Toxicité des nanoparticules : cas des nanotubes de carbone

International audienceConstituted only by carbon atoms, carbon nanotubes (CNT) are hydrophobic and hardly detectable in biological tissues. These properties make biokinetics and toxicology studies more complex. In this work, we propose to study the effect of bovine serum albumin as a dispersing agent for CNT. The toxicological effect of a multi walled CNT (MWCNT) and a method to investigate the biopersistance of CNT in organism, based on detection of nickel, a metallic impurity present in the MWCNT we investigated were then analyses. Our results, in rats that received 100 micro g of MWCNT by a unique intratracheal instillation, reveal that MWCNT do not induce histopathological lesions, modifications of physiological pulmonary parameters and inflammation. Moreover, MWCNT do not significantly cross the pulmonary barrier and can be eliminated by a slow mechanism. Using electonic microscopy and infrared spectroscopy, we showed that MWCNT may be cleaved and chemically modified in the lung. Analyses of MWCNT lung clearance mechanism lead us to propose a hypothesis based on the phagocytosis, apoptosis of alveolar macrophages, possible degradation of MWCNT by alveolar macrophages, and elimination of apoptotic cells.Les nanotubes de carbone (NTC) sont difficilement détectables dans les matrices biologiques. Ceci rend l'étude de leur toxicité et de leur biodistribution plus difficile. Lors de ce travail, nous avons étudié, dans un premier temps, l'effet de l'albumine sérique de veau (BSA) sur la dispersion des NTC puis dans un second temps, la toxicité, la biodistribution ainsi que la clairance d'un NTC multi-feuillet (MWCNT) chez le rat en utilisant le nickel, une impureté métallique présente dans le nanotube étudié. Après une unique instillation intratrachéale de 100 micro g de MWCNT, nos résultats ne montrent ni inflammation, ni lésions pulmonaires, ni modifications des paramètres physiologiques pulmonaires. De plus, l'absence de passage de la barrière alvéolo-capillaire et la mise en place d'un long mécanisme de clairance ont été observées dans le poumon. Afin de mieux comprendre ce mécanisme et à l'aide de la microscopie electronique et de la spectroscopie infrarouge, nous avons montré que les MWCNT sont chimiquement modifiés et sont clivés dans le poumon. Ces résultats, ainsi que l'étude de la phagocytose des MWCNT et de l'apoptose des macrophages alvéolaires, ont permis d'émettre l'hypothèse d'un mécanisme de clairance selon laquelle l'élimination des MWCNT dans le poumon serait liée à la phagocytose, l'apoptose, la dégradation de MWCNT par les macrophages alvéolaires puis la phagocytose de cellules apoptotiques

Correlative Nanoscale 3D Imaging of Structure and Composition in Extended Objects

Structure and composition at the nanoscale determine the behavior of biological systems and engineered materials. The drive to understand and control this behavior has placed strong demands on developing methods for high resolution imaging. In general, the improvement of three-dimensional (3D) resolution is accomplished by tightening constraints: reduced manageable specimen sizes, decreasing analyzable volumes, degrading contrasts, and increasing sample preparation efforts. Aiming to overcome these limitations, we present a non-destructive and multiple-contrast imaging technique, using principles of X-ray laminography, thus generalizing tomography towards laterally extended objects. We retain advantages that are usually restricted to 2D microscopic imaging, such as scanning of large areas and subsequent zooming-in towards a region of interest at the highest possible resolution. Our technique permits correlating the 3D structure and the elemental distribution yielding a high sensitivity to variations of the electron density via coherent imaging and to local trace element quantification through X-ray fluorescence. We demonstrate the method by imaging a lithographic nanostructure and an aluminum alloy. Analyzing a biological system, we visualize in lung tissue the subcellular response to toxic stress after exposure to nanotubes. We show that most of the nanotubes are trapped inside alveolar macrophages, while a small portion of the nanotubes has crossed the barrier to the cellular space of the alveolar wall. In general, our method is non-destructive and can be combined with different sample environmental or loading conditions. We therefore anticipate that correlative X-ray nano-laminography will enable a variety of in situ and in operando 3D studies

Biodistribution and clearance of instilled carbon nanotubes in rat lung

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Constituted only by carbon atoms, CNT are hydrophobic and hardly detectable in biological tissues. These properties make biokinetics and toxicology studies more complex.</p> <p>Methods</p> <p>We propose here a method to investigate the biopersistence of CNT in organism, based on detection of nickel, a metal present in the MWCNT we investigated.</p> <p>Results and conclusion</p> <p>Our results in rats that received MWCNT by intratracheal instillation, reveal that MWCNT can be eliminated and do not significantly cross the pulmonary barrier but are still present in lungs 6 months after a unique instillation. MWCNT structure was also showed to be chemically modified and cleaved in the lung. These results provide the first data of CNT biopersistence and clearance at 6 months after respiratory administration.</p

The one year fate of iron oxide coated gold nanoparticles in mice

Safe implementation of nanotechnology and nanomedicine requires an in-depth understanding of the life cycle of nanoparticles in the body. Here, we investigate the long-term fate of gold/iron oxide heterostructures after intravenous injection in mice. We show these heterostructures degrade in vivo and that the magnetic and optical properties change during the degradation process. These particles eventually eliminate from the body. The comparison of two different coating shells for heterostructures, amphiphilic polymer or polyethylene glycol, reveals the long lasting impact of initial surface properties on the nanocrystal degradability and on the kinetics of elimination of magnetic iron and gold from liver and spleen. Modulation of nanoparticles reactivity to the biological environment by the choice of materials and surface functionalization may provide new directions in the design of multifunctional nanomedicines with predictable fate

Intracellular degradation of functionalized carbon nanotube/iron oxide hybrids is modulated by iron via Nrf2 pathway.

The in vivo fate and biodegradability of carbon nanotubes is still a matter of debate despite tremendous applications. In this paper we describe a molecular pathway by which macrophages degrade functionalized multi-walled carbon nanotubes (CNTs) designed for biomedical applications and containing, or not, iron oxide nanoparticles in their inner cavity. Electron microscopy and Raman spectroscopy show that intracellularly-induced structural damages appear more rapidly for iron-free CNTs in comparison to iron-loaded ones, suggesting a role of iron in the degradation mechanism. By comparing the molecular responses of macrophages derived from THP1 monocytes to both types of CNTs, we highlight a molecular mechanism regulated by Nrf2/Bach1 signaling pathways to induce CNT degradation via NOXjournal article2017 Jan 252017 01 25importe

Toxicité et clairance pulmonaires des nanotubes de carbone

Constituted only by carbon atoms, carbon nanotubes (CNT) are hydrophobic and hardly detectable in biological tissues. These properties make biokinetics and toxicology studies more complex. In this work, we propose to study the effect of bovine serum albumin as a dispersing agent for CNT. The toxicological effect of a multi walled CNT (MWCNT) and a method to investigate the biopersistence of CNT in organism, based on detection of nickel, a metallic impurity present in the MWCNT we investigated were then analyses. Our results, in rats that received 100 μg of MWCNT by a unique intratracheal instillation, reveal that MWCNT do not induce histopathological lesions, modifications of physiological pulmonary parameters and inflammation. Moreover, MWCNT do not significantly cross the pulmonary barrier and can be eliminated by a slow mechanism. Using electonic microscopy and infrared spectroscopy, we showed that MWCNT may be cleaved and chemically modified in the lung. Analyses of MWCNT lung clearance mechanism lead us to propose a hypothesis based on thephagocytosis, apoptosis of alveolar macrophages, possible degradation of MWCNT by alveolar macrophages, and elimination of apoptotic cells.Les nanotubes de carbone (NTC) sont difficilement détectables dans les matrices biologiques. Ceci rend l'étude de leur toxicité et de leur biodistribution plus difficile. Lors de ce travail, nous avons étudié, dans un premier temps, l'effet de l'albumine sérique de veau (BSA) sur la dispersion des NTC puis dans un second temps, la toxicité, la biodistribution ainsi que la clairance d'un NTC multi-feuillet (MWCNT) chez le rat en utilisant le nickel, une impureté métallique présente dans le nanotube étudié. Après une unique instillation intratrachéale de 100 μg de MWCNT, nos résultats ne montrent ni inflammation, ni lésions pulmonaires, ni modifications des paramètres physiologiques pulmonaires. De plus, l'absence de passage de la barrière alvéolo-capillaire et la mise en place d'un long mécanisme de clairance ont été observées dans le poumon. Afin de mieux comprendre ce mécanisme et à l'aide de la microscopie electronique et de la spectroscopie infrarouge, nous avons montré que les MWCNT sont chimiquement modifiés et sont clivés dans le poumon. Ces résultats, ainsi que l'étude de la phagocytose des MWCNT et de l'apoptose des macrophages alvéolaires, ont permis d'émettre l'hypothèse d'un mécanisme de clairance selon laquelle l'élimination des MWCNT dans le poumon serait liée à la phagocytose, l'apoptose, la dégradation de MWCNT par les macrophages alvéolaires puis la phagocytose de cellules apoptotiques

Biodistribution et élimination de nanotubes de carbone instillés dans les poumons de rats

Background: Constituted only by carbon atoms, CNT are hydrophobic and hardly detectable in biological tissues. These properties make biokinetics and toxicology studies more complex. Methods: We propose here a method to investigate the biopersistence of CNT in organism, based on detection of nickel, a metal present as trace in the NTC we investigated. Results and conclusion: Our results in rats that received NTC by intratracheal instillation, reveal that NTC can be eliminated and do not significantly cross the pulmonary barrier but are still present in lungs 6 months after a unique instillation. NTC structure was also showed to be chemically modified and cleaved in the lung. Long-time presence of NTC in the lung is associated with lung induction of cytochrome P450 1A1 and 2E1 mRNA suggesting a possible role of these enzymes in NTC clearance. These results provide the first data of CNT biopersistence and clearance at 6 month after respiratory administration.La structure physique des nanoparticules (NP) leur confère des propriétés physicochimiques et biologiques différentes de celles du même composé de taille micrométrique. Par exemple, les défauts de structure semblent jouer un rôle au niveau de la toxicité et l’élimination des nanotubes de carbone. Ainsi, une utilisation de NP est envisagée dans de nombreuses industries. En effet, les produits suivants sont déjà commercialisés : des textiles insalissables recouverts d’une pellicule de nanoparticules d’argent, des verres autonettoyants sur lesquels ont été déposées des couches minces d’oxyde de titane, des cabines de douche, des éviers ou des carrosseries recouvertes de nanofilms, des dentifrices au nanophosphate de calcium qui comblent les minuscules fissures des dents, des produits solaires au dioxyde de titane, de rouges à lèvres à l’oxyde de zinc pour améliorer la tenue, des vernis à ongles enrichis en oxyde de zirconium. Parmi les NP les plus utilisées, on distingue notamment les nanotubes de carbone (NTC). Malheureusement, à l’heure actuelle, la toxicité potentielle de cette NP reste encore mal connue. De par leur faible taille, les NTC peuvent être remis aisément en suspension dans l’air et la voie pulmonaire est une voie privilégiée d’exposition à ce type de composé. L’étude de la toxicité pulmonaire d’une particule implique l’analyse de sa biopersistance c’est-à-dire du temps au cours duquel le NTC reste au niveau de chaque organe, de son élimination mais aussi de sa capacité à passer la barrière alvéolo-capillaire entre le poumon et le sang. Les NTC étant constitués d’atomes de carbone, leur dosage est particulièrement difficile dans les milieux biologiques qui sont eux-mêmes très riches en carbone. Dans ces conditions, il est fait appel à des méthodes de dosage indirect reposant sur l’analyse des catalyseurs métalliques qu’ils renferment. En effet, leur synthèse nécessite la présence de ces catalyseurs métalliques qui ne peuvent pas être totalement éliminés lors de la purifi cation de ces NTC

La présence de nanotubes de carbone dans l’environnement présente-t-elle un risque pour notre santé ?

Carbon nanotubes (CNT) are single or multi-cylindrical graphene structures that possess diameters of a few nanometers, while the length can be up to a few nanometers. These could have unusual toxicological properties, in that they share intermediate morphological characteristics of both fibers and nanoparticles. Due to their interesting mechanical and electrical properties, they are more and more used in various industries and it is thus urgent to assess their potential toxicity. Several studies performed by intratracheal instillation showed that carbon nanotubes (CNT) induced pulmonary fibrosis, granulomas or inflammation. But, recently, two inhalation studies did not observed such pathological phenomena and suggest that granulomas could be due to the instillation of unbreathable agglomerates. In a previous study, we have described a simple method (using albumin as dispersing agent) which produced solutions containing more than 80% of agglomerate of breathable size. We report here results from intratracheal instillation of rats by 0, 1, 10 or 100 µg of multi-walled CNT (MWCNT) dispersed with albumin. After 1, 7, 30, 90, and 180 days, no inflammation, fibrosis and granuloma formation were detected. The respiratory function of animals was also unmodified. Only a dose-dependant apoptosis of alveolar macrophages was noted. These result underline the importance of controlling MWCNT agglomerate size when exposing animals, through appropriate dispersion methods. This study also showed that MWCNT can be eliminated and do not significantly cross the pulmonary barrier but are still present in lungs 6 months after a unique instillation. MWCNT appeared to be cleaved in the lung. Long-time presence of MWCNT in the lung was associated with lung induction of cytochrome P450 1A1 and 2E1 mRNA suggesting a possible role of these enzymes in MWCNT clearance. These results provide the first data of CNT biopersistance and clearance at 6 months after respiratory administration.Par leur petite taille, un milliardième de mètre, les nanoparticules confèrent des propriétés nouvelles aux matériaux existants. Par exemple, des matériaux réputés isolants se transforment en conducteurs d’électricité, de très fines particules possèdent une forte résistance mécanique… Ainsi, plusieurs secteurs industriels tels que la cosmétologie, la micro-électronique, le bâtiment, l’automobile ont déjà des produits issus des nanotechnologies. La population risque donc d’être exposée. Lors du Grenelle de l’Environnement, il a été décidé de demander aux pouvoirs publics de réaliser un bilan coûts/avantages systématique de la mise sur le marché de produits contenant des nanoparticules ou nanomatériaux. À partir des résultats des études en cours, des dispositions seront prises pour renforcer l’information et la protection des salariés et de la population. Ces particules étant susceptibles de se trouver en suspension dans l’air, une des principales voies d’exposition à considérer dans notre environnement est la voie respiratoire. C’est dans ce contexte que nous réalisons l’étude de la toxicité de nanoparticules manufacturées et en particulier l’étude de nanotubes de carbone (NTC) introduits dans l’appareil respiratoire. Cette particule, de quelques nanomètres de diamètre et de quelques micromètres de long, possède la forme d’un cheveu (voir photo 1) et est pressentie pour de nombreuses applications en électronique (transistor optique, microprocesseur…), aéronautique (revêtements des fusées ou combinaison des astronautes), médecine (vecteur de médicament, molécules d’aide au diagnostic de pathologies)… Ainsi, de nombreuses questions se posent. Les nanoparticules induisent-elles une réponse inflammatoire ou un stress oxydant ? Altèrent-elles ou détruisent-elles les cellules pulmonaires ? Quel est le devenir de ces particules dans le corps ? Franchissent-elles la barrière épithéliale pulmonaire ? En quelle quantité ? Migrent-elles vers d’autres compartiments biologiques ? Ont-elles la capacité d’affecter le système nerveux, immunitaire, cardiovasculaire, reproducteur ? Ce sont quelquesunes des questions auxquelles les travaux en cours au sein de l’INERIS tentent d’apporter des réponses

Pulmonary toxicity comparison of raw and super-purified single-wall carbon nanotubes after intra-tracheal instillation in rats

Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) possess many properties and have various potential applications. Nanotubes are very light and could become airborne and potentially reach lungs. In order to evaluate the relation between the respiratory toxicological effects of carbon nanotubes and their physicochemical characteristics, we compared raw and super-purified SWCNTs toxicity. Oxidative stress and inflammation involvements as possible mechanisms of the toxicological effects of these nanotubes were examined. Rats were intratracheally instilled with 200 micro g of raw or super-purified SWCNTs, and euthanized 1, 7, 30, 90 or 180 days after the single treatment for histo-pathological study of the lungs, broncho-alveolar fluids and mRNA expression measurements. SWCNTs were suspended at 1.4 mg/ml in 3% ethanol and 1.4 mg/ml of BSA. The suspension was sonicated for 10 min in an ultrasonic bath. These two types of SWCNTs can induce granulomas. The quantity and size of granulomas appear to be greater after treatment with raw SWCNTs than super-purified SWCNTs. Regarding inflammation, interleukin-1ß and interleukin-6 expression increased 24 h after instillation, more with super-purified than with raw SWCNTs. Oxidative stress enzymes expression (Heme oxygenase 1 and iNOS) were induced with a maximum reached at 7 days with raw SWCNTs and 1 month with super purified SWCNTs. Overall, the biological response after treatment with raw SWCNTs containing a high amount of iron (20%) occurred earlier than after treatment with super-purified SWCNTs containing a small amount of iron (2%). Raw SWCNTs seem eliminated more rapidly than super-purified SWCNTs. Purity of SWCNT is an important factor in pulmonary toxicity