TOXICKÉ ÚČINKY NANOMATERIÁLŮ POUŽÍVANÝCH VE FARMACII A MEDICÍNĚ Miloslav Pouzar Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická Ústav environmentálního a chemického inženýrství Centralizovaný rozvojový projekt MŠMT č. C29: Integrovaný systém vzdělávání v oblasti výskytu a eliminace reziduí léčiv v životním prostředí
OSNOVA PŘEDNÁŠKY Tvoří nanomateriály z hlediska toxikologie a farmakologie zvláštní skupinu? Jaké děje probíhají na rozhraní nanomateriál buněčná membrána? Jaké parametry ovlivňují biologickou aktivitu nanočástic? Jaké jsou hlavní typy nanočástic používané v medicíně? Jaké jsou hlavní přínosy a rizika jejich používání?
OSNOVA PŘEDNÁŠKY Tvoří nanomateriály z hlediska toxikologie a farmakologie zvláštní skupinu? Jaké děje probíhají na rozhraní nanomateriál buněčná membrána? Jaké parametry ovlivňují biologickou aktivitu nanočástic? Jaké jsou hlavní typy nanočástic používané v medicíně? Jaké jsou hlavní přínosy a rizika jejich používání?
Velikost [nm] NANOČÁSTICE GaAs Počet atomů Počet atomů na povrchu % atomů na povrchu 1,13 94 48 51,10000 2,26 620 192 31,00000 3,39 1962 432 22,00000 8,48 2,84 10 4 2700 9,50000 14,10 1,29 10 5 7500 5,80000 28,30 1,02 10 6 3,0 10 4 2,90000 56,50 8,06 10 6 1,2 10 5 1,50000 velikost povrch reaktivita, toxicita Ju-Nam Y., Lead J.R., Science of the Total Environment 400 (2008) 396-414
C. Buzea et al. / Biointerphases 2 (4) (2007) MR17-MR172
OSNOVA PŘEDNÁŠKY Tvoří nanomateriály z hlediska toxikologie a farmakologie zvláštní skupinu? Jaké děje probíhají na rozhraní nanomateriál buněčná membrána? Jaké parametry ovlivňují biologickou aktivitu nanočástic? Jaké jsou hlavní typy nanočástic používané v medicíně? Jaké jsou hlavní přínosy a rizika jejich používání?
INTERAKCE NPs S BIOLOGICKÝMI MEMBRÁNAMI A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557
Síla Původ a vlastnosti Dosah [nm] Hydrodynamické interakce Elektrodynamické interakce Elektrostatické interakce Solvatace Proudění a Brownův pohyb VDW -vlivinteragujících povrchů a média Vznikelektrostatické dvojvrstvy na fázovém rozhraní disociace či adsorpce a následné přitahování částic s opačným nábojem Lyofilní interagují s médiem Lyofobní neinteragují s médiem Sterické interakce Polymerní molekuly na površích anorganických částic či biopolymery pružinová repulze Polymerní můstky Nabité funkční skupiny polymerů mohou být přitahovány opačně nabytými povrchy A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557 Možný vliv na rozhraní 10 2 až Zvýšená frekvence kolizí mezi 10 6 nanočásticemi a povrchy 1 až 100 1 až 100 Obecněpřitažlivé ve vodných médiích, slabší pro biologická média a buňky Překrývající se dvojvrstvy se obvykle odpuzují mnoho materiálů má ve vodném prostředí negativně nabitý povrch 1 až 10 Lyofobní koloidy jsou stabilní, neagregují a naopak 1 až 100 1 až 100 Zvyšuje stabilitu koloidů, ovlivňuje příjem buňkami Podpora agregace a depozice zejména karboxylové skupiny dispergované ve vodných prostředích s Ca 2+ ionty
PROTEINOVÁ KORONA první fáze albumin, IgG, fibrinogen druhá fáze apolipoproteiny, koagulační faktory Vromanův efekt formování soft regionu Walkeyab C.D., Chan W.C.W., Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2780 2799
Navázání / uvolnění proteinů typ materiálu, charakter proteinů Navázání proteinů rozpouštění některých materiálů Kompetitivní vazebné interakce koncentrace proteinů a složení tělních tekutin Stav elektronů Povrchová nestabilita Hydrofobní povrch, smáčivost Chemické složeni Krystalická struktura Velikost Náboj Vazebné interakce mění povrchové napětí rekonstrukce povrchu Volný povrch, pokrytí povrchu a úhel zahnutí ovlivňuje adsorpční profily Hydrofobní/ hydrofilní interakce Elektrický náboj A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557 Sterické stínění brání vazbě
Páry elektrondíra oxidativní poškození Konformační změny proteinů ztráta enzymatické aktivity Vliv na strukturu a funkci proteinů Rekonstrukce povrchu Vláknění proteinů Změna povrchového napětí Změna konformace funkčních proteinů Opsonizace povrchu interakce s dalšími nano-bio rozhraními Expozice kryptickým epitopům Shlukování, vrstvení a nukleace proteinů Rozpoznání imunitním systémem autoimunní reakce A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557 Amyloidní vlákna
PŘESTUP NPs DO INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU Záporně nabité Neutrálni Nízká nespecifická afinita Kladně nabité Vysoká nespecifická afinita Endocytóza Endocytóza Protonová pumpa Lysozom Sharifi s. et al., Chem. Soc. Rev., 41 (2012) 2323 2343
Ligandy Difúze receptorů Uvolnění vazebné energie Vliv velikosti a tvaru Optim. průměr Klathrin Difúzní rychlostní konstanta a optimální počet interakcí ligand-receptor Vlastnosti cytoskeletu, síly ovlivňující pohyb membrány Membránová termodynamika, elasticita, heterogenita, zabalení Pohlcení částice A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557
Sílypodporující přestup částice do intracelulárního prostoru Specifické vazebné síly: interakce ligandreceptor Nespecifické vazebné síly: charakteristiky povrchu částice Uvolněné vazebné energie v místě kontaktu Optimální velikost a tvar částice Energiovězávislé složky membrán a cytoskeletu, pohybové síly: tvorba klathrinovéhováčku vážícího proteiny cytoskeletu Síly bránící přestupučástice do intracelulárního prostoru Napínání a elasticita buněčné membrány Tepelná fluktuace buněčné membrány Difúze receptorů z místa kontaktu Hydrofobní odpuzování polárních povrchů buněčnou membránou Napínání vazeb ligand-receptor, elasticita vazeb A.E.Nel et al. /NatureMaterials8 (2009) 543-557
PŘESTUP NPs DO INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU a) Fagocytóza Pevná částice b) Makropinocytóza (> 1 µm) Extracelulární kapalina Pseudopodium Cytoplazma Fagozóm Vezikul http://www.nature.com/nrd/journal/v9/n8/fig_tab/nrd2591_f2.html
PŘESTUP NPs DO INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU c) Kaveolinem řízená endocytóza ( 60 nm) Extracelulární kapalina d) Klathrinem řízená endocytóza ( 120 nm) e) Na klathrinu a kaveolinu nezávislá endocytóza ( 90 nm) Receptor Kaveola Kaveolin Klathrin Klathrinem potažený vezikul http://www.nature.com/nrd/journal/v9/n8/fig_tab/nrd2591_f2.html
PŘESTUP NPs DO INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU Aglomerát - mikročástice Nanočástice Buněčná membrána Kaveola ( 100 nm) Krug H.F., Wick P., Angrew. Chem. Int. Ed. (2011) 50, 1260-1278)
PŘESTUP NPs DO INTRACELULÁRNÍHO PROSTORU transportní mechanismus ovlivňuje toxicitu vezikuly kryjí povrch částice mechanismus Trojského koně transport obtížně internalizovatelných materiálů uvnitř dobře internalizovatelných NPs Internalizaci nanočástic kontroluje buňka méně striktně než internalizaci molekul Krug H.F., Wick P., Angrew. Chem. Int. Ed. (2011) 50, 1260-1278)
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Axonální translokace Čichový lalok Vlákna čichových nervů Elder et al. (2006) inhalace MnO (30 nm, 500 µg.m -3 ) potkan, oběma nosními dírkami (12 dní) - nárůst Mn v plicích 2- krát, v čichovém laloku 3,5-krát, jen levou nosní dírkou nárůst Mn pouze v levé části čichového laloku Simkó M., Mattsson M.O., Particle and Fibre Toxicology 2010, 7:42
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Inhalace Inhalace Dýchací cesty Přestup přes sliznice Paracelulárně? Porušení bariéry? Transcelulárně? ROS? Proliferace? Apoptóza? Sekrece? Kontraktivita? Proliferace? Apoptóza? ROS? Průduškový epitel Fibroblast Hladké svalstvo Fibróza? Y. S. Prakash, Am J PhysiolLung Cell MolPhysiol306: L393 L396, 2014
TRANSPORTNÍ JEVY - ORGANISMUS Inhalace Alveoly Porušení bariéry? Paracelulárně? Transcelulárně? ROS? Proliferace? Apoptóza? Sekrece? Epitel Endotel Imunitní odpověď Pro-zánětlivá? Prot-zánětlivá? Sraženiny? ROS? Proliferace? Apoptóza? Sekrece? Kontraktivita? Plicní Cévy Y. S. Prakash, Am J PhysiolLung Cell MolPhysiol306: L393 L396, 2014