Mechanistic in vitro tests for genotoxicity and carcinogenicity of heavy metals and their nanoparticles

Abstract

Der experimentelle Teil dieser Arbeit charakterisiert die Karzinogenität, Genotoxizität und Biokinetik verschiedener Metalle und Metallnanopartikel in in vitro-Tests als Alternative zum Tierversuch. Im Speziellen wurden immortalisierte Mausfibroblasten (Balb/3T3) als in vitro-Modell für Karzinogenität und Genotoxizität verwendet sowie eine Zelllinie aus einem menschlichem Rektum-Krebs (Caco-2) als in vitro-Modell der intestinalen, epithelialen Barriere für intestinale Adsorption.Karzinogenität. Das Auffinden von karzinogenen Chemikalien ist immer noch eine große Herausforderung, insbesondere für Substanzen, die über nicht-genotoxische Mechanismen wirken. Kein in vitro-Test zum Nachweis von nicht-genotoxischen Chemikalien wurde bisher durch regulatorische Behörden akzeptiert. Einer der sehr vielversprechenden Tests, der sowohl den Nachweis von genotoxischen als auch nicht-genotoxischen Verbindungen erlaubt, ist der in vitro-Zelltransformierungs-Test, insbesondere mit der immortalisierten Mausfibroblasten-Zelllinie Balb/3T3 (Mazzotti, 2001; Ponti 2001). Parallel dazu werden andere in vitro-Genotoxizitätstests wie der Comet- und der Micronucleus-Test verwendet und evaluiert. In der vorliegenden Arbeit haben wir 18 Metallverbindungen auf ihr karzinogenes und genotoxisches Potenzial untersucht. Im Wesentlichen fanden wir eine Übereinstimmung zwischen den experimentellen Resultaten und den IARC-Klassifikationen bzw. der Literatur.Wir glauben deshalb, dass die Testbatterie, die in unserer Arbeit verwendet wurde, nützlich zur Ermittlung des Wirkungsmechanismus von karzinogenen Chemikalien sein könnte. Biokinetik. Informationen von in vitro-Toxikokinetikstudien zu Absorption, Verteilung, Metabolismus und Ausscheidung (ADME) von Chemikalien und Nanopartikeln sind grundlegend, um ihren Wirkmechanismus und toxikologisches Profil zu verstehen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Biokinetik (Absorption) sowohl in einem in in vitro-Modell zur intestinalen, epithelialen Barriere für intestinale Absorption und in den beiden Zelllinien bezüglich Aufnahme und intrazellulärer Verteilung untersucht. Im Speziellen studierten wir den in vitro-Effekt von apikaler und basolateraler Exposition zu radiomarkiertem Cr (VI), As (III), Ochratoxin A und Gentamicin auf die Barrierefunktion von intestinalem Epithel. Wir konnten verifizieren, dass Cr in Caco-2-Zellen sowohl in absorptiver als auch in sekretorischer Richtung transportiert wird, wobei gleichzeitig ähnliche Mengen von Cr durch die Zellen akkumuliert werden. Unter unseren experimentellen Bedingungen konnten wir keinen As-Transport durch das Epithel beobachten, da es vermutlich nur nach Schädigung permeabel für As ist. Im Fall von Gentamicin und Ochratoxin A beobachteten wir keinen Transport durch das Epithel, und dies entspricht den in vivo-Resultaten in der Literatur.In vitro-Nanopartikel-Toxikologie. Nanomaterialien (1 μM) aber keine klare Dosis-Wirkungs-Beziehung. Für die morphologische Transformierung zeigte Co-nano einen statistisch signifikanten Anstieg der Bildung von Typ-III-Foci. Darüber hinaus fanden wir beim Studium der Internalisierung von Co-nano eine höhere Aufnahme im Vergleich mit Co+2.Unsere Resultate weisen somit auf Zytotoxizität, morphologische Transformierung und Genotoxizität durch Co-nano hin, während für Co+2 Zytotoxizität, morphologische Transformierung und Genotoxizität, nachweisbar im Comet- aber nicht im Micronucleustest, beobachtet wurden. Zusammengenommen zeigt dies, dass Nanopartikel unterschiedliche Kinetiken und toxikologische Eigenschaften im Vergleich zu ihren Ausgangsmaterialien haben können. Daraus können sich in Zukunft neue Anforderungen an Sicherheitsprüfungen ableiten.