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Publication
In vitro genotoxic and epigenotoxic effects of occupational exposure to nanofibres
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 7.24 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
In recent years, human exposure to nanofibres (i.e., fibres with diameters < 100 nm) has
considerably increased due to their incorporation in a wide range of consumer products.
As such, there is a growing concern that the distinctive physicochemical characteristics
of nanofibres may lead to adverse human health effects, mainly by their inhalation in
occupational settings. Several toxicological studies have indicated that some nanofibres,
such as the MWCNT-7, display in vitro toxicity and induce pulmonary inflammation,
fibrosis, granulomas and carcinogenesis in vivo. Others, like cellulose nanofibrills (CNF),
seem biocompatible and promising for biomedical applications. Thus, the genotoxic
effects of nanofibres must be deeply studied to identify their possible hazard, and new
“omics” methodologies can uncover their underlying mechanisms of action. Moreover,
distinctive genomic or epigenomic expression profiles may be biomarkers of
occupational exposure to nanofibres. In this work, the two above-mentioned nanofibres
are analyzed in vitro, and the toxic effects of MWCNT-7 compared to those of crocidolite
asbestos. Cytotoxicity and genotoxicity were investigated through conventional assays,
and the differentially expressed microRNA (DE miRNA) in alveolar epithelial cells
exposed to MWCNT-7 or crocidolite identified by next-generation sequencing. The
overall results demonstrate that MWCNT-7 is cytotoxic, genotoxic and immunotoxic.
Notably, it induced nucleoplasmic bridges in alveolar cells, possibly due to its
resemblance with the microtubules and physical interference with the mitotic spindle.
Different viabilities and micronucleus frequencies were observed in alveolar cells when
using a conventional monoculture or a co-culture of these cells with macrophages, which
may be related to their epithelial-mesenchymal transition and consequent increase of
cell resistance to apoptosis. Regarding CNF, at low concentrations it stimulates cell
proliferation, whereas at higher ones it is moderately toxic. Although no immunotoxicity
and no significant DNA damage were detected, low CNF doses induced micronucleus.
Concerning the epigenotoxic study, several DE miRNA were identified in alveolar cells
exposed to MWCNT-7 or crocidolite, and a unique set was identified for each exposure.
Both materials caused common changes in pathways related to cell metabolism, cell
growth and death, cell-to-cell communication, protein processing, and signal
transduction. Other functional pathways were distinctively identified for each material that
sugest particular mechanisms of action. Since most are cancer related, a network of DE
miRNA and target cancer genes was constructed, highlighting the carcinogenic potential
of both materials.
Nos últimos anos, a exposição humana a nanofibras (i.e., fibras com diâmetros <100 nm) tem vindo a aumentar, devido à sua incorporação em vários produtos para consumo humano. Como tal, a preocupação de que as características singulares das nanofibras possam ter efeitos adversos na saúde humana tem-se intensificado, particularmente por inalação em contexto ocupacional. Diversos estudos toxicológicos indicam que certas nanofibras, como o MWCNT-7, têm toxicidade in vitro e induzem inflamação pulmonar, fibrose, granulomas e carcinogénese in vivo. Outras, como a celulose nanofibrilar (CNF), aparentam biocompatibilidade e são prometedoras para aplicações biomédicas. Desta forma, é essencial aprofundar o estudo sobre a sua genotoxicidade para conhecer a sua perigosidade. Neste contexto, as metodologias “ómicas” permitem compreender os mecanismos de ação das nanofibras e, além disso, os perfis genómicos ou epigenómicos podem ser úteis como biomarcadores de exposição ocupacional. Neste trabalho, as nanofibras acima citadas são analisadas in vitro, sendo o MWCNT-7 comparado à crocidolite (amianto). A citotoxicidade e genotoxicidade são analisadas pelos ensaios convencionais, sendo ainda identificados quais os microRNA diferencialmente expressos (miRNA DE) nas células alveolares expostas ao MWCNT-7 ou à crocidolite, por sequenciação de nova geração. Os resultados globais indicam que o MWCNT-7 é citotóxico, genotóxico e imunotóxico. De realçar a indução de pontes nucleoplásmicas nas células alveolares, provavelmente relacionadas com a semelhança do MWCNT-7 aos microtúbulos e interferência com o fuso mitótico. A diferente viabilidade e frequência de micronúcleos nas células alveolares em monocultura ou co-cultura com macrófagos pode estar relacionada com a sua transição epitelial-mesenquimal e aumento da resistência à apoptose. Quanto à CNF, observouse proliferação celular nas doses baixas e citotoxicidade moderada nas doses mais elevadas. Embora não se tenham detetado danos significativos no DNA ou imunotoxicidade, foram induzidos micronúcleos nas doses baixas. No que respeita ao estudo de epigenotoxicidade, foi identificado um conjunto único de miRNA DE nas células expostas ao MWCNT-7 ou à crocidolite. Ambos os materiais causaram as mesmas alterações em vias de metabolismo celular, crescimento e morte celular, comunicação célula-a-célula, processamento proteíco e transdução de sinal. Outras vias distintamente alteradas sugerem mecanismos de acção específicos. Uma vez que a maioria está associada a cancro, foi construída uma rede entre miRNAs DE e genes alvo associados a cancro que realça o potential carcinogénico de ambos os materiais.
Nos últimos anos, a exposição humana a nanofibras (i.e., fibras com diâmetros <100 nm) tem vindo a aumentar, devido à sua incorporação em vários produtos para consumo humano. Como tal, a preocupação de que as características singulares das nanofibras possam ter efeitos adversos na saúde humana tem-se intensificado, particularmente por inalação em contexto ocupacional. Diversos estudos toxicológicos indicam que certas nanofibras, como o MWCNT-7, têm toxicidade in vitro e induzem inflamação pulmonar, fibrose, granulomas e carcinogénese in vivo. Outras, como a celulose nanofibrilar (CNF), aparentam biocompatibilidade e são prometedoras para aplicações biomédicas. Desta forma, é essencial aprofundar o estudo sobre a sua genotoxicidade para conhecer a sua perigosidade. Neste contexto, as metodologias “ómicas” permitem compreender os mecanismos de ação das nanofibras e, além disso, os perfis genómicos ou epigenómicos podem ser úteis como biomarcadores de exposição ocupacional. Neste trabalho, as nanofibras acima citadas são analisadas in vitro, sendo o MWCNT-7 comparado à crocidolite (amianto). A citotoxicidade e genotoxicidade são analisadas pelos ensaios convencionais, sendo ainda identificados quais os microRNA diferencialmente expressos (miRNA DE) nas células alveolares expostas ao MWCNT-7 ou à crocidolite, por sequenciação de nova geração. Os resultados globais indicam que o MWCNT-7 é citotóxico, genotóxico e imunotóxico. De realçar a indução de pontes nucleoplásmicas nas células alveolares, provavelmente relacionadas com a semelhança do MWCNT-7 aos microtúbulos e interferência com o fuso mitótico. A diferente viabilidade e frequência de micronúcleos nas células alveolares em monocultura ou co-cultura com macrófagos pode estar relacionada com a sua transição epitelial-mesenquimal e aumento da resistência à apoptose. Quanto à CNF, observouse proliferação celular nas doses baixas e citotoxicidade moderada nas doses mais elevadas. Embora não se tenham detetado danos significativos no DNA ou imunotoxicidade, foram induzidos micronúcleos nas doses baixas. No que respeita ao estudo de epigenotoxicidade, foi identificado um conjunto único de miRNA DE nas células expostas ao MWCNT-7 ou à crocidolite. Ambos os materiais causaram as mesmas alterações em vias de metabolismo celular, crescimento e morte celular, comunicação célula-a-célula, processamento proteíco e transdução de sinal. Outras vias distintamente alteradas sugerem mecanismos de acção específicos. Uma vez que a maioria está associada a cancro, foi construída uma rede entre miRNAs DE e genes alvo associados a cancro que realça o potential carcinogénico de ambos os materiais.
Description
Tese de doutoramento em Saúde Pública (Saúde Ambiental e Ocupacional), apresentada à Escola Nacional de Saúde Pública da Universidade NOVA de Lisboa, 2019.
Orientadores: António Neves Pires de Sousa Uva, MD, PhD Full Professor, Head of the Department of Occupational and Environmental Health National School of Public Health, NOVA University of Lisbon; Maria João Silva, PhD Leader of the Genetic Toxicology Research Group Department of Human Genetics, National Institute of Health Doutor Ricardo Jorge, Lisbon.
Orientadores: António Neves Pires de Sousa Uva, MD, PhD Full Professor, Head of the Department of Occupational and Environmental Health National School of Public Health, NOVA University of Lisbon; Maria João Silva, PhD Leader of the Genetic Toxicology Research Group Department of Human Genetics, National Institute of Health Doutor Ricardo Jorge, Lisbon.
Keywords
Occupational Exposure Environmental Genotoxicity In vitro Genotoxicity Carbon Nanotubes Nanocellulose miRNA Expression Exposição Ocupacional Genotoxicidade Ambiental Genotoxicidade in vitro Nanotubos de Carbono Nanocelulose Expressão de miRNAs