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Biokinetik und Toxikologie inhalierter Nanopartikel Wolfgang G. Kreyling Helmholtz Zentrum München – Forschungszentrum für Gesundheit & Umwelt Institut für Inhalationsbiologie; Focus Netzwerk: Nanopartikel und Gesundheit D-85758 Neuherberg / München [email protected]; www.helmholtz-muenchen.de/en/ihb/; www.helmholtz-muenchen.de/aerosols/ 6. BfR-Forum Verbraucherschutz: Nanotechnologie Berlin, 10. November 2008 6. BfR-Forum Verbraucherschutz: Nanotechnologie Berlin, 10. November 2008 HelmholtzZentrum münchen German Research Center for Health and Environment Focus Network Nanoparticles and Health Institute for Inhalation Biology

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Page 1: Biokinetik und Toxikologie inhalierter NanopartikelBiokinetik und Toxikologie inhalierter Nanopartikel Wolfgang G. Kreyling Helmholtz Zentrum München – Forschungszentrum für Gesundheit

Biokinetik und Toxikologie inhalierter Nanopartikel

Wolfgang G. Kreyling

Helmholtz Zentrum München – Forschungszentrum für Gesundheit & Umwelt

Institut für Inhalationsbiologie; Focus Netzwerk: Nanopartikel und Gesundheit

D-85758 Neuherberg / München

[email protected]; www.helmholtz-muenchen.de/en/ihb/; www.helmholtz-muenchen.de/aerosols/

6. BfR-Forum Verbraucherschutz: NanotechnologieBerlin, 10. November 2008

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Nanotechnologien -Basis für zukünftige Wissenschaft + Technologien

WelcheRisiken?

Per senachhaltig:

Ressourcen+ Energiesparend

Medicine

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Paradigma der Risikoanalyse für NPexposure assessment hazard identification

hazard characterization risk characterization

NP Dosimetrie Toxikologische Reaktionen auf NP

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Nanoparticles (NP): Access to blood circulationNanoparticles (NP): Access to blood circulation

Alveolar epithelium

Heart

400 m²

~2 m²

Alveolar wallAlveolar wall

1 mm1 mm140 m140 m²², , ErythrozytErythrozyt, 7 , 7 µµmm

Gehr,1988

Daher liefern Biokinetikstudien mit inkorporierten NP:

- Fundierte Dosisabschätzung für jedes Organ

- Rationale Basis für toxikologische Studien mit relevantenDosen (dose-response, modes of action, mechanisms)

- Vermeidung von unsinnigen Überdosisstudien (Paracelcus)

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Nanoparticle (NP) translocation into circulationNanoparticle (NP) translocation into circulation

Alveolar epithelium

urine

kidneys

heart liver

brain

Y YImmunesystem

fetus

UFP

endoth. cell

vessel

UFP TiO2

Epith. cell

Geiser et al., 2005

Microscopic view: in which cells?

parenchymal immuno-competent

Where in cells?

cytoplasm vesicles/organelles nucleus

Macroscopic view

NP content in organs + tissues

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Application + analysis of radio-labeled NP

Inhalation (INH) Intravenous (IV) injection

Radio-NP

administration

t=0 t1 t2 t3

100% balanced sampling:

organs + tissues + remaining carcass + total excretion

no further sample preparation

Gamma-spectroscopic radio-analysis

Biokinetics

Intra-tracheal instillation (IT)

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Intratracheal intubation-ventilation of Ir-NP

-1500 Pa

85Kr-neutral

____50 nm

Ir

Kreyling et al.,2002

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Systemic translocation of Systemic translocation of IrIr NP towards NP towards 22ndnd target organstarget organs

Kreyling et al., 2002

days0 2 4 6 8

lung

cumm. feces

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

excr

eted

orr e

tain

edfr

actio

n

liver

WKY rat, 192Ir NP, 1 hr exposure15 nm CMD, 107 cm-3, 0.2 mg/m³

Semmler et al., 2004

Long-term translocation kineticssame exposure

Same for: spleen, heart, kidneys, brain

Tage nach Inhalation0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Ret

entio

n0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

Leber Milz Gehirn Nieren Herz

WKY-Ratten, (n=4, je Messpunkt)LiverSpleenBrainKidneys Heart

WKY rats (n = 4)

Days after inhalation

There is little but persistent accumulation of Ir-NP in secondary target organsIr NP mass < 1 ng, but number > 108 NP per organ

0days

2 4 6 80.00

0.05

0.10

0.15

0.20

frac

tion

(*10

)-2

particulate Ir in liver excluding soluble Ir

192

192

Frac

tion

(* 1

0- ²)

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Systemic translocation of nanoparticles towards secondary targetSystemic translocation of nanoparticles towards secondary target organsorgans

WKY rat, 192Ir NP, 1 hr exposure15 nm CMD, 107 cm-3, 0.2 mg/m³

1,E+06

1,E+07

1,E+08

1,E+09

1,E+10

1,E+11

lungs liver spleen heart brain kidney

# of

Ir a

ggre

gate

s

six months afterinhalation

1,E-11

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

lungs liver spleen heart brain kidney

mas

s of

Ir a

ggre

gate

s (g

)

six months afterinhalation

Primary particles ~ 2 nm

Specific surface area 1200 m² / cm³

Zeta potential - 20 mV

SIMS-TOF surface analysis IrO2

Unexpected high NP numbers in secondary target organs including heart and brain after six months which are not considered to be exposed to particulate foreign bodies.

Do these many NP cause harm?

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Human dose estimate during continuous exposure applying rat translocation dynamics determined for Ir UFP:

NC (UFP) (3 104 p/cm³) 3 1010 p/m³

Daily inhaled volume 10 m³

Deposition fraction 0.3

Insoluble UFP fraction 0.1

Translocated fraction to brain, heart 0.001 (of lung deposit)

Retained UFP number in brain, heart ~3 109 UFP / year

Systemic translocation of nanoparticles towards secondary targetSystemic translocation of nanoparticles towards secondary target organsorgans

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Translocation of iridium + carbon NP towards Translocation of iridium + carbon NP towards 22ndnd target organstarget organs

Ar

192Ir 192Ir

sparkgenerator 192Ir

agglom.192Ir labeled carb. agglom.

carbon

WKY rat, Ir or carbon UFP + 192Ir label, 1-hr inhalation exposure20 or 80 nm CMD, 107 cm-3, 0.1 mg/m³

Szymczak et al. 2006

0.0001

0.001

0.01

0.1

liver een

neys

heart

brain

lood

24-h

rete

ntio

n

spl

kid b

192-Ir NP, 20nm

EC + 192-Ir NP, 25 nm

* ***

* p<0.05

0.001

0.01

0.1

2nd organs skeleton soft tissue

24-h

rete

ntio

n

192-Ir NP 20 nmEC + 192-Ir NP 25 nm192-Ir NP 80 nm

• Strong dependency of translocation on NP material: iridium vs. carbon NP of same size

• Size dependency of translocation of iridium NP (20 vs. 80 nm)

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- 1500 Pa

O2 N2

sample

Ar

Ti Ti

sparkgenerator

CPC DMPS

-30 Pa

HU

M

Control

anesthetized intubated ratsventilated in

plethysmographs

Kr-85

O (0.1%)2

Ventilation-inhalation system of TiO2 NP

Morphological characterisation of NP distribution in the lungs

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M. Geiser et al., EHP 2005

Morphometry of inhaled TiO2 nanoparticles in rat lungsMorphometry of inhaled TiO2 nanoparticles in rat lungs

tissue

V(v) 1h 24h mean

Air spaceson epithelium

Intracellular,epithelium

Connective Capillarytissue

05

1015205060708090

Part

icle

prof

iles

(% o

f tot

al lu

ngs)

Volu

me

dens

ityV(

v) o

f lun

gco

mpa

rtm

ent

Intubated ventilated WKY rat, TiO2 NP, 1 hr exposure22 nm CMD, 107 cm-3, 0.1 mg/m³morphometry 0 + 24 h after inhalation

Rapid translocation of ~ 20% NP fraction

Volume proportional re-distribution: by which mechanism?

UFP

endoth. cell

vessel

UFP TiO2

Epith. cell

Microscopic view

500 nm

Red blood cell in lung capillary

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198Au55 cluster1.4 nm

Translocation of gold nanoparticles: Effect of particle size

Intratracheal instillation or intravenous injection in WKY rats

1-10 µg 198Au particles in 50 µL saline, negative ionic surface charge

# of particles: 1 1014 (1.5 nm cluster) 2 1011 (18 nm colloid)G. Schmid, Univ of Essen, Germany

Mass fractions of gold nanoparticles in different organs after 24 h

Indeed, size matters!!

198Au colloid18 nm

IV injection

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00liv

ersp

leen

lungskid

neybloodurin

ebrai

nGIT+fe

ces

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloidlung instillation

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

lungsGIT+fe

ces

liver

splee

nkid

ney

blood

urine

brain

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloidlung instillation

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

lungsGIT+fe

ces

liver

splee

nkid

ney

blood

urine

brain

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloidlung instillation

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

lungsGIT+fe

ces

liver

splee

nkid

ney

blood

urine

brain

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloid IV injection

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00liv

ersp

leen

lungskid

neybloodurin

ebrai

nGIT+fe

ces

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloidIV injection

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00liv

ersp

leen

lungskid

neybloodurin

ebrai

nGIT+fe

ces

24-h

rete

ntio

n

1.5nm cluster 18nm colloid

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Semmler-Behnke, Small, 2008

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Administered Gold NP

198Au55 cluster

198Au cluster

198Au cluster

198Au colloid

198Au colloid

198Au-colloid

ionic ionic ionic ionic ionic ionic

diameter (nm) 1.4 2.5 2.5 5 18 80 + 200

ligandphosphi

ne carboxyl aminophosphi

nephosphi

ne phosphine

surface charge negative negative positive negative negative negativeadmin. suspension

vol. (µL) 50 50 50 50 50 50NP mass admin. (µg) 2 1 1 10 5 2

NP number admin. 1014 1013 1013 1013 1011 109 + 108

NP surface admin. (cm²) 5 2 2 7 1 0.1 + 0.01

All gold NP were neutron activated prior to administration to achieve 198Au radio-label

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Toxikologische Reaktionen auf NP:

Rolle verschiedener NP Parameter

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Influx of neutrophils (PMN) : indicator of inflammation

Instillation of ultrafine UF-TiO2 (20 nm) or fine F-TiO2 (250 nm) into rat lungs

Particle surface area (cm2/g lung tissue)

Oberdörster et al., HEI 2000

002000100 300 4000Particle mass (µg)

F-TiO2

UF-TiO2

PMN

influ

x(%

BA

LF c

ells

)Surface area of NP is associated with inflammatory response

250 nm

20 nm

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contr.

Asbestlong

CNTtang1

CNTtang1

Nanopart. carbon black

CNTlong1

Asbesshort

CNToang2

Alv. Macroph: frustriertePhagocytose von CNTlang

Inflammatory parameters only Asbestlong und CNTlong1+2 :

Neutrophil cell influx

increased total protein

Formation of granuloma :

only Asbestlang und CNTlong1+2

Life shortening by mesothelioma

Long, biopersistent carbon nanotubes (CNT) lead to similar pathogenesise as asbestos fibers

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Takagi et al., J. Toxicol Sci. 33:105-116, 2008

Poland et al. Nature Nanotechnology, 2008

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SWNT in urinary supernatant

Virtually no organ & tissue retention after 3 hours

No signs of inflammation

1,3-dipolar cyclo-addition of azomethineylides at oxidized NT sides

Functionalized SWNT & MWNT lead to high solubilization + no toxic response

Singh et al. PNAS (2006) MWNT in urinary supernatant

Original SWNT and MWNT were not excreted in urine and showed

inflammatory responses

Less toxicity of functionalized nanotubes

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Relating particle characteristics to toxicity reduction:

Paradigm of toxicity

Free radicals / Reactive oxygen species

Oxidative stress

Activation of cell signalling pathways

Activation of pro-inflammatory reactionse.g. cytokine expression

at site of exposure and in target organs

Dimensionse.g. Nanotubes

vs spherical nanoparticles

Compositione.g. metals, organics

Surface area Surface reactivitySurface charge

Bioper-sistence

Toxico-kinetics

Mechanisms

Health effects

Search for Safe Nanomaterials

NP + ihre Oberflächenmüssen + können so gestaltet + modifiziertwerden, dass toxische

Reaktionen biologischerSysteme und

Gesundheitsproblemevermieden werden.

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Acknowledgements

HMGU-Inst. f. Inhalation Biology: University of Essen:

Manuela Semmler-Behnke Günter Schmid

Steffi Fertsch Wolfgang Brandau

Jens Lipka

Winfried Möller University of Aachen:

Shinji Takenaka Ulrich Simon

Tobias Stöger

Holger Schulz LM University of Munich:

Wolfgang Parak

University of Berne: Ralph Sperling

Marianne Geiser

Peter Gehr University of Rochester:

Günter Oberdörster

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