Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Effekte der Partikeltranslokation von feinen und nanoskaligen Titandioxid-Partikeln nach Inhalation und intranasaler Instillation bei der Ratte

Lehmbecker, Annika

The amount of produced nanoparticles has increased over the last years. Because of their unique properties, especially their small size, the interest in possible health effects is growing. Due to their small size nanoparticles can enter cells and cell compartments therefore they can distribute easily throughout the organism and might accumulate in certain organs. Possible routes of entry are ingestion, inhalation, intravenous injection or transdermal translocation. TiO2 is thought to be an inert material and is an ingredient in wall paints, pharmaceutics, food, and photocatalytic materials. Furthermore, it is used in several animal studies to investigate particle translocation without having substance related side effects. Similar to the increased production of nanoparticles the incidence of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s or Parkinson’s disease increases as well. Therefore a possible correlation between these two facts is suspected. As possible route of entry the way following the olfactory nerve to the central nervous system is considered. In this study the translocation behavior of fine and nano TiO2-particles after inhalation or intranasal instillation was investigated. Two inhalation studies were performed in rats. The first inhalation study consists of a subacute 21 day study with recovery times of 3, 28, and 90 days, respectively, to investigate the accumulating effects of fine and nano TiO2-particles. Macroscopically the rats showed the expected dust macules within the lungs known from former inhalation studies performed with TiO2. Histologically and ultrastructurally single animals revealed subepithelially located, intracytoplasmic fine TiO2-particles in macrophages within the nasal cavity. Further translocation of fine particles was not observed neither in the high nor in the low concentration-group. The inhalation of nano TiO2-particles causes significantly increased laryngeal inflammation. Laryngeal ulceration and reactive epithelial alteration were observed. Intralesionally nano TiO2-particles were demonstrated by direct pop-off technique for transmission electron microscopy. These results were verified by energy-dispersive X-ray spectroscopy. The laryngeal lesions were most frequently seen in the high concentration group of nano TiO2. However, it has to be considered that the primary epithelial damage was caused by the vehicle substance (PBS) with a consecutive granulomatous inflammation resembling a foreign body reaction due to the incorporated subepithelially located nano TiO2-particles. A translocation of particles to the central nervous system for nano TiO2-particles was not observed. Additionally an analysis of the titanium content within brain tissue revealed no significantly increased titanium content in treated animals after 3 and 28 days recovery in comparison to control animals. Furthermore, the second inhalation study included a single 6 hour inhalation of fine and nano TiO2 to investigate the acute effects of particle inhalation. In these animals neither lightmicroscopical nor electronmiscroscopical investigation revealed a translocation of fine or nano TiO2-particles. Additionally, an intranasal instillation study was performed over 21 days (9 instillations; Monday, Wednesday, and Friday, respectively). One animal showed a single intracytoplasmic agglomerate of nano TiO2-particles measuring 850 nm in diameter within the respiratory epithelium. No other particles were observed either in the nasal cavity or in the olfactory bulb. In summary, no particle translocation to the central nervous system was observed after intranasal instillation or inhalation even though the particle concentrations used in these studies were higher compared to concentrations expected in human exposure scenarios.

Das Einsatzgebiet für Nanopartikel wird über die letzten Jahre immer größer. Gerade aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften im Vergleich zu Partikeln gleicher Zusammensetzung mit größerem Durchmesser, ist die Erforschung der gesundheitlichen Effekte von Nanopartikeln erforderlich, da sie aufgrund ihrer so geringen Größe in verschiedene Zellen und Zellkompartimente gelangen können und sich somit im gesamten Organismus ausbreiten und anreichern können. Aufgenommen in den Organismus werden Nanopartikel über Inhalation, Ingestion, Injektion oder auch transdermal. Materialien wie das nahezu inerte TiO2, welches sich sowohl in Lacken und Farben als auch in Arznei- und Lebensmitteln und photokatalytischen Substanzen findet, werden in Studien eingesetzt, um den reinen Partikeleffekt zu untersuchen ohne von toxischen Auswirkungen einzelner Substanzen überlagert zu werden. Da die Menge an produzierten Nanopartikeln in den letzten Jahren immer mehr ansteigt und gleichzeitig die Inzidenz neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson immer mehr zunimmt, wird ein potenzieller Zusammenhang zwischen diesen beiden Ereignissen in Erwägung gezogen. Als mögliche Translokationsroute scheint der olfaktorische Weg entlang des Riechnervs in das zentrale Nervensystem als wahrscheinlich. In dieser Arbeit wurde das Translokationsverhalten von feinen und nanoskaligen TiO2-Partikeln nach Inhalation bzw. intranasaler Instillation untersucht. Zum einen wurden zwei Inhalationsstudien an Ratten durchgeführt. Der erste bestand in einem subakuten Expositionsszenario über 21 Tage mit anschließenden Recovery-Zeiten von drei, 28 und 90 Tagen, um die länger andauernden, akkumulierenden Effekte von TiO2-Partikeln beobachten zu können. Makroskopisch fanden sich bei diesen Tieren nur die in der Literatur beschriebenen Lungenveränderungen. Histologisch und ultrastrukturell waren bei einzelnen Tieren subepithelial gelegene, intrazelluläre feine Partikel in Makrophagen in der Nasenhöhle zu beobachten. Weitere Partikeltranslokationen wurden für feine Partikel weder in niedriger noch in hoher Konzentration beobachtet. Nach Inhalation von TiO2-Nanopartikeln fanden sich signifikante entzündliche Alteration des Larynx in Form von Ulzerationen und reaktiven Epithelveränderungen. Intraläsional wurden mittels elektronenmikroskopischer Aufsatztechnik TiO2-Nanopartikel dargestellt und mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie als die Elemente Sauerstoff und Titan, also TiO2 bestätigt. Diese Veränderungen waren am deutlichsten in der hohen Konzentration zu beobachten. Allerdings muss von einer primären Epithelschädigung durch die Vehikelsubstanz (PBS) ausgegangen werden mit wahrscheinlich anschließender granulomatöser Entzündung als Fremdkörperreaktion auf die subepithelial deponierten TiO2-Nanopartikel. Eine Partikeltranslokation in das zentrale Nervensystem konnte für TiO2-Nanopartikel nicht nachgewiesen werden. Auch eine Analyse des Titangehalts der Gehirne nach drei und 28 Tagen Recovery zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen behandelten Tieren und den Kontrolltieren. Die zweite Inhalationsstudie war eine Akutstudie durchgeführt zur Untersuchung der akuten Effekte von TiO2-NP und Feinpartikel in der einmalig über sechs Stunden die Partikelinhalation erfolgte. In dieser Studie konnte weder lichtmikroskopisch noch elektronenmikroskopisch eine Partikeltranslokation von feinen oder nanoskaligen TiO2-Partikeln nachgewiesen werden. In einer intranasalen Instillationsstudie mit TiO2-Nanopartikeln über 21 Tage (insgesamt neun Instillationen, jeweils montags, mittwochs und freitags) zeigte sich bei einem Tier intraepithelial, im respiratorischen Epithel gelegen, ein TiO2-NP-Agglomerat mit einem Durchmesser von ca. 850 nm. Weitere Partikel oder deren Agglomerate wurden weder in der Nasenhöhle noch im Bulbus olfactorius beobachtet. Somit wurde nach Inhalation und intranasaler Instillation von TiO2-Nanopartikeln und Feinpartikeln in Konzentrationen, die höher als die zu erwartende humane Exposition liegen, keine Translokation von Partikeln in das zentrale Nervensystem nachgewiesen.

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Lehmbecker, Annika: Effekte der Partikeltranslokation von feinen und nanoskaligen Titandioxid-Partikeln nach Inhalation und intranasaler Instillation bei der Ratte. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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