Dalle fibre minerali alle nanoparticelle: quali caratteristiche chimico-fisiche determinano la patogenicità delle polveri inalate

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Cristiano Fiorini
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NANOPARTICELLE Bice Fubini Dip. Chimica IFM e Centro Interdipartimentale G.

1 Centro Interdipartimentale per lo Studio degli Amianti e di Altri Particolati Nocivi G i o v a n n i S c a n s e t t i Dalle fibre minerali alle nanoparticelle: quali caratteristiche chimico-fisiche determinano la patogenicità delle polveri inalate 3^ parte: NANOPARTICELLE Bice Fubini Dip. Chimica IFM e Centro Interdipartimentale G. Scansetti Convegno Nazionale 2007 Le fibre artificiali vetrose: classificazione, esposizione, danni per la salute e misure di prevenzione. Risultati di una studio nazionale Reggio Emilia 19 Aprile 2007

2 alcuni tipi di particolato fibre silici nanoparticelle

3 da alcuni anni esiste una certa preoccupazione nella comunità scientifica circa i possibili danni alla salute causati dall esposizione a nano-particelle che ha velocemente raggiunto i media sotto forma di un un forte allarme generalizzato verso qualunque tipo di nanoparticelle

4 nanoparticelle qual è il loro impatto sull ambiente e sulla salute? nanotubi di carbonio stilizzati

5 è stato coniato un nuovo termine nanotossicologia numerose conferenze e workshops vengono organizzati in differenti paesi su questo tema.

6 l allarme continua nano TiO 2 nelle creme solari Nanoparticles in sun creams can stress brain cells le particelle contenute nelle creme solari possono causare danni neurologici?

7 tossico nei confronti di colture di cellule cerebrali

8 dove si trovano? in natura, da sempre incendi, emissioni vulcaniche, condensazione di gas, formazione biogenica di origine antropica indesiderata inceneritori, motori a combustione, centrali termoelettriche, vapori metallici etc. forma e dimensione controllata sintetizzate per diversi scopi utilizzo in diverse applicazioni industriali tra cui cosmetica e medicina (rilascio di farmaci, utilizzo a scopo diagnostico o terapeutico)

9 cosa differenzia le nanoparticelle dalla particelle di dimensioni micrometriche? dimensioni nanometriche elevato rapporto fra atomi di superficie e atomi di bulk forze interparticellari molto pronunciate talvolta, specifiche proprietà di superficie e quindi reattività

10 dimensioni nanometriche risposte cellulari diverse dalle particelle micrometriche possibilità di traslocazione in differenti compartimenti biologici

studi in vivo: deposizione e ritenzione a livello polmare macrofagi alveolari ritenzione nel polmone Uptake selettivo da parte dei macrofagi di

11 studi in vivo: deposizione e ritenzione a livello polmare macrofagi alveolari ritenzione nel polmone Uptake selettivo da parte dei macrofagi di particelle di dimensioni micro Ritenzione delle particelle più piccole a livello polmonare (Oberdoster et al. Envir. Health Persp., 2005, 113, 823)

12 traslocazione in differenti compartimenti biologici alcune nanoparticelle possono possono arrivare al cervello (oro,carbonio, biossido di manganese) o penetrare attraverso la pelle

13 nanoparticelle inalate : diversa risposta cellulare? clearance clearance le molecole endogene hanno dimensioni simili a quelle della NP: effetti selettivi sui recettori delle membrane cellulari morte della cellula azione diretta sulle cellule bersaglio endocitosi e penetrazione nei tessuti macrophage activation rilascio di ossidanti, citochine, fattori di crescita, recrutamento di macrofagi alveolari e polimorfonucleati danno alle cellule bersaglio

14 elevato rapporto fra atomi di superficie e atomi di bulk superficie specifica estremamente elevata

15 hanno una superficie esterna, a parità di massa, molto più elevata Nel et al. Science, 2006, 311:

16 io 2 20 nm vs 250 nm risposta infiammatoria atto opo

17 TiO 2 20 nm vs 250 nm risposta infiammatoria atto opo a parità di massa il campione nanometrico è molto più tossico, ma gli effetti sono simili se i campioni sono paragonati per superficie esposta Oberdoster et al. Envir. Health Persp. 2005, 113, 823

18 ffetto di dimensioni e composizione sulla risposta infiammatoria isurata come IL-8 in cellule epiteliali di polmone umano in funzione della massa IL-8 (% control) (F) µg/cm2 250 (F) (F) TiO 2 Nano (UF) Nano (UF) * * quartz * * 0 F MF UF MUF DQ12 F-TiO 2 < UF TiO 2 < Quarzo Sing et al. Submitted to TAAP, 2006

19 effetto di dimensioni e composizione sulla risposta infiammatoria misurata come IL-8 in cellule epiteliali di polmone umano in funzione della superficie esposta 250 quartz F MF 200 UF MUF DQ12 IL-8 (% control) TiO 2 native methyl surface area/cell surface (cm2/cm2) quarzo >> TiO 2 TiO 2 : tutti uguale effetto Sing et al. Submitted to TAAP, 2006

20 elevato rapporto fra atomi di superficie e atomi di bulk superficie specifica estremamente elevata alcune nanoparticelle sono molto più reattive delle corrispondenti particelle di dimensioni maggiori

21 larga frazione di atomi o ioni coordinativamente insaturi e reattivi es. su angoli o spigoli es. radicali liberi M n+ siti attivi di superfic

22 Fe 2 O 3 fini e ultrafini dimensioni micrometriche (0.1 µm in media) dimensioni nanometriche (3 nm in media) spettri EPR di radicali CO Campo (G) Cam po (G) rilascio nullo rilascio sostenuto Ceschino et al unpublished results

23 elevate forze tra particelle aggregazione, agglomerazione

24 hanno un fortissima tendenza a formare aggregati ed agglomerati non sono più nanoparticelle!!!

25 particelle con almeno una dimensione nanometrica proprietà chimico fisiche peculiari

26 nanotubi di carbonio SWNT MWNT Single Wall Carbon Nanotubes Multi Wall Carbon Nanotubes

27 hanno alcune proprietà simili a quelle degli asbesti abito fibroso effetto dimensione nano + effetto forma fibrosa? elevata biopersistenza effetti a lungo termine

28 tossicità su cellule e animali, ancora controversa sull uomo

29 i nanotubi di carbonio generano radicali liberi? rilascio di HO rilascio di CO 2 MWCN MWCN macinati Field (G) controllo positivo (quarzo) Field (G) non generano radicali liberi, misurabili mediante la tecnica dello spin trapping, neppure dopo macinazione Fenoglio et al. Free Rad. Biol. Med, 2006, 40,

30 nanotubi di carbonio nanotubes: possono agire da quencher di radicali? soluzione di partenza dopo aggiunta di silice nanometrica H 2 O 2 HO hv riboflavina O 2 - hv soluzione di partenza dopo addizione di SDS dopo aggiunta di MWCN dopo addizione di MWCN Field (G) effetto di MWCN paragonato a silice nanometrica su HO Field (G) effetto di MWCN paragonato al solo tensioattivo (SDS) su O 2 - MWCN mostrano un attività da scavenger nei confronti di radicali all ossigeno L effetto è specifico per MWNC (polveri con simile area superficiale non sono attivi) Fenoglio et al. Free Rad. Biol. Med, 2006, 40,

31 grado di idrofobia/idrofilia amianti: sempre > di 50 kj/mol energia di interazione tra i siti di superficie e l acqua > di 44 kj/mol superficie idrofila (44 kj/mol: calore di condensazione dell acqua) <di 44 kj/mol superficie idrofoba nanotubi: sempre < di 40 kj/mol 100 Interaction energy q diff (KJ/mol) MWCN MWCNg MWCNg-ox MWCNg-hT Pressure (torr)

32 nanotubi amianti idrofobi idrofili quenching generazione radicali

33 conclusioni il termine nanoparticelle fa riferimento solo alle dimensioni e comprende particelle diffferenti per forma, cristallinità, reattività e tossicità ogni tipo di nanoparticella deve essere testato singolarmente quando la tossicità è dovuta alla reattività di superficie, una data massa di nanoparticelle può provocare effetti molti più accentuati di quelli provocati da particelle di taglia maggiore i limiti di esposizione devono essere scelti o in base alla superficie esposta o in base al numero di particelle

34 Grazie per l attenzione! Grazie per l attenzione! il gruppo di ricerca di Torino : gruppo di tossicità dei materiali Ivana Fenoglio Maura Tomatis Mara Ghiazza Francesco Turci Giovanna Greco Ingrid Corazzari ringraziamenti gruppo di biochimica Dario Ghigo Elena Gazzano gruppo di chimica-fisica Salvatore Coluccia Gianmario Martra Raffaella Ceschino la Regione Piemonte per il sostegno economico

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