Toxicological Risk Assessment of Emerging Nanomaterials: Cytotoxicity, Cellular Uptake, Effects on Biogenesis and Cell Organelle Activity, Acute Toxicity and Biodistribution of Oxide Nanoparticles

The lack of toxicological data on nanomaterials makes it difficult to assess the risk related to their exposure, and as a result further investigation is required. This chapter presents the synthesis of controlled oxide nanoparticles followed by the evaluation of their safety profile or toxicity (iron, titanium and zinc oxides). The controlled surface chemistry, dispersion in several media, morphology and surface charge of these nanoparticles are presented (transmission electron microscopy, dynamic light scattering, zeta potential, X-ray photoelectron spectroscopy). Classical cytotoxic and cellular uptake studies on different cancer cell lines from liver, prostate, heart, brain and spinal cord are discussed. The incidence of nanoparticles on biogenesis and activity of cell organelles is also highlighted, as well as their biodistribution in animal models. The acute toxicity on zebrafish embryo model is also presented. Finally, the stress is put on the influence and the necessity of controlling the protein corona, a layer of plasma proteins physically adsorbed at the surface of such nanoparticles as a result of their presence in the bloodstream (or relevant biological fluids)

Effectiveness of hand washing on the removal of iron oxide nanoparticles from human skin ex vivo.

In this study, the effectiveness of washing with soap and water in removing nanoparticles from exposed skin was investigated. Dry, nanoscale hematite (α-Fe javax.xml.bind.JAXBElement@3059c7bd O javax.xml.bind.JAXBElement@2ae40c27 ) or maghemite (γ-Fe javax.xml.bind.JAXBElement@1b3855ef O javax.xml.bind.JAXBElement@384459af ) powder, with primary particle diameters between 20-30 nm, were applied to two samples each of fresh and frozen ex vivo human skin in two independent experiments. The permeation of nanoparticles through skin, and the removal of nanoparticles after washing with soap and water were investigated. Bare iron oxide nanoparticles remained primarily on the surface of the skin, without penetrating beyond the stratum corneum. Skin exposed to iron oxide nanoparticles for 1 and 20 hr resulted in removal of 85% and 90%, respectively, of the original dose after washing. In the event of dermal exposure to chemicals, removal is essential to avoid potential local irritation or permeation across skin. Although manufactured at an industrial scale and used extensively in laboratory experiments, limited data are available on the removal of engineered nanoparticles after skin contact. Our finding raises questions about the potential consequences of nanoparticles remaining on the skin and whether alternative washing methods should be proposed. Further studies on skin decontamination beyond use of soap and water are needed to improve the understanding of the potential health consequences of dermal exposure to nanoparticles

Bidirectional transfer study of polystyrene nanoparticles across the placental barrier in an ex vivo human placental perfusion model

BACKGROUND: Nanoparticle exposure in utero might not be a major concern yet, but it could become more important with the increasing application of nanomaterials in consumer and medical products. Several epidemiologic and in vitro studies have shown that nanoparticles can have potential toxic effects. However, nanoparticles also offer the opportunity to develop new therapeutic strategies to treat specifically either the pregnant mother or the fetus. Previous studies mainly addressed whether nanoparticles are able to cross the placental barrier. However, the transport mechanisms underlying nanoparticle translocation across the placenta are still unknown. OBJECTIVES: In this study we examined which transport mechanisms underlie the placental transfer of nanoparticles. METHODS: We used the ex vivo human placental perfusion model to analyze the bidirectional transfer of plain and carboxylate modified polystyrene particles in a size range between 50 and 300 nm. RESULTS: We observed that the transport of polystyrene particles in the fetal to maternal direction was significantly higher than for the maternal to fetal direction. Regardless of their ability to cross the placental barrier and the direction of perfusion, all polystyrene particles accumulated in the syncytiotrophoblast of the placental tissue. CONCLUSIONS: Our results indicate that the syncytiotrophoblast is the key player in regulating nanoparticle transport across the human placenta. The main mechanism underlying this translocation is not based on passive diffusion, but is likely to involve an active, energy-dependent transport pathway. These findings will be important for reproductive toxicology as well as for pharmaceutical engineering of new drug carriers. CITATION: Grafmueller S, Manser P, Diener L, Diener PA, Maeder-Althaus X, Maurizi L, Jochum W, Krug HF, Buerki-Thurnherr T, von Mandach U, Wick P. 2015. Bidirectional transfer study of polystyrene nanoparticles across the placental barrier in an ex vivo human placental perfusion model. Environ Health Perspect 123:1280-1286; http://dx.doi.org/10.1289/ehp.1409271

Elaboration de nanoparticules fonctionnelles : applications comme agents de contraste en IRM

Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m².g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm²) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections.Les nanoparticules d’oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m².g-1 et agrégés en assemblages d’environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d’un fluorophore (0,48 RITC/nm²) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en « batch », des nanoparticules d’oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l’aide d’un procédé hydrothermal pouvant s’étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l’eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l’utilisation de base.La cytotoxicité et l’internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d’oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l’agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques

Elaboration of functionalized nanoparticles : applications as MRI contrast agent

Les nanoparticules d’oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m².g-1 et agrégés en assemblages d’environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d’un fluorophore (0,48 RITC/nm²) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en « batch », des nanoparticules d’oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l’aide d’un procédé hydrothermal pouvant s’étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l’eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l’utilisation de base.La cytotoxicité et l’internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d’oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n’ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l’agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques.Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m².g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm²) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections

Polymer Adsorption on Iron Oxide Nanoparticles for One-Step Amino-Functionalized Silica Encapsulation

This paper presents an original method to obtain, in one step, core/shell nanoparticles grafted covalently with polymer and functionalized with amino groups. By combining polyvinyl alcohol (PVA) and silica precursors, we were able to obtain silica-coated and amino-functionalized iron oxide nanoparticles (SPIONs) cross-linked with PVA. We also showed that using silica and amino-silica precursors together significantly increased the amount of PVA covalently bonded to the SPION surface compared to using only silica precursors. This original and interesting method has high potential for the industrial development of biocompatible functionalized nanoparticles for targeting nanomedicine

Silica-coated superparamagnetic nanoparticles as contrast agent for magnetic resonance imaging: Synthesis and physicological charaterizations

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Elaboration de nanoparticules fonctionnelles (applications comme agents de contraste en IRM)

Les nanoparticules d oxyde de fer de structure spinelle ouvrent de nombreuses voies dans le domaine biomédical. Parmi les applications possibles, les propriétés superparamagnétiques des cristallites d'une dizaine de nanomètres permettent de les utiliser pour le diagnostic médical, notamment en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).Ce travail a consisté à élaborer des suspensions colloïdales de nanoparticules de magnétite ou de maghémite (nommées USPIO pour Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) compatibles avec les conditions physiologiques (pH = 7,4 et [NaCl] = 0,15 M).Par co-précipitation classique, des USPIO, de taille de cristallites de 8 nm, de surface spécifique de 110 m .g-1 et agrégés en assemblages d environ 20 nm ont été obtenus. Pour stabiliser ces nano-objets, deux voies ont été explorées. Des agents électrostatiques (acide citrique et DMSA) ont modifié la charge nette de surface des oxydes de fer. La stabilisation stérique a également été explorée par greffage de méthoxy-PEG couplés à des fonctions silanes (mPEG-Si). Par combinaison de mPEG2000-Si et de DMSA, des suspensions stables ont également été obtenues. De plus, les fonctions thiols apportées par le DMSA et présentes à la surface des agrégats se trouvent protégées de leur oxydation naturelle par l'encombrement stérique des chaînes de polymère (la formation de ponts disulfures est évitée). La post-fonctionnalisation de ces nanoparticules via ces fonctions thiols est alors possible plusieurs semaines après leur synthèse. Ce concept a été validé par post-greffage d un fluorophore (0,48 RITC/nm ) pour la détection in vitro en microscopie à fluorescence.En parallèle de cette étude en batch , des nanoparticules d oxyde de fer ont été synthétisées en continu à l aide d un procédé hydrothermal pouvant s étendre au domaine eau supercritique. En voie hydrothermale classique, des USPIO stabilisés par des ions citrates ont été obtenus en continu. Grâce aux propriétés physicochimiques de l eau supercritique, la co-précipitation de magnétite a été possible sans l utilisation de base.La cytotoxicité et l internalisation cellulaire de ces USPIO ont été évaluées sur trois modèles cellulaires (macrophages RAW, hépatocytes HepG2 et cardiomyocytes) et les efficacités comme agents de contraste en IRM de ces nanoparticles ont été mesurées sur gel et sur modèle murin et comparées à un agent de contraste commercial à base d oxyde de fer. Les nanohybrides étudiés n ont pas présenté de cytotoxicité et ont développé des pouvoirs contrastants comparables à l agent commercial. La biodistribution hépatique des nanoparticules couplées au mPEG-Si a été retardée de plus de 3 heures ouvrant la voie à des détections spécifiques.Spinel structured iron oxide nanoparticles open the way of biomedical applications of nanomaterials.Superparamagnetic properties of ten nanometer size crystallites permit to use them in diagnosis such as Magnetic Resonance Imaging (MRI).The aim of this work was to synthesize colloidal suspension of magnetite or maghemite (called USPIO for Ultrasmall SuperParamagnetic Iron Oxide) stable in physiological conditions (pH = 7.4 and [NaCl] = 0.15M).By classical co-precipitation method, UPSIO were synthesized with a mean crystallite size of 8 nm, with a specific surface area of 110 m .g-1 and an aggregate size of 20 nm. To stabilize these nano-objects, two ways were investigated. Electrostatic agents (like citric acid and DMSA) modified iron oxide surface charge. Steric stabilization was also studied by grafting methoxy-PEG coupled with a silane function (mPEG-Si).and the combination mPEG - DMSA also resulted in stable suspensions. Moreover thiols functions coming from DMSA and present on the surface of the nanoparticles were prevented from oxidation thanks to steric protection of polymer chains. Thanks to this method post-functionalization of USPIO was possible several weeks after synthesis. This concept was validated with the post-grafting of a dye (0.48 RITC per nm ) used for in vitro detection in fluorescent microscopy.Nanoparticles were also synthesized in a continuous way with a hydrothermal process which could work from soft chemistry to supercritical water. In classical hydrothermal conditions, USPIO stabilized with citrates were obtained in a continuous way. Thanks to the physico-chemical properties of supercritical water, co-precipitation of magnetite without base adding was possible.Cytotoxicity and cellular internalization assays were done with our USPIO in three cellular models (macrophages RAW, hepatocytes HePG2 and cardiomyocytes). Moreover the efficiency as MRI contrast agents were measured in gels tubes and on mice models and compared to an iron oxide commercial product. Late hepatic biodistribution (more than three hours) was proven with pegylated nanoparticles, which opens the way of specific detections.DIJON-BU Doc.électronique (212319901) / SudocSudocFranceF