning i dette området, og denne avhandlingen tar sikte på å studere cytotoksiske og inflammatoriske effekter av PVC-nanoplast og medikament leveringspartikler på humane monocytter og makrofager, som er sentrale medfødte immunceller.

PVC-nanopartikler (NPer) og tre typer poly(alkylcyanoakrylat) (PACA) partikler ble undersøkt. Humane monocytter og makrofager ble behandlet med hver partikkeltype, både alene og i kombinasjon med den syntetiske TLR8-liganden CL075. Analysene ble utført ved å se på cellelevedyktighet ved bruk av LDH- og CellTiter-GloTM-analyser, mens cytokinfrigjøring ble undersøkt ved bruk av TNF ELISA. Molekylære mekanistiske studier ble utført på makrofager ved bruk av fire molekylære hemmere (Z-VAD-FMK (zVAD), MCC950, Liproxstatin, GSK872) for å få ytterligere innsikt i formene for celledød som forekommer.

Det ble vist at PCV-NPer induserer cytotoksiske effekter i monocytter aktivert ved definert stimulering av TLR8, noe som kan indikerende pyroptose. PVC-NPer alene, derimot, induserer TNF-frigjøring i både monocytter og makrofager mens cellenes levedyktighet opprettholdes. Dette kan skyldes bakteriell kontaminasjon av partiklenes overflate. PACA-partikler induserer ikke-lytisk celledød i monocytter etter 6 timer, noe som kan indikere apoptose, men studier med pan-caspase-hemmeren zVAD var ikke entydige. Lytisk celledød ble indusert i både monocytter og makrofager etter 24 timers behandling, men studier med molekylere hemmere var ikke entydige, muligens på grunn av ineffektive hemmere, eller hemmere som induserer andre former for celledød. Behandling med poly(etyl-heksyl cyanoakrylat) (PEHCA) partikler indikerte reduserte nivåer av cytotoksisitet sammenlignet med poly(etyl-butyl cyanoakrylat) (PEBCA) partikler, spesielt i makrofager, noe som kan skyldes lavere nedbrytningshastighet av PEHCA partikler.

Nanomaterials (NMs), such as breakdown products of plastic and engineered drug delivery particles, are being released into the environment as well as intentionally administered to humans, and at an increasing rate. This calls into question what consequences such exposure could have for human health. As the information about toxic effects of NMs is lacking, this thesis aims to study the cytotoxic and inflammatory effects of polyvinyl chloride (PVC) nanoplastics and drug delivery particles on human monocytes and macrophages, which are central innate immune cells.

PVC nanoparticles (NPs) and three types of poly(alkyl cyanoacrylate) (PACA) particles were investigated. Human monocytes and macrophages were treated with each particle type, both alone and in combination with the synthetic TLR8 ligand CL075. The cytotoxic analyses were carried out using LDH assays and by measuring cell viability using CellTiter-GloTM assays, while cytokine release was investigated using TNF ELISA. Molecular mechanistic studies were conducted on macrophages using four molecular inhibitors (Z-VAD-FMK (zVAD), MCC950, Liproxstatin, GSK872), to gain further insights into the modes of cell death occurring during treatment.

PVC NPs were found to induce cytotoxic effects in monocytes activated by a defined stimulus of TLR8, possibly indicating pyroptosis, while PVC NPs alone were found to induce TNF release in both monocytes and macrophages while maintaining cell viability, perhaps due to bacterial surface contaminants of the particles. PACA particles induced non-lytic cell death in monocytes after 6 hrs, possibly indicating apoptosis, but studies using the pan-caspase inhibitor zVAD were inconclusive. Lytic cell death was induced in both monocytes and macrophages after 24 hrs of treatment, but molecular mechanistic studies were indeterminate, perhaps due to inefficiency of the inhibitors, or inhibitors inducing other modes of cell death. Treatment with poly(ethyl-hexyl cyanoacrylate) (PEHCA) particles indicated reduced levels of cytotoxicity compared to poly(ethyl-butyl cyanoacrylate) (PEBCA) particles, especially in macrophages, which may be due to the slower degradation rate of PEHCA particles.