Characterization of the toxic potential of nanomaterials using in vitro cell models

Os nanomateriais são estruturas com uma ou mais dimensões inferiores a 100 nanómetros. Devido à sua pequena dimensão, as nanopartículas apresentam atributos únicos, tais como a sua elevada área superficial relativamente à sua massa, reactividade ou força tênsil. Estas características influenciam grandemente algumas das propriedades dos nanomateriais, como a sua hidrofobicidade, carga ou toxicidade. As propriedades das nanopartículas tornam-nas também muito úteis para o Homem, sendo aplicadas em medicina, farmácia, electrónica, cosmética, vestuário e biotecnologia, entre outras. O aumento de produção e utilização de nanomateriais tem vindo a aumentar também a possibilidade de exposição humana a este tipo de partículas, levando a preocupações relativas ao risco de toxicidade aguda ou crónica. A exposição humana pode ocorrer por diversas vias, sendo as mais relevantes a via inalatória, ingestão ou contacto com a pele. Dependendo do material e do órgão-alvo, a exposição a nanomateriais pode conduzir a diferentes consequências biológicas: a nível dos órgãos, os nanomateriais podem levar a inflamação ou a supressão do sistema imunitário e, a nível celular e molecular, a perturbações na estrutura e integridade do genoma, assim como a interacções com moléculas biológicas e inibição da actividade proteica, entre outras consequências. Um dos nanomateriais mais utilizados são os nanotubos de carbono. Estes são constituídos por grafite cilíndrica disposta numa única camada (designados nanotubos de carbono de parede simples) ou em várias (nanotubos de carbono de parede múltipla). Os nanotubos de carbono apresentam propriedades como resistência e condutividade que os tornam muito úteis em aplicações como aparelhos electrónicos, vestuário ou biomedicina; cada vez mais, portanto, se torna provável a exposição ocupacional ou ambiental a este material. A semelhança estrutural destas partículas com fibras de amianto conduziu a questões relativas à sua segurança, pelo que já foram elaborados diversos estudos relativos aos seus efeitos biológicos. Alguns trabalhos sugerem que os nanotubos de carbono têm a capacidade de produzir toxicidade associada a lesões físicas, à produção de danos oxidativos por interacção com mecanismos celulares, ou a morte celular. Outros trabalhos defendem que estas partículas não causam toxicidade relevante. O projecto de dimensão europeia “NANoREG” surgiu da necessidade de ser desenvolvida legislação e regulamentação apoiadas em conhecimento científico e adequadas à produção e ao uso actual de nanomateriais. Este trabalho teve como objectivos principais a determinação do potencial cito- e genotóxico de um conjunto de nanotubos de carbono de parede múltipla (designados NM-400 a NM-403), e a consequente tentativa de associar este potencial às características físico-químicas dos nanomateriais. Com este objectivo, a exposição por via inalatória foi analisada, pelo uso de duas linhas celulares in vitro provenientes de tecidos do tracto respiratório: epitélio pulmonar (células A549) e epitélio brônquico (células BEAS-2B). A citotoxicidade dos nanotubos de carbono foi analisada com base em três parâmetros. Em primeiro lugar, as células foram contadas após a exposição aos nanomateriais utilizando o corante azul de tripanao para excluir as células inviáveis; a contagem foi realizada 3 e 24 horas após a exposição das células aos nanotubos. Os resultados deste ensaio apontam para a ausência de citotoxicidade após a exposição mais curta, e dados inconsistentes após a mais longa. Em segundo lugar, foi realizado o ensaio clonogénico, que se baseia na capacidade das células de se dividirem após a exposição ao agente em estudo. Este ensaio só foi realizado nas células A549 pois as BEAS-2B não permitem a formação de colónias. Os resultados apontam para uma citotoxicidade após a exposição a todos os nanomateriais, cuja intensidade se relaciona directamente com o tamanho das partículas, assim como ao seu diâmetro e área de superfície. Em terceiro lugar, foram calculados dois índices de viabilidade no ensaio dos Micronúcleos, cujo objectivo é avaliar se as células se dividiram durante a exposição aos nanomateriais em comparação com o controlo, e cujos resultados apresentam incoerências em relação aos outros já referidos. Estes dados podem ser justificados pelas diferenças existentes entre os ensaios, como o tempo de exposição ou a densidade celular. Os efeitos genotóxicos dos nanomateriais foram avaliados com recurso aos ensaios do cometa e dos micronúcleos. O primeiro detecta lesões pequenas e reversíveis nas cadeias de DNA, ao passo que o segundo detecta efeitos irreversíveis ao nível cromossómico, tais como quebras ou perdas de cromossomas. Os resultados do ensaio do cometa sugerem que nenhum dos nanomateriais testados é genotóxico, uma vez que em ambas as linhas celulares e em ambos os tempos de exposição, os resultados são negativos. O ensaio dos micronúcleos, por outro lado, aponta para existência de genotoxicidade de dois dos nanomateriais (NM-401 e NM-402) nas células A549, mas não em células BEAS-2B. Uma possível explicação para estes dados aparentemente contraditórios pode residir na hipótese de estes nanotubos de carbono serem compostos com efeitos aneugénicos, mas não clastogénicos: o ensaio dos micronúcleos permite a detecção de ambos os mecanismos de acção, ao passo que o ensaio do cometa só revela a quebra de cadeias de DNA. Outra justificação para os resultados é a possível influência da perda de viabilidade das células analisadas. Com base nos dados do ensaio clonogénico, estas partículas apresentam elevada citotoxicidade, pelo que os resultados dos ensaios de genotoxicidade, em particular do Ensaio do Cometa, poderão ser afectados por estes efeitos. O meio de cultura usado para expor as células aos nanomateriais também é um parâmetro muito relevante na sua toxicidade. Neste trabalho, foram usados meios de cultura com proteínas, que podem ser adsorvidas pelas partículas e formar uma “corona” em seu redor; este processo pode alterar propriedades importantes dos nanomateriais, entre os quais o seu potencial efeito biológico. Também o método usado para conseguir uma dispersão homogénea de nanomateriais pode conduzir a diferenças nos resultados dos ensaios de toxicidade. Neste estudo, foram observados alguns problemas relativos à perda de homogeneidade das dispersões de nanotubos de carbono, o que pode ter conduzido a que as células fossem expostas a massas de partículas de grandes dimensões conjuntamente com partículas individualizadas. O período durante o qual as células são expostas ao nanomaterial é também um aspecto essencial na produção de efeitos tóxicos. Resumindo, este projecto forneceu informações relativas à toxicidade dos nanotubos de carbono que, complementadas pelas conclusões dos restantes parceiros do projecto europeu, poderão contribuir significativamente para a avaliação de risco e criação de legislação relativamente à utilização de nanomateriais. Na linha celular BEAS-2B, nenhum destes nanomateriais parece produzir efeitos tóxicos, quer a nível de célula, quer a nível de genoma, nas condições experimentais utilizadas. Nas células A549, por outro lado, os três nanomateriais testados parecem ser acentuadamente citotóxicos, e dois deles (NM-401 e NM-402) são também genotóxicos. Em relação a perspectivas futuras, pode-se concluir que nem todos os ensaios de toxicidade existentes actualmente são adequados à análise de nanopartículas, pelo que novas metodologias devem ser desenvolvidas e complementadas por ensaios in vivo. Todos os estudos envolvendo nanomateriais deverão também descrever as características físico-químicas dos materiais usados, de forma a se poderem comparar os resultados com os de outros trabalhos.

Massive shift in the pneumococcal nasopharyngeal flora after the 7-valent conjugate vaccine: epidemiological studies and testing pathogenic potential in animal models

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biology/Molecular Biology by Universidade Nova de Lisboa, Instituto de Tecnologia Química e Biológica

Identification of plasmodium vivax proteins with potential role in invasion using sequence redundancy reduction and profile hidden markov models

Background: This study describes a bioinformatics approach designed to identify Plasmodium vivax proteins potentially involved in reticulocyte invasion. Specifically, different protein training sets were built and tuned based on different biological parameters, such as experimental evidence of secretion and/or involvement in invasion-related processes. A profile-based sequence method supported by hidden Markov models (HMMs) was then used to build classifiers to search for biologically-related proteins. The transcriptional profile of the P. vivax intra-erythrocyte developmental cycle was then screened using these classifiers. Results: A bioinformatics methodology for identifying potentially secreted P. vivax proteins was designed using sequence redundancy reduction and probabilistic profiles. This methodology led to identifying a set of 45 proteins that are potentially secreted during the P. vivax intra-erythrocyte development cycle and could be involved in cell invasion. Thirteen of the 45 proteins have already been described as vaccine candidates; there is experimental evidence of protein expression for 7 of the 32 remaining ones, while no previous studies of expression, function or immunology have been carried out for the additional 25. Conclusions: The results support the idea that probabilistic techniques like profile HMMs improve similarity searches. Also, different adjustments such as sequence redundancy reduction using Pisces or Cd-Hit allowed data clustering based on rational reproducible measurements. This kind of approach for selecting proteins with specific functions is highly important for supporting large-scale analyses that could aid in the identification of genes encoding potential new target antigens for vaccine development and drug design. The present study has led to targeting 32 proteins for further testing regarding their ability to induce protective immune responses against P. vivax malaria.

The potential for the use of agent-based models in ecotoxicology

This chapter introduces ABMs, their construction, and the pros and cons of their use. Although relatively new, agent-basedmodels (ABMs) have great potential for use in ecotoxicological research – their primary advantage being the realistic simulations that can be constructed and particularly their explicit handling of space and time in simulations. Examples are provided of their use in ecotoxicology primarily exemplified by different implementations of the ALMaSS system. These examples presented demonstrate how multiple stressors, landscape structure, details regarding toxicology, animal behavior, and socioeconomic effects can and should be taken into account when constructing simulations for risk assessment. Like ecological systems, in ABMs the behavior at the system level is not simply the mean of the component responses, but the sum of the often nonlinear interactions between components in the system; hence this modeling approach opens the door to implementing and testing much more realistic and holistic ecotoxicological models than are currently used.

Simulation models in farming systems research : potential and challenges

Integrated simulation models can be useful tools in farming system research. This chapter reviews three commonly used approaches, i.e. linear programming, system dynamics and agent-based models. Applications of each approach are presented and strengths and drawbacks discussed. We argue that, despite some challenges, mainly related to the integration of different approaches, model validation and the representation of human agents, integrated simulation models contribute important insights to the analysis of farming systems. They help unravelling the complex and dynamic interactions and feedbacks among bio-physical, socio-economic, and institutional components across scales and levels in farming systems. In addition, they can provide a platform for integrative research, and can support transdisciplinary research by functioning as learning platforms in participatory processes.

Potential anti-cancer effects of virgin olive oil phenols on colorectal carcinogenesis models in vitro

The traditional Mediterranean diet is thought to represent a healthy lifestyle; especially given the incidence of several cancers including colorectal cancer is lower in Mediterranean countries compared to Northern Europe. Olive oil, a central component of the Mediterranean diet, is believed to beneficially affect numerous biological processes. We used phenols extracted from virgin olive oil on a series of in vitro systems that model important stages of colon carcinogenesis. The effect the extract on DNA damage induced by hydrogen peroxide was measured in HT29 cells using single cell microgel-electrophoresis. A significant anti-genotoxic linear trend (p=0.011) was observed when HT29 cells were pre-incubated with olive oil phenols (0, 5, 10, 25, 50, 75, 100 microg/ml) for 24 hr, then challenged with hydrogen peroxide. The olive oil phenols (50, 100 microg/ml) significantly (p=0.004, p=0.002) improved barrier function of CACO2 cells after 48 hr as measured by trans-epithelial resistance. Significant inhibition of HT115 invasion (p<0.01) was observed at olive oil phenols concentrations of 25, 50, 75, 100 microg/ml using the matrigel invasion assay. No effect was observed on HT115 viability over the concentration range 0, 25, 50 75, 100 microg/ml after 24 hr, although 75 and 100 microg/ml olive oil phenols significantly inhibited HT115 cell attachment (p=0.011, p=0.006). Olive oil phenols had no significant effect on metastasis-related gene expression in HT115 cells. We have demonstrated that phenols extracted from virgin olive oil are capable of inhibiting several stages in colon carcinogenesis in vitro.

Potential Predictability and AMIP Implications of Midlatitude Climate Variability in Two General Circulation Models

Ensembles of extended Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) runs from the general circulation models of the National Centers for Environmental Prediction (formerly the National Meteorological Center) and the Max-Planck Institute (Hamburg, Germany) are used to estimate the potential predictability (PP) of an index of the Pacific–North America (PNA) mode of climate change. The PP of this pattern in “perfect” prediction experiments is 20%–25% of the index’s variance. The models, particularly that from MPI, capture virtually all of this variance in their hindcasts of the winter PNA for the period 1970–93. The high levels of internally generated model noise in the PNA simulations reconfirm the need for an ensemble averaging approach to climate prediction. This means that the forecasts ought to be expressed in a probabilistic manner. It is shown that the models’ skills are higher by about 50% during strong SST events in the tropical Pacific, so the probabilistic forecasts need to be conditional on the tropical SST. Taken together with earlier studies, the present results suggest that the original set of AMIP integrations (single 10-yr runs) is not adequate to reliably test the participating models’ simulations of interannual climate variability in the midlatitudes.

In vitro models of the human epithelial airway barrier to study the toxic potential of particulate matter

BACKGROUND: Several epidemiological studies show that inhalation of particulate matter may cause increased pulmonary morbidity and mortality. Of particular interest are the ultrafine particles that are particularly toxic. In addition more and more nanoparticles are released into the environment; however, the potential health effects of these nanoparticles are yet unknown. OBJECTIVES: To avoid particle toxicity studies with animals many cell culture models have been developed during the past years. METHODS: This review focuses on the most commonly used in vitro epithelial airway and alveolar models to study particle-cell interactions and particle toxicity and highlights advantages and disadvantages of the different models. RESULTS/CONCLUSION: There are many lung cell culture models but none of these models seems to be perfect. However, they might be a great tool to perform basic research or toxicity tests. The focus here is on 3D and co-culture models, which seem to be more realistic than monocultures.

Functionalization of PAMAM dendrimers with nitronyl nitroxide radicals as models for the outer-sphere relaxation in dentritic potential MRI contrast agents

PAMAM dendrimers functionalized with nitronyl nitroxide radicals were characterized. Quantitative determination of substitution with radicals was performed using EPR and electrochemical methods. The study of the 1H NMR relaxation of the surrounding water showed how the outer-sphere contribution to the relaxivity may be limited by the presence of the dendrimer core.

Effect sizes and standardization in neighbourhood models of forest stands: potential biases and misinterpretations

Effects of conspecific neighbours on survival and growth of trees have been found to be related to species abundance. Both positive and negative relationships may explain observed abundance patterns. Surprisingly, it is rarely tested whether such relationships could be biased or even spurious due to transforming neighbourhood variables or influences of spatial aggregation, distance decay of neighbour effects and standardization of effect sizes. To investigate potential biases, communities of 20 identical species were simulated with log-series abundances but without species-specific interactions. No relationship of conspecific neighbour effects on survival or growth with species abundance was expected. Survival and growth of individuals was simulated in random and aggregated spatial patterns using no, linear, or squared distance decay of neighbour effects. Regression coefficients of statistical neighbourhood models were unbiased and unrelated to species abundance. However, variation in the number of conspecific neighbours was positively or negatively related to species abundance depending on transformations of neighbourhood variables, spatial pattern and distance decay. Consequently, effect sizes and standardized regression coefficients, often used in model fitting across large numbers of species, were also positively or negatively related to species abundance depending on transformation of neighbourhood variables, spatial pattern and distance decay. Tests using randomized tree positions and identities provide the best benchmarks by which to critically evaluate relationships of effect sizes or standardized regression coefficients with tree species abundance. This will better guard against potential misinterpretations.

A comparison of the potential role of the tetrodotoxin-insensitive sodium channels, PN3/SNS and NaN/SNS2, in rat models of chronic pain

Alterations in sodium channel expression and function have been suggested as a key molecular event underlying the abnormal processing of pain after peripheral nerve or tissue injury. Although the relative contribution of individual sodium channel subtypes to this process is unclear, the biophysical properties of the tetrodotoxin-resistant current, mediated, at least in part, by the sodium channel PN3 (SNS), suggests that it may play a specialized, pathophysiological role in the sustained, repetitive firing of the peripheral neuron after injury. Moreover, this hypothesis is supported by evidence demonstrating that selective “knock-down” of PN3 protein in the dorsal root ganglion with specific antisense oligodeoxynucleotides prevents hyperalgesia and allodynia caused by either chronic nerve or tissue injury. In contrast, knock-down of NaN/SNS2 protein, a sodium channel that may be a second possible candidate for the tetrodotoxin-resistant current, appears to have no effect on nerve injury-induced behavioral responses. These data suggest that relief from chronic inflammatory or neuropathic pain might be achieved by selective blockade or inhibition of PN3 expression. In light of the restricted distribution of PN3 to sensory neurons, such an approach might offer effective pain relief without a significant side-effect liability.

Procedures for the identification of potential high school dropouts; a report of the Illinois Dropout Study, including selected findings of the Quincy study and suggested models for experimental programs in elementary schools, junior high schools, and high schools.

Bibliography: p. 42.