Evaluación del impacto sobre la salud de nanopartículas inorgánicas

Abstract

La creciente utilización de nanomateriales (NM), en especial las nanopartículas (NP), tanto en la industria como en productos de la vida cotidiana, ha creado el nuevo desafío de garantizar que su desarrollo, fabricación, producción, uso y desecho de este tipo de materiales se realicen de manera segura. En este contexto, la nanotoxicología, que estudia los mecanismos toxicológicos iniciados por exposición a NP, ha ganado relevancia. Las características fisicoquímicas de las NP, tales como la composición, carga y la capacidad de intervenir en reacciones que producen especies activas del O2 pueden determinar alguno de estos mecanismos. En lo que refiere a los mecanismos bioquímicos involucrados, la iniciación de procesos inflamatorios junto con la ocurrencia de estrés oxidativo, se mencionan como procesos involucrados en los mecanismos de daño luego de la exposición a NP inorgánicas. Es por ello que el objetivo general del presente trabajo de tesis fue estudiar los mecanismos mediante los cuales la exposición a NP de naturaleza inorgánica altera el metabolismo oxidativo y la formación de especies activas del O2, y llevan a daño tisular en pulmón y corazón. Para ello, se utilizó un modelo in vivo de exposición aguda a NiNP (1 mg Ni/kg peso), AgNP (0,1 mg AgNP/kg peso) o AuNP (0,1 mg AuNP/kg peso) por instilación intranasal en ratones. Para cumplimentar estos estudios se utilizaron además modelos in vitro de exposición a AgNP (2,5 µg AgNP/mL) en células de epitelio pulmonar A549 y tejido 3D de epitelio pulmonar.En el capítulo 1 se realizó la caracterización fisicoquímica de las NP. El análisis de las mismas fue esencial para correlacionar el tamaño, morfología, estabilidad, carga eléctrica y reactividad con su toxicidad.Las NiNP y AgNP mostraron la capacidad de producir radicales hidroxilo OH?, en reacciones de tipo Fenton.En el capítulo 2 se desarrollaron técnicas de marcación de NP para el estudio de la distribución biológica de las NP inorgánicas luego de la inhalación en modelos in vivo. En ese sentido, los resultados confirmaron al pulmón como órgano con mayor deposición de NP, sin evidencias de translocación a circulación sistémica en las dosis y tiempos evaluados. En el capítulo 3 se evaluó la capacidad de las diferentes NP inorgánicas de generar estrés oxidativo a nivel pulmonar luego de una exposición aguda. Los animales expuestos a NiNP y AgNP mostraron un aumento significativo en el consumo de O2 tisular, acompañados de cambios en el sistema antioxidante que desencadenó daño oxidativo a macromoléculas. En el capítulo 4 se profundizó el análisis del metabolismo del O2 pulmonar luego de la exposición de NiNP. El uso de inhibidores específicos permitió identificar a la mitocondria y a NOX como las principales fuentes del aumento en el consumo de O2, asociado a la inhalación de NiNP. Al menos en parte, este aumento se debe a la actividad NOX, ya que el grupo tratado con un inhibidor específico disminuyó significativamente el consumo de O2 del tejido entero. Por otro lado, al inhibir la cadena respiratoria mitocondrial mediante el uso de KCN, se observó una disminución del consumo de O2 lo que confirma a la mitocondria como fuente especies activas del O2. A nivel del tejido cardiaco, se observó una alteración en el metabolismo oxidativo, representada por una disminución en el consumo de O2 tisular, alteración en el estado redox y aumento en los niveles de TBARS. Los cambios observados en el corazón serían la consecuencia de una situación de estrés oxidativo e inflamación sistémica evidenciada por activación de PMN, alteración en el estado redox y aumento en los niveles de TBARS plasmáticos.En el capítulo 5 se evaluaron los mecanismos de daño iniciados por la exposición a AgNP. La actividad de NOX y la mitocondria también resultaron las principales fuentes de consumo de O2. Una aumentada actividad del complejo I podría explicar tanto el aumento del consumo de O2 mitocondrial como el incremente en los niveles de producción de H2O2. Sin embargo, no se observaron efectos extrapulmonares, a excepción de una disminución en la respiración activa mitocondrial. Por lo tanto, se estudiaron los mecanismos por los cuales las AgNP ejercen efectos tóxicos sobre el epitelio pulmonar. Un aumento en el número total de células junto con la cantidad de proteínas presentes en el lavado broncoalveolar de animales tratados con AgNP indicó alteraciones en la permeabilidad de la barrera, que podrían ser causadas por la pérdida en la integridad de las uniones celulares, evidenciadas en el modelo tridimensional de epitelio pulmonar a través de una disminución en la resistencia transepitelial eléctrica y de la expresión de la proteína ZO-1. En concordancia con los resultados obtenidos en los tejidos enteros, las células A549 mostraron una disminución en la respiración mitocondrial basal, máxima y asociada ATP. La exposición a AgNP también produjo la activación de NOX en estas células epiteliales, y sumado al aumento la producción de H2O2 mitocondrial, explicarían la ocurrencia de estrés oxidativo y la iniciación de una respuesta antioxidante observada a través del incremento en los marcadores de daño oxidativo a macromoléculas (4-HNE) y aumento en la expresión de la enzima antioxidante HO-1, respectivamente. En conjunto, estos resultados aportan evidencia nueva sobre los mecanismos toxicológicos que llevan a daño oxidativo a nivel cardiorespiratorio luego de la exposición a NP inorgánicas. Las características fisicoquímicas de las mismas le confieren la capacidad de alterar el metabolismo del O2, iniciando daño oxidativo y cambios del epitelio pulmonar que llevarían a alteraciones en la función pulmonar. Además, la respuesta a nivel local puede generar una respuesta fisiopatológica en órganos a distancia mediante una respuesta sistémica.