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Publication
Assessing the in vitro toxicity of engineered and airborne nanoceramics: contribution to the safe production and use of nanomaterials in the ceramic industry
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Authors
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Abstract(s)
Advanced ceramic technologies have a strong potential for airborne (nano)particle formation and emission, meaning that workers of those industries are at great risk of exposure to these particles. However, toxicological data of these (nano)particles is lacking, particularly for airborne particles released within sectors such as the ceramic industry. To address this relevant topic, the present work aimed to assess the toxicity of occupationally relevant doses of industrially process-generated particles emitted during two industrial thermal spraying technologies [atmospheric plasma spraying (APS) and high velocity oxy-fuel (HVOF)], as well as of four engineered nanoparticles [ENP; tin oxide (SnO2), antimony-tin oxide (ATO; Sb2O3●SnO2), cerium oxide (CeO2) and zirconium oxide (ZrO2)] used as raw materials for ceramics manufacture. Two human respiratory in vitro systems, either conventional alveolar epithelial A549 cultures under submerged or air-liquid interface (ALI) conditions, or advanced three-dimensional (3D) upper airway epithelium (MucilAirTM) cultures at ALI were exposed to the selected particles. Major toxicity endpoints including plasma membrane integrity, metabolic activity, oxidative stress, inflammatory response, and genotoxicity were assessed.
Overall, the tested process-generated particles seem to be more toxic compared to the ENP, most likely due to their higher chemical complexity and composition [elevated levels of metallic elements like chromium (Cr) and nickel (Ni)]. Among the two evaluated thermal spraying processes, particles derived from HVOF were more cytotoxic than those emitted from APS. Either fine (PGFP) and ultrafine (PGNP) particles from both spraying processes were able to induce measurable genotoxic effects. While APS particles lead to increased levels of histone 2AX (H2AX) phosphorylation, HVOF particles caused 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxo-G) oxidative DNA lesions. ENP were more toxic to human alveolar epithelial cultures when aerosolised than in liquid suspension, particularly ZrO2 NP. On the other hand, advanced MucilAirTM cultures, that better mimic in vivo physiological features, such as the mucociliary defence mechanisms, were quite resistant to both HVOF-derived particles and ENP aerosols. Thus, while 3D human upper airway epithelial cultures exhibited attenuated responses, the conventional A549 cultures were more sensitive to the studied (nano)particles.The present work highlights the hazard of industrially derived (nano)particles, either intentionally used or incidentally released into the workplace air during advanced ceramic processes. Importantly, particles’ physicochemical properties alongside the testing conditions (cell model and type of exposure) played a determinant role in the observed biological responses. These findings reinforce the importance of using physiologically relevant in vitro models in (nano)particle toxicity studies, for better data extrapolation to humans.
As tecnologias avançadas usadas na indústria cerâmica têm um forte potencial para a formação e emissão de (nano)partículas em suspensão no ar, o que significa que os trabalhadores dessas indústrias correm um grande risco de exposição a essas partículas. No entanto, os estudos toxicológicos destas (nano)partículas são ainda escassos, principalmente de partículas ambientais libertadas em indústrias como as do setor cerâmico. De modo a abordar este assunto pertinente, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a toxicidade, usando concentrações relevantes do ponto de vista ocupacional, de partículas emitidas durante duas tecnologias de pulverização térmica industrial [pulverização por plasma à pressão atmosférica (APS) e pulverização oxicombustível de alta velocidade (HVOF)], bem como de quatro nanopartículas de engenharia [ENP; óxido de estanho (SnO2), óxido de antimónio-estanho (ATO; Sb2O3●SnO2), óxido de cério (CeO2) e óxido de zircónio (ZrO2)] utilizadas como matéria-prima na manufatura de produtos cerâmicos. Dois modelos in vitro do sistema respiratório humano foram expostos às partículas selecionadas: i) células epiteliais alveolares A549 mantidas sob condições submersas ou na interface ar-líquido (ALI); ii) culturas tridimensionais (3D) avançadas de epitélio respiratório das vias aéreas superiores (MucilAirTM) em condições de ALI. Os principais parâmetros de toxicidade avaliados incluíram a integridade da membrana plasmática, atividade metabólica, stress oxidativo, resposta inflamatória e genotoxicidade. Na generalidade, as partículas geradas pelos dois processos de pulverização térmica causaram maior toxicidade comparativamente às ENP, muito provavelmente devido à sua maior complexidade e composição química, apresentando níveis elevados de elementos metálicos como crómio (Cr) e níquel (Ni). Entre os dois processos de pulverização térmica avaliados, as partículas derivadas do processo de HVOF foram mais citotóxicas do que as emitidas durante o processo de APS. Para ambos os processos de pulverização, tanto as partículas finas (PGFP) como as nanopartículas (PGNP) originadas foram capazes de induzir efeitos genotóxicos. No entanto, enquanto as partículas emitidas por APS levaram ao aumento dos níveis de fosforilação de histona 2AX (H2AX), as partículas de HVOF causaram lesões oxidativas no DNA do tipo 8-oxo-guanina (8-oxo-G). Por um lado, as células epiteliais alveolares humanas foram mais sensíveis à ação das ENP quanto cultivadas em condições de ALI e expostas às ENP sob a forma de aerossol, do que quando expostas em condições submersas às ENP dispersas em meio de cultura sem soro bovino fetal, particularmente as ZrO2 NP. Por outro lado, as culturas avançadas MucilAirTM, que melhor recapitulam caraterísticas fisiológicas observadas in vivo como o transporte mucociliar, um importante mecanismo de defesa, foram mais resistentes às partículas emitidas por HVOF e às ENP, comparativamente às culturas epiteliais alveolares humanas convencionais. Deste modo, os modelos 3D de culturas do epitélio respiratório humano das vias aéreas superiores apresentaram uma resposta mais atenuada, enquanto as culturas convencionais de células A549 foram mais sensíveis às (nano)partículas estudadas. O presente trabalho destaca assim o perigo das (nano)partículas libertadas durante processos industriais ou utilizadas como matéria-prima para a manufatura de cerâmicas. Não apenas as propriedades físico-químicas das partículas, mas também as condições de exposição, i.e. o modelo celular in vitro usado e o tipo de exposição, tiveram um papel determinante nos efeitos biológicos observados. Estes resultados reforçam a importância do uso de modelos in vitro fisiologicamente relevantes no estudo de toxicidade de (nano)partículas, para uma melhor extrapolação dos resultados para o Homem.
As tecnologias avançadas usadas na indústria cerâmica têm um forte potencial para a formação e emissão de (nano)partículas em suspensão no ar, o que significa que os trabalhadores dessas indústrias correm um grande risco de exposição a essas partículas. No entanto, os estudos toxicológicos destas (nano)partículas são ainda escassos, principalmente de partículas ambientais libertadas em indústrias como as do setor cerâmico. De modo a abordar este assunto pertinente, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a toxicidade, usando concentrações relevantes do ponto de vista ocupacional, de partículas emitidas durante duas tecnologias de pulverização térmica industrial [pulverização por plasma à pressão atmosférica (APS) e pulverização oxicombustível de alta velocidade (HVOF)], bem como de quatro nanopartículas de engenharia [ENP; óxido de estanho (SnO2), óxido de antimónio-estanho (ATO; Sb2O3●SnO2), óxido de cério (CeO2) e óxido de zircónio (ZrO2)] utilizadas como matéria-prima na manufatura de produtos cerâmicos. Dois modelos in vitro do sistema respiratório humano foram expostos às partículas selecionadas: i) células epiteliais alveolares A549 mantidas sob condições submersas ou na interface ar-líquido (ALI); ii) culturas tridimensionais (3D) avançadas de epitélio respiratório das vias aéreas superiores (MucilAirTM) em condições de ALI. Os principais parâmetros de toxicidade avaliados incluíram a integridade da membrana plasmática, atividade metabólica, stress oxidativo, resposta inflamatória e genotoxicidade. Na generalidade, as partículas geradas pelos dois processos de pulverização térmica causaram maior toxicidade comparativamente às ENP, muito provavelmente devido à sua maior complexidade e composição química, apresentando níveis elevados de elementos metálicos como crómio (Cr) e níquel (Ni). Entre os dois processos de pulverização térmica avaliados, as partículas derivadas do processo de HVOF foram mais citotóxicas do que as emitidas durante o processo de APS. Para ambos os processos de pulverização, tanto as partículas finas (PGFP) como as nanopartículas (PGNP) originadas foram capazes de induzir efeitos genotóxicos. No entanto, enquanto as partículas emitidas por APS levaram ao aumento dos níveis de fosforilação de histona 2AX (H2AX), as partículas de HVOF causaram lesões oxidativas no DNA do tipo 8-oxo-guanina (8-oxo-G). Por um lado, as células epiteliais alveolares humanas foram mais sensíveis à ação das ENP quanto cultivadas em condições de ALI e expostas às ENP sob a forma de aerossol, do que quando expostas em condições submersas às ENP dispersas em meio de cultura sem soro bovino fetal, particularmente as ZrO2 NP. Por outro lado, as culturas avançadas MucilAirTM, que melhor recapitulam caraterísticas fisiológicas observadas in vivo como o transporte mucociliar, um importante mecanismo de defesa, foram mais resistentes às partículas emitidas por HVOF e às ENP, comparativamente às culturas epiteliais alveolares humanas convencionais. Deste modo, os modelos 3D de culturas do epitélio respiratório humano das vias aéreas superiores apresentaram uma resposta mais atenuada, enquanto as culturas convencionais de células A549 foram mais sensíveis às (nano)partículas estudadas. O presente trabalho destaca assim o perigo das (nano)partículas libertadas durante processos industriais ou utilizadas como matéria-prima para a manufatura de cerâmicas. Não apenas as propriedades físico-químicas das partículas, mas também as condições de exposição, i.e. o modelo celular in vitro usado e o tipo de exposição, tiveram um papel determinante nos efeitos biológicos observados. Estes resultados reforçam a importância do uso de modelos in vitro fisiologicamente relevantes no estudo de toxicidade de (nano)partículas, para uma melhor extrapolação dos resultados para o Homem.
Description
Tese de doutoramento em Ciências Biomédicas, apresentada ao Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar da Universidade do Porto, 2022.
Orientador: Sónia Alexandra Teixeira Fraga (INSA); Coorientadores: João Paulo Fernandes Teixeira (INSA), Blanca Lage Laffon
Tese defendida a 1/7/2022
This thesis describes research conducted at the Dept. of Environmental Health from the National Institute of Health Dr. Ricardo Jorge (INSA; Porto, Portugal), the National Institute for Public Health and the Environment (RIVM; Bilthoven, The Netherlands), and at the Institute of Environmental Assessment and Water Research (IDAEA; Barcelona, Spain).
Orientador: Sónia Alexandra Teixeira Fraga (INSA); Coorientadores: João Paulo Fernandes Teixeira (INSA), Blanca Lage Laffon
Tese defendida a 1/7/2022
This thesis describes research conducted at the Dept. of Environmental Health from the National Institute of Health Dr. Ricardo Jorge (INSA; Porto, Portugal), the National Institute for Public Health and the Environment (RIVM; Bilthoven, The Netherlands), and at the Institute of Environmental Assessment and Water Research (IDAEA; Barcelona, Spain).
Keywords
Ceramic Technology Process-generated Particles Engineered Nanoparticles; Hazard Assessment In vitro Inhalation Toxicity Testing Submerged Cultures 3D Cultures Air-liquid Interface Tecnologias da Indústria Cerâmica Partículas geradas por Processos Industriais Nanopartículas de Engenharia Avaliação do Perigo Testagem In Vitro de Toxicidade por OInalação Culturas Submersas Culturas 3D Interface Ar-líquido Genotoxicidade Ambiental