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• Journée d’étude « Nano : enjeux et risques » 24 avril 2015 • nom de l’orateur nom de la firme

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Evaluation de la toxicité potentielle des Nanomatériaux : étude de cas

Jean-Pascal Piret Research Unit of Cellular Biology (URBC)

University of Namur

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Nanoparticles

April 2015 : 1824 consumer products containing nanomaterials (http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/)

Most used NPs:

- Ag

- C

- TiO2

- SiO2

- ZnO

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Nanoparticles and toxicity

?

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Great diversity of nanomaterials (chemical composition, size, shape, specific surface area, functionalized or not);

Carbon nanotubes Copper oxide (spherical)

Copper oxide (rod-shaped) Silicon carbide Titanium carbide Gold sticks

Pluridisciplinary research team

Nanotoxicology: complex discipline

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Coordination

Coordinator Dr Olivier Toussaint

Multidisciplinary platform

Characterization (PMR-LARN)

Prof. Stéphane Lucas Dr Omar Lozano

Dr Jorge Mejia Mendoza

In Vitro Toxicology (URBC)

Dr Olivier Toussaint Dr Jean-Pascal Piret Dr Randa Ben Ameur

Elise Dumortier

In Vivo Toxicology (Dpt. Of Pharmacy)

Prof. Jean-Michel Dogné Dr Julie Laloy Lutfiye Alpan

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FEG-SEM with EDX (JEOL)

Centrifugal liquid sedimentation (CLS) • Particle size distribution of NPs in suspension (stock solutions, dispersion in

cell culture media). • Estimation of number and mass of NPs in liquid sample.

• Particle size and shape analysis. • Selective area chemical identification

(particles and/or matrix)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 100 1000 10000Particle hydrodynamic diameter (nm)

dilution in cell culture medium

centrifugal liquid sedimentation

H2O-stirred MWCNT

H2O-sonicated MWCNT

HPC-sonicated MWCNT

F108-sonicated MWCNT

Rel

ativ

e w

eigh

t

Certified by the IRMM-JRC, in 2009, as a reference laboratory for NPs characterization with CLS, SEM and TEM

Rod shaped CuO NPs

Spherical CuO NPs

PMR-LARN: Nanoparticles characterization

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Acute (1 day) and subacute (5 days/week, total 28 days) oral

exposure

Histological analysis of the main organs

Blood analysis: Glucose

Total cholesterol Na+ and K+

Alkaline phoshatases Creatinine (kidney)

Urea (kidney) Total proteins

Albumin Bile acids (liver)

Transaminases (liver)

Stomach

Acute (6h exposure + 0, 1, 3 days of recovery) and subacute (5 days exposure + 0, 3, 56 days recovery)

inhalation exposure

Treated animals (NP aerosol )

Control animals (clean filtered air)

Aerosol generator : RBG-1000® Aerosol analyser :

ELPI® (NPs concentration – Size distribution)

Oral exposure (gavage) Whole-body exposure

Department of Pharmacy (NAMEDIC): In vivo studies

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0 3,600 7,200 10,800 14,400 18,000 21,6000

1.0×105

2.0×105

3.0×105

4.0×105

5.0×105

6h24h72h

Time (sec)

Num

ber (

part

icle

s.cm

-3)

0.020.04

0.070.12

0.200.31

0.480.76

1.221.95

3.076.26

0

2.0×104

4.0×104

6.0×104

8.0×104

1.0×105

(B)

µm

Part

icle

s.cm

-3

Stable concentration of SiC generated of approximately 250,000 particles.cm-3 Bimodal distribution in number with peaks at 100 nm and 500 nm

Laloy et al., 2015

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A

C

B

D

Increase number of neutrophils Macrophages filled with SiC NPs

Significant increase of total proteins and LDH activity in BALF immediately after exposure to SiC NPs aerosol

Limited acute inflammatory response was found up to 24 h after exposure characterized by LDH and total protein increase or presence of inflammatory cells in pulmonary lavage Laloy et al., 2015

SiC 0h

SiC 24h

CTL

LDH LDH

LDH

LDH

LDH LDH

Measurement in cell culture medium of the LDH activity

by spectrophotmetry

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cutaneous contact

inhalation

ingestion

epidermis

intestinal epith.

bronchial epith.

SZ95 sebocytes

N-hTERT keratinocytes

Calu-3 bronchial

epithelial cells

A549 alveolar cells

HepG2 hepatoma cells

In vitro cellular models for NPs toxicity evaluation

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NPs dispersion protocols NPs characterization in in vitro toxicity evaluation In vitro cell models In vitro assays interference

In vitro study of NPs toxicity

epidermis

keratinocytes

Copper oxide (rod-shaped) Titanium carbide

Gold sticks

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0

20

40

60

80

100

120

0 1 10 25 50 100

Via

bilit

y (%

of c

ontr

ol)

NPs concentrations (µg/ml)

Caco-2 cells (intestinal cells)

Sonicated

Stirred

0

20

40

60

80

100

120

STS CTL 1 10 25 50 100

Via

bilit

y (%

of c

ontr

ol

NPs concentrations (µg/ml)

A549 cells (alveolar cells) Sonicated

Stirred

0

20

40

60

80

100

120

0 1 10 25 50 100

Via

bilit

y (%

of c

ontr

ol)

NPs concentrations (µg/ml)

THP-1 cells (immune cells) Sonicated

Stirred

Different toxic effect depending on dispersion method Cell type specific effect

Evaluation of potential toxicity of sonicated or stirred ZnO NPs on different cell lines

Stirred

Sonicated

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MWCNT stirred in water for 90 min

• highly hydrophobic

• Very difficult to disper in aqueous liquid

• highly agglomerated

TEM TEM

Raw MWCNT powder

MWCNT behaviour in water

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H2O

+ MWCNT 90 min

stirring

H2O

+ MWCNT 30 min

stirring 90 min sonication

1 % HPC (hydroxy-propyl-cellulose)

+

H2O

+ MWCNT 30 min

stirring 90 min sonication

30 min 13,000 rpm

30 min stirring

+

1 % Pluronic F108 H2O

+ MWCNT 90 min

sonication 30 min 13,000 rpm

Piret, Detriche et al., 2010; J. Part. Res.

Four dispersion methods of MWCNT

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0

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20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 100 1000 10000Particle hydrodynamic diameter (nm)

dilution à 100 µg/ml

(Epilife)

sédimentation différentielle

NT agités H2O

NT soniqués

H2O

NT soniqués

HPC

NT soniqués

F108

Rel

ativ

e w

eigh

t

Vankoningsloo, Piret et al., 2010 Nanotoxicology

Size distribution and agglomeration state of MWCNT in cell culture medium

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MTS

LDH

KER

100 µm

CTL BC H2O + MWCNT

H2O + sonicated MWCNT

HPC HPC+ sonicated MWCNT

F108 F108+ sonicated MWCNT

Sebocytes (SZ95)

24h

N-hTERT Keratinocytes

24h

CTL BC H2O + MWCNT

H2O + sonicated MWCNT

HPC HPC+ sonicated MWCNT

F108 F108+ sonicated MWCNT Vankoningsloo, Piret et al., 2010; Nanotoxicology

KER

KER KER

100 µm

Effects of MWCNT on the viability of N-hTERT keratinocytes or sebocytes (24h or 48h)

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(a) (b) (c)

Meija, Tichelaar et al., 2011, J. Nanopart. Research

H2O + sonicated MWCNT F108 + sonicated MWCNT Pristine MWCNT

Sonication induces degradation (even breaking) in MWCNT outermost wall Pluronic F108 thighly wraps the MWCNT surface

Classical dispersion methods (sonication; presence of dispersants) could alter the biological effects of MWCNT making them more or less toxic, in a way not relevant to the actual exposure situation

TEM analysis of sonicated MWCNT in water or in F108 pluronic

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CTL BC 1 mg/ml MWCNT 2.5 mg/cm2

50 µm

CTL BC 1 mg/ml

H2O + MWCNT 100 µg/ml

H2O + sonicated MWCNT 100 µg/ml

HPC

HPC + sonicated MWCNT 100 µg/ml

F108

F108 + sonicated MWCNT 100 µg/ml

50 µm

Effects of MWCNT on the morphology of in vitro reconstituted epidermises after 24h of incubation

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Spectro-photometry

MTT – tetrazolium

salt

MTT – formazan salt

Reducing enzymes

iso-propanol

CNT 1 Physical interaction

2 colorimetric interference

4 Fluorimetric interference

LDH

NAD+ NADH

pyruvate lactate

diapho- rase

NAD+

Substrate

Red component (490 nm)

Spectro- fluorimetry

H2O2 DCF DCF

485 nm 520 nm

3 Enzymatic interference LDH

NAD+ NADH

pyruvate lactate

NADH NAD+

Substrate

Red component (490 nm)

Development of standardized operating procedure (SOPs) for in vitro assays

NPs interference with in vitro tests

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NPs brutes

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10 100 1000 10000Particle hydrodynamic diameter (nm)

Nanotubes multi-paroi série 7000 (Nanocyl)

Diamètre moyen SEM 12 nm

Longueur SEM > 1 µm

Surface spécifique BET 323.7 m2/g

Composition chimique C O Al Fe Co

Global (atom %) EDX 90.9 6.9 2.1 0.1 0.1

PIXE 2.6 0.4 0.1

Surface (atom %) XPS 97.5 2.5

Valeurs attendues TGA 90.0 10.0

caractérisation physico-chimique

suspensions modèles

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

D.O.

(490

nm

) / µ

g pr

otéi

nes

CTL CB NT

P < 0,001

n = 3

tests

réalistes adéquats compatibles

In summary

? SOPs Guidelines

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NPs Aggregated platelets

0 10 20 300

100

200

300

400

500

600500 µg/mL100 µg/mL25 µg/mL5 µg/mL

Tyrode buffer

Time (min)

Con

tact

pat

hway

indu

ced

activ

e th

rom

bin

conc

entr

atio

n (n

M) SiO2

Guidelines proposal

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Le NNC, acteur majeur dans le domaine de la « nanosafety »

Programme d’excellence (Jan. 2006 – Dec. 2011) co-financed by DGO6-SPW and University of Namur

Toxicologie Nanotechnologies

Jan. 2012 Centre multidisciplinaire

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Le NNC: acteur majeur dans le domaine de la « nanosafety »

• 10 scientifiques: biologistes, physiciens, pharmaciens

• > 25 publications

• Certification au niveau européen (CLS, SEM and TEM) Partenaire de référence de l’Institute for Reference Materials and Measurements -

European Commission - Joint Research Centre

• Participation à 7 projets nationaux

• Participation à 5 projets européens en nanotoxicologie (QualityNano, Nanovalid et NANoREG, NANOGECO, NanoToxClass)

• Participation à 5 appels à projet (Horizon 2020)

• Accueil de 11 chercheurs européens (185 jours / 36 mois) dans le cadre des accès transnationaux (QualityNano)

Research & Academia Public Sector Private Companies

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Notre futur (vision)

• Occupational safety:

• projet NANOGECO (Integration of nanomaterials in paints)

• Partenariat (non exclusif) avec SPF santé (mesures sur site, exposition travailleurs)

• Ecotoxicology (DG03-SPW): Etat des connaissances sur les impacts des NPs sur l’environnement en Wallonie

• Food safety (Master thesis)

• Laboratoire aux normes GLP Vous êtes les bienvenus

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Department of Pharmacy

[email protected] [email protected]

Video: Lab'InSight Toxicological Risk Assessment (Unamur)

Dessau medical center (Germany)

Prof Christos C. Zouboulis