Risks from accidental exposures to engineered nanoparticles and neurological health effects: A critical review

There are certain concerns regarding the safety for the environment and human health from the use of engineered nanoparticles (ENPs) which leads to unintended exposures, as opposed to the use of ENPs for medical purposes. This review focuses on the unintended human exposure of ENPs. In particular, possible effects in the brain are discussed and an attempt to assess risks is performed

Induction of Cell Activation Processes by Low Frequency Electromagnetic Fields

Electromagnetic fields (EMF) such as those from electric power transmission and distribution lines (50/60 Hz) have been associated with increased risk of childhood leukemia, cancer of the nervous system, and lymphomas. Several in vitro studies on EMF effects were performed to clarify the existing controversies, define the risks, and determine the possible mechanisms of adverse effects. In some of these reports, the effects were related to other mechanisms of carcinogenesis. Modification in cell proliferation was observed after EMF exposure and a few reports on cytotoxic effects have also been published. This limited review gives an overview of the current results of scientific research regarding in vitro studies on the effects of power line frequency EMF, but also cell biological mechanisms and their potential involvement in genotoxicity and cytotoxicity are discussed. Cell cycle control and signal transduction processes are included to elucidate the biochemical background of possible interactions. Exposure to EMF has been also linked to the incidence of leukemia and other tumors in some epidemiological studies and is considered as “possibly carcinogenic to humans”, but there is no well-established biological mechanism that explains such a relation. Furthermore, EMF is also shown as a stimulus for immune relevant cells (e.g., macrophages) to release free radicals. It is known that chronic activation of macrophages is associated with the onset of phagocytosis and leads to increased formation of reactive oxygen species, which themselves may cause DNA damage and are suggested to lead to carcinogenesis. To demonstrate a possible interaction between EMF and cellular systems, we present a mechanistic model describing cell activation as a major importance for cellular response

Warum ist die Frage nach der (Nano-)Dosis so wichtig? (NanoTrust-Dossier Nr. 028 – Jänner 2012)

Nach Paracelsus ist jeder Stoff giftig und nur die Dosis macht die Wirkung. Die Frage ist, wie „Dosis“ für Nanomaterialien bzw. für Nanopartikel bestimmt wird. Warum kann die Dosis nicht eindeutig für Nanopartikel errechnet werden? Die Problematik liegt darin, dass Nanopartikel chemisch und physikalisch sehr vielfältig und heterogen sind. Die Entwicklung von einheitlichen Maßeinheiten oder Parametern, die diese Eigenschaften beschreiben und dabei die biologische Wirksamkeit widerspiegeln erscheint eher unwahrscheinlich. Die Berechnung der Dosis von Nanopartikeln ist aber vor allem für die Risikoabschätzung und für die Regulierung von Grenzwerten bzw. für Empfehlungen von großer Bedeutung. Daher gibt dieses Dossier einen Überblick über den Zusammenhang von Exposition, Dosis und Dosis-Wirkung und legt dar, warum diese Kenntnisse notwendig sind und wo Wissenslücken bestehen

Gibt es neurologische Effekte und Risiken durch synthetische Nanopartikel? (NanoTrust-Dossier Nr. 021 – Februar 2011)

Bei Verwendung synthetischer Nanopartikel (engineered nanoparticles, ENPs) außerhalb der Medizin kann es zur unbeabsichtigten Exposition durch ENPs kommen. Dies gibt Anlass zur Sorge hinsichtlich der Sicherheit für Umwelt und der menschlichen Gesundheit. Experimente haben gezeigt, dass durch unterschiedliche Eintrittspfade (Haut, Blut, Atemwege) die untersuchten ENPs (metallische Nanopartikel, Quantum Dots, Kohlenstoff-Nanoröhren) in das Gehirn übertreten können. Nach Einatmen bzw. nach direkter Gabe in die Lungen können ENPs zu einem sehr geringen Teil in das Blut und anschließend mit einem sehr kleinen Übertragungsrate in die sekundären Organe, einschließlich des Gehirns übertreten. Experimentelle in vivo und in vitro-Studien haben gezeigt, dass verschiedene Arten von ENPs unterschiedliche biologische Wirkungen im Nervensystem auslösen können. Die Relevanz dieser Daten für die Risikobewertung ist keineswegs klar. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass eine Exposition mit einer akuten hohen Dosis von ENPs auftritt. Aufgrund der derzeit herrschenden geringen umweltbedingten Exposition ist davon auszugehen, dass nur ein geringes gesundheitliches Risiko besteht, daher ist das Risiko von Schädigungen des Zentralnervensystems aufgrund solcher Expositionen sehr gering. In diesem Dossier werden mögliche Effekte einer unbeabsichtigten Exposition auf Funktionen und Prozesse im menschlichen Gehirn diskutiert sowie ein Versuch unternommen, mögliche Risiken abzuschätzen. Für eine verlässliche Risikoabschätzung ist die Datenlage allerdings ungenügend

Are there any neurological effects and risks from nanoparticles to expect? (NanoTrust Dossier No. 021en – February 2011)

There are certain concerns regarding the safety for the environment and human health from the use of engineered nanoparticles (ENPs), which leads to unintended exposures, in contrast to the use of ENPs for medical purposes. Animal experiments have shown that investigated ENPs (metallic nanoparticles, quantum dots, carbon nanotubes) can translocate to the brain from different entry points (skin, blood, respiratory pathways). After inhalation or instillation into parts of the respiratory tract a very small fraction of the inhaled or instilled ENPs reaches the blood and subsequently secondary organs, including the central nerve system, at a low translocation rate. Experimental in vivo and in vitro studies have shown that several types of ENPs can have various biological effects in the nervous system. However, the relevance of these data for risk assessment is far from clear. It is, however, unlikely that acute high dose exposures would occur. The risk from such exposures to damage the central nerve system is thus probably even lower. This dossier focuses on the unintended human exposure of ENPs. In particular, possible effects on the functions or processes in the brain are discussed and an attempt to assess the risks is performed. However, the present state of knowledge is unsatisfactory for a proper risk assessment in this area

Why is the (nano-)dose question so important? (NanoTrust Dossier No. 028en – April 2012)

Paracelsus postulated that every substance is toxic and that only the dose makes the poison. The question is how to define a certain „dose“ for nanomaterials and for nanoparticles, respectively. Why is it impossible to calculate a distinct dose for nanoparticles? The problem is that nanoparticles are very diverse and heterogeneous regarding their chemical and physical properties. It seems rather unlikely that uniform units of measures or parameters characterizing these properties and reflecting the biological effectiveness could be developed. However, the dose calculation for nanoparticles is of high relevance, especially for risk assessment, limit values regulation and recommendations, respectively. Therefore this dossier outlines the correlation between exposition, dose and dose response and it explains why the knowledge of these crucial points is essential and where the gaps in knowledge still remain

Nano-Titandioxid – Teil 3: Umwelteffekte (NanoTrust-Dossier Nr. 035 – September 2012)

Nano-Titandioxid (nano-TiO2) ist das meist hergestellte Nanomaterial und bereits in vielen Produkten vorhanden, sowohl in regulärer als auch in nanoskalige Größe. Deshalb ist es auch das am besten untersuchte Nanopartikel. Viele in-vivo- wie auch in-vitro-Studien wurden durchgeführt, um mögliche Gefährdungspotenziale für die Umwelt zu prüfen. Nach wie vor sind allerdings die Langzeiteffekte für die Umwelt unbekannt. Kurzzeitexpositionen mit hohen Dosen zeigen Schädigungen sowohl auf aquatische als auch auf terrestrische Ökosysteme. Spezifische Regulierung für nano-TiO2 gibt es zurzeit keine

Nano-Titandioxid – Teil 1: Grundlagen, Herstellung, Anwendung (NanoTrust-Dossier Nr. 033 – September 2012)

Der Grundbestandteil des Titandioxids (TiO2) ist das Element Titan, das zu den zehn häufigsten Metallen der Erdkruste zählt. TiO2 kommt in der Natur in drei unterschiedlichen Kristallstrukturen vor, wobei alle Formen unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen, die unterschiedlich genutzt werden. Daher ist auch TiO2 ein weit verbreiteter Produktbestandteil von Farben und Lacken, Kosmetika, Textilien, Papier, Kunststoffen und auch in Lebensmitteln für die Verbesserung der Textur. In Sonnenschutzmitteln wird nano-TiO2 etwa seit dem Jahr 1990 als sogenannter physikalischer UV-Filter eingesetzt. Die photokatalytische Wirkung von nano-TiO2 wird ebenfalls vielfältig verwendet. Das hohe Oxidationsvermögen von nano-TiO2-Beschichtungen soll z. B. selbstreinigende Oberflächen ermöglichen, da sie organische Verschmutzungen abbauen und somit auch Bakterien abtöten. Zukünftig sollen die photochromische und elektrochromische Eigenschaften (reversible Farbveränderung durch Licht oder Spannung) mehr genutzt werden und auch die Verwendung von nano-TiO2 im Bereich der alternativen Energieerzeugung wird erforscht

(Nano)-Titanium dioxide (Part II): health hazard potential (NanoTrust Dossier No. 034en – December 2012)

Nano-titanium dioxide (nano-TiO2) is the nanomaterial produced in the largest amounts and is already contained in numerous products, both in the regular and in nano-scale size. It is therefore also the best investigated nanoparticle. Many in-vivo and in-vitro studies have been conducted to test for potential health hazards, although the epidemiological studies have not demonstrated any TiO2-specific effects. Currently, however, no nano-TiO2-specific epidemiological studies and no data are available on potential exposure. Nonetheless, various international bodies have classified the material as “possibly carcinogenic in humans” based on animal experiments and have pointed to the risks. There is no specific regulation for nano-TiO2 and therefore the regulation for (ultra-)fine particulate emission is applied

(Nano-)Titanium dioxide (Part I): Basics, Production, Applications (NanoTrust Dossier No. 033en – November 2012)

The basic component of titanium dioxide (TiO2) is the element titanium, which is among the ten most abundant metals in the Earth’s crust. In nature, TiO2 is present in three different crystal structures, whereby all three exhibit different physical properties that find different applications. This makes TiO2 a widely used product component that improves the texture of paints and lacquers, cosmetics, textiles, paper, plastics as well as foods. In sunscreens, nano-TiO2 has been incorporated as a so-called physical UV-filter since about 1990. The photocatalytic effect of nano-TiO2 is also exploited in a wide range of products. The high oxidation potential of nano-TiO2 coatings is used to produce self-cleaning surfaces because this property helps decompose organic pollutants and therefore also kills bacteria. In the future, the photochromic and electrochromic properties (reversible color changes due to light or electric current) will find greater use. Finally, current research is focusing on the use of nano-TiO2 in alternative energy production