Date of Award

1-2020

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Institute of Public Health

First Advisor

Abderrahim Nemmar

Abstract

Nanotechnology is rapidly developing, and engineered materials (ENMs) are utilized in a wide array of end-user products owing to their unique physicochemical properties. Of the various forms of ENMs, silver nanoparticles (AgNPs) have gained much attention for potential uses in commercial applications. Due to their unique features, particularly antimicrobial properties, there had been a surge in the production of AgNPs-based products, hence increasing the potential of both occupational and consumer exposure. Among the various routes of human exposure, pulmonary exposure to AgNPs has received increased interest due to their potential to cause pulmonary injury, cross the alveolar-capillary barrier, and distribute to remote organs. However, the mechanism by which pulmonary exposure to AgNPs may induce pathophysiological effects on the cardiovascular system and other major remote organs (including liver, kidney, spleen and brain) is not well understood. Thus, the primary objective of this dissertation was to evaluate, in mice, the coating [(polyvinylpyrrolidone (PVP) and citrate (CT)], time (1 day and 7-days) and dose-dependent (0.05, 0.5 and 5 mg/kg) effects of pulmonary exposure to 10 nm AgNPs, on the cardiovascular system and other major organs including liver, kidney, spleen and brain. Moreover, since AgNPs are able to translocate from the airways into the bloodstream, they can, consequently, interact with circulatory cells such as erythrocytes. However, information regarding the pathophysiological effects and possible mechanism of action of AgNPs on the erythrocytes are still inadequately studied. Hence, to address this, we evaluated the effects of PVP- and CT- AgNPs (10 nm) at three different concentrations (2.5, 10, and 40 μg/ml) on mouse erythrocytes in vitro. For the in vivo experiments, AgNPs exposure in mice was achieved by single intra-tracheal installation and various cardiac and systemic endpoints were assessed including thrombosis, inflammation, oxidative stress, DNA damage and apoptosis following 1 and 7-days of exposure. Pulmonary deposited AgNPs induced dose-dependent cardiovascular effects including thrombosis, oxidative stress, inflammation, coagulation, and apoptosis, with some of the effects persisting even after 7-days post-exposure. A biodistribution of AgNPs showed that, besides the presence of AgNPs in the lung, these nanoparticles were also found in the spleen, liver and to a lesser extent in the kidney, heart and brain. In addition, both PVP- and CT- AgNPs induced inflammation and oxidative stress in these latter organs as evidenced by significant elevations of tumour necrosis factor α, interleukin-6, glutathione, total antioxidants, nitric oxide and 8-isoprostane, as well as DNA damage and apoptosis in lung, heart, liver and brain, as shown by 8-hydroxy-2-deoxyguanosine and TUNEL assay. Our in vitro study revealed that both coatings AgNPs induced significant and dose-dependent hemolysis, oxidative stress and increase cytosolic Ca2+, annexin V binding and calpain activity. In conclusion, our data showed that firstly AgNPs deposition in the lungs induced pulmonary inflammation and oxidative stress. Secondly, the particles are translocated and distributed to the remote organs including the heart, liver, kidney, spleen and brain and caused alteration in oxidative stress markers, inflammatory cytokines, DNA damage and apoptosis. Thirdly, AgNPs induced prothrombotic actions and altered coagulation markers. Fourthly, in vitro data indicated that both PVP- and CT-AgNPs induced erythrocyte hemolysis and eryptosis. Overall, these in vivo and in vitro results, not only reinforced the previously established mechanisms of DNA damage caused by reactive oxygen species, resulting in cellular dysfunction and apoptosis but also provided a novel mechanistic insight into the pathophysiological effects and tissue distribution of AgNPs following pulmonary exposure.

Comments

تتطور التقانة النانوية بسرعة، وتستخدم المواد الهندسية في طيف واسع من منتجات المستهلك النهائي، ومرد ذلك هو خواصها الفيزيائية والكيمائية المتفردة. ومن بين الأشكال المتعددة لمنتجات المستهلك النهائي وجدت مركبات الفضة النانوية اهتماما كبيرا في العديد من الاستخدامات التجارية الممكنة. ونسبة للمزايا المتفردة التي تتمتع بها مركبات الفضة النانوية (خاصة عملها كمضادات للجراثيم) تضاعف انتاج المنتجات التي يعتمد انتاجها على هذه المركبات. وهذا مما شأنه أن يزيد من احتمال تعرض البشر في المجالات المهنية والاستهلاكية لتلك المركبات. ولقي تعرض البشر لهذه المركبات النانوية عن طريق التنفس اهتماما كبيرا نسبة لما قد تحدثه من أضرار بالرئتين، ولقدرتها على عبور الحاجز بين الشعيرات الدموية والأسناخ، وأن تتوزع إلى أعضاء في الجسم بعيدة عن الرئتين. غير أن الآلية التي يحدث بها التعرض التنفسي لمركبات الفضة النانوية آثارا فيزيولوجية – مرضية على الجهاز القلبي الوعائي، والأعضاء البعيدة الأخرى (مثل الكبد والكلى والطحال والدماغ) ليست مفهومة تماما. لذا فقد كان الهدف الرئيس من هذه الأطروحة هو تقييم تأثيرات وضع طبقة خارجي ة من مادة بولي فينيل بايرولدون والسترات على آثار التعرض لمركبات الفضة النانوية (10 nm) عن طريق التنفس في الجهاز القلبي الوعائي والأعضاء الأخرى (مثل الكبد والكلى والطحال والدماغ) في الفئران. وكان الهدف من الدراسة أيضا دراسة تأثير التعرض لتلك المركبات ليوم واحد أو سبعة أيام، ودراسة تأثير الجرعات المعطاة .(0.05, 0.5 and 5 mg/kg) وبما أن بإمكان مركبات الفضة النانوية أن تزف / تنقل من المسالك الهوائية إلى مجرى الدم، فإن بإمكانها نتيجة لذلك أن تتفاعل مع خلايا الدم (مثل كريات الدم الحمراء). إلا أن الآثار الفيزيولوجية – المرضية التي تحدثها تلك المركبات على كريات الدم الحمراء، وآلية عملها المحتملة لم تدرس بعد دراسةً وافية. لذا فقد قمنا بعمل دراسة مختبرية خارج الجسم الدراسة لتقييم آثار وضع طبقة خارجية من مادة بولي فينيل بايرولدون والسترات10nm) ) في جرعات ثلاث and 40 μg/ml) 10 (2.5 الدم الحمراء المعزولة من فئران. أما في التجارب داخل الجسم فقد قمنا بإعطاء المادة عن طريق التستيل الرغامي، وقمنا بعد ذلك بدراسة مختلف النقاط النهائية القلبية والجهازية، والتي شملت الخثار والالتهاب والاجهاد التأكسدي، وضرر الحامض النووي عقب يوم أو سبعة أيام من التعرض. وأحدث ترسب مركبات الفضة النانوية في الرئة آثارا قلبية وعائية معتمدة على الجرعة شملت الخثار والالتهاب والاجهاد التأكسدي وضرر الحامض النووي والمَوْتُ الخَلَوِيُّ المُبَرْمَ ج. وبقيت تلك الآثار حتى بعد سبعة أيام من التعرض للمركبات. ودرسنا أيضا توزيع هذه المركبات في أعضاء غير الرئة، فوجدناها في الطحال والكبد، وإلى حد أقل في الكلى والقلب والدماغ. ووجدنا أيضا أن مركبات الفضة النانوية المغطاة بمادتي بولي فينيل بايرولدون والسترا ت قد أحدثت التهابا واجهادا تأكسديا في تلك الأعضاء المذكورة كما وضح من الارتفاع المعتد به إحصائيا في عامل نخر الورم الفا، وانترليوكين – 6، وغلوتاثيون، ومضادات الأكسدة الكلية، واكسيد النتريك، ومادة 8 – ايسو بروستين، إضافة للضرر في الحامض النووي واحداث المَوْت الخَلَوِيُّ المُبَرْمَج في الرئة والقلب والكبد والدماغ، المقاس بطريقتي 8 – هيدروكسي – 2 – ديوكسي قوانيزين و TUNEL. ووجدنا في الدراسات المختبرية (خارج الجسم) أن تغطية مركبات الفضة النانوية بالمادتين المذكورتين سببت انحلالا في الدم وإجهادا تأكسديا، وزيادة في تركيز ايونات الكالسيوم في العصارة الخلوية، وفي الاتحاد مع مادة انكسين، وفي نشاط بروتين كالبين. وكانت كل تلك الأفعال معتدة إحصائيا ومعتمدة على الجرعة.

خلصت الدراسة إلى أن ترسب مركبات الفضة النانوية في الرئة قد أفضى إلى التهاب وإجهاد تأكسدي. وخلصت أيضا إلى أن هذه المركبات تنتقل من الرئة وتتوزع إلى أعضاء بعيدة عنها شملت القلب والكبد والكلى والطحال والدماغ، وتسببت في ارتفاع مؤشرات الاجهاد التأكسدي، والسيتوكينا ت الالتهابية، وكذلك في ضرر الحامض النووي واحداث المَوْتُ الخَلَوِيُّ المُبَرْمَ ج. وجد أيضا أن مركبات الفضة النانوية تسبب أفعالا تقود إلى زيادة التخثر، وتغير من مؤشرات التجلط. وأثبتت النتائج التي تحصلنا عليها من تجارب مختبرية (خارج الجسم) أن مركبات الفضة النانوية مع مادة بولي فينيل بايرولدون والسترات تسبب انحلالا في الدم وتحدث المَوْتُ الخَلَوِيُّ المُبَرْمَج في الكريات الحمراء. وعلى وجه الإجمال، النتائج المتحصل عليها من داخل وخارج الجسم لا تؤكد فقط الآليات المعروفة عن طريقة إحداث ضرر الحامض النووي الذي تسببه المواد المحدثة للتأكسد، والتي تفضي إلى اختلال وظائف الخلايا واحداث المَوْتُ الخَلَوِيُّ المُبَرْمَج، بل تعرض آلية مبتكرة للآثار المرضية – الفيزيولوجية الناتجة عن التعرض لمركبات الفضة النانوية عن طريق الرئة، وعن توزيعها في الأنسجة الأخرى.

Download

Share

COinS