Biochemiczno-biofizyczne aspekty cytotoksycznego działania nanocząstek tlenku cynku

Abstract

Nanocząstki tlenku cynku (ZnO-NPs) wykazują unikalne właściwości przeciwdrobnoustrojowe, fotokatlityczne, a także są doskonałym filtrem promieniowania ultrafioletowego. Ich wszechstronne użycie prowadzi do wzrostu stężenia tych substancji w środowisku, co może mieć wpływ nie tylko na ludzi i zwierzęta, ale także na rośliny uprawne. W prezentowanej pracy doktorskiej zbadano toksyczność komercyjnych nanocząstek tlenku cynku ze szczególnym uwzględnieniem mechanizmu ich interakcji z membraną komórkową. Badania przeprowadzono w układach modelowych na czterech liniach komórkowych wykorzystanych jako model ludzkich komórek układu immunologicznego, dwóch liniach komórek czerniaka, na komórkach kalusa pszenicy dwóch odmian oraz monowarstwach lipidowych wytworzonych techniką Langmuir'a. Oceniono aktywność mitochondrialną, integralność błony, stopień utleniania lipidów, indukcję stanu zapalnego i aktywację szlaku apoptozy, aby określić różnice w odpowiedzi komórkowej na badane nanocząstki. Następnie zbadano interakcję ZnO-NPs z modelem lipidowej części membrany badanych komórek oraz poszczególnymi lipidami. Udowodniono, że początkowym etapem działania ZnO-NPs na błony komórkowe jest przyciąganie elektrostatyczne. Wskazano lipidy PC, PE oraz cholesterol jako te, które najchętniej oddziałują z ZnO-NPs. Efektem działania nanocząstek ZnO na poziomie komórkowym jest uszkodzenie mitochondriów, co prowadzi do aktywacji kaskady kaspaz i w konsekwencji do apoptozy komórek. ZnO-NPs powodują również peroksydację lipidów błonowych. Rosnące zanieczyszczenie środowiska naturalnego nanocząsteczkami może nie tylko powodować krotko- i długoterminowe skutki dla organizmu ale także wpłynąć na produktywność upraw roślin ważnych rolniczo takich jak pszenica. Wykazano także, że promieniowanie UV wzmacnia toksyczne działanie nanocząstek głównie poprzez osłabienie zdolności obronnych komórki. Nie wykazano kluczowej roli wielkości ZnO-NPs oraz jonów cynku na ich cytotoksyczność.

Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) exhibit unique antimicrobial and photocatlitic properties, and are an excellent filter for ultraviolet radiation. Their widespread use leads to an increase of these substances in the environment, which may affect not only humans and animals, but also crops. The presented doctoral thesis investigated the toxicity of commercial zinc oxide nanoparticles with particular emphasis on the mechanism of their interaction with the cell membrane. The studies were performed in model systems on four cell lines used as a model of human immune system cells, two melanoma cell lines, on the wheat callus cells of two cultivars, and on lipid monolayers obtained by the Langmuir technique. Mitochondrial activity, membrane integrity, degree of lipid oxidation, induction of inflammation, and activation of the apoptotic pathway were assessed to determine differences in cellular responses to the nanoparticles. Then, the interaction of ZnO-NPs with the model of the lipid part of the membrane of the studied cells and with individual lipids was examined. It has been proven that electrostatic attraction is the initial step in the action of ZnO-NPs on cell membranes. PC, PE and cholesterol lipids are indicated as those most willingly interacting with ZnO-NPs. The effect of ZnO nanoparticles at the cellular level is damage to the mitochondria, which leads to the activation of the caspase cascade and, consequently, to cell apoptosis. ZnO-NPs also cause peroxidation of membrane lipids. The increasing pollution of the natural environment with nanoparticles may not only cause short- and long-term effects on organisms, but may also affect the productivity of agricultural crops such as wheat. It has also been shown that UV radiation enhances the toxic effects of nanoparticles mainly by weakening the cell's defense capacity. The key role of the size of ZnO-NPs and zinc ions on their cytotoxicity has not been demonstrated.