Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Halle, Univ., Naturwissenschaftliche Fakultät II, Diss., 2009. / Tag der Verteidigung: 25.05.2009.

Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2008

Diese Studie beschäftigt sich mit den toxischen Effekten von Zinkoxid Nanopartikeln (ZnO NP) auf humane Nasenschleimhautzellen. Speziell wurde eine mögliche Kumulation von DNS-Schäden und deren Reparatur analysiert. Zu diesem Zweck wurde ein dreidimensionales Kultursystem, sogenannte Miniorgankulturen, aus humaner nasaler Mukosa verwendet. Eine Charakterisierung der verwendeten Zinkoxid Nanopartikel erfolgte unter dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) und durch eine Zetapotentialmessung. Nach einer Woche Kultivierung fand eine Exposition der MOK mit einer Zinkoxid Nanopartikel Suspension in einer Konzentration von 0,1 µg/ml und 5 µg/ml statt. Als Positivkontrolle wurde in diesem Versuch 200µM Methymethansulfonat (MMS) zugesetzt. Es erfolgten drei jeweils einstündige Inkubationsphasen, wobei nach jeder Stunde ein Teil der MOKs für den Cometassay entnommen wurde. Nach dreimaliger Exposition wurden die verbliebenen MOKs für 24 Stunden zur Regeneration in unversetztem Nährmedium belassen und dann dem Cometassay zugeführt. Ergänzend wurde ein Sandwich ELISA zur Detektion von Caspase 3 durchgeführt. Zn2+ Ionen wurden im Zellkulturmedium analysiert. Der Nachweis von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erfolgte fluoreszenzmikroskopisch. Die DLS konnte eine durchschnittliche Partikelaggregatgröße von 354 nm nachweisen und das Zetapotential betrug -11,2 mV. Die im Cometassay festgestellten DNS-Schäden zeigten bei einer Zinkoxid Nanopartikel Konzentration von 0,1 µg/ml erst nach der Regenerationsphase von 24 Stunden einen signifikanten Anstieg, während 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikel zu jedem Zeitpunkt einen signifikanten Anstieg der DNS Fragmentation bewirkten. Das Ausmaß an Strangbrüchen nach 24 Stunden stieg auch hier nach 24stündiger Regenerationsphase nochmals an. 200 µM MMS induzierten ebenfalls einen signifikanten Anstieg der OTM-Werte bei einer, zwei und drei Stunden. Im Laufe der Regenerationsphase führten Reparaturmechanismen zu einem Absinken der OTM-Werte. Der Sandwich ELISA zeigte keinen signifikanten Anstieg der Caspase 3 Werte. Im Nährmedium konnte eine Zn2+ Ionenkonzentration von 2,8 µmol/ml nach einer Inkubation mit 0,1 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln festgestellt werden. Bei einer Inkubation mit 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln zeigte sich eine Ionenkonzentration von 52,7 µmol/ml. Intrazelluläre ROS konnte nur bei einer Exposition mit 5 µmol/ml Zinkoxid Nanopartikeln nachgewiesen werden. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass Zinkoxid Nanopartikel in den verwendeten Konzentrationen genotoxisch wirken, aber keine zytotoxische Wirkung entfalten. Die Schädigung kumuliert und schreitet während der Regenerationsphase noch fort. Eine multifaktorielle Schädigung der DNS, sowohl durch direkte Interaktion der Partikel mit dem Erbgut, als auch über entstandene ROS und Zn2+ Ionen, ist anzunehmen. / This study examines the toxic effects of zincoxide nanoparticles (ZnO NPs) in nasal mucosa cells. Especially the possible accumulation of DNA damages und their reparation was analysed. For this purpose we used mini organ cultures (MOCs) out of human nasal mucosa. The zinc oxide nanoparticles were characterized under a transmission electron microscope and by zeta potential measurement. After one week of cultivation, the MOCs were exposed to a ZnO NP suspension. The concentrations were 0,1 µg/ml and 5 µg/ml. 200µM methylmethane sulfonate (MMS) was used as positive control. The MOCs were incubated three times for one hour. After each hour some of the MOCs were analysed with the Cometassay. The last MOCs stayed for 24 hours in the cell culture medium for regeneration. A sandwiche ELISA was performed to detect Caspase 3. Zn2+ ions were analysed in the cell culture medium. To detect reactive oxygen species (ROS), the cells were analysed under a fluorescence microscope. The average particle size was 345 nm. The zeta potential was –11,mV. DNA damage was detected to ZnO-NPs at 0.1 μg/ml ZnO-NPs after a 24h lasting regeneration time. 5 µg/ml ZnO NPs damaged the DNA at every point of time. The sandwich ELISA showed no significant increase of Caspase 3 in the medium. 0,1 µg/ml ZnO NPs resulted in a Zn2+ ion concentration of 2,8 µmol/ml and 5 µg/ml in a concentration of 52,7 µmol/ml. ROS could only be detected after an incubation with 5 µg/ml ZnO NPs. Thus the results suggest that ZnO NP in these concentrations are genotoxic but not zytotoxic. The damage cumulates and is increasing throughout the regeneration time. A multifactorial damage of the DNA, through direct interaction of the particles and also through ROS and zinc ions, is to suppose.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009

Einleitung: Zinkoxid (ZnO) ist eines der am häufigsten für industrielle Produktionen und Konsumgüter eingesetzten Nanomaterialien. Zytotoxizität von ZnO-Nanopartikeln (NP) war bereits Gegenstand einiger Studien, jedoch sind die molekularen Schädigungsmechanismen nicht gänzlich geklärt. Über genotoxische Eigenschaften, die bereits bei sub-zytotoxischen Dosen auftreten können, ist im Allgemeinen weniger bekannt. Ziel dieser Studie war die Erstellung eines umfassenden Toxizitätsprofils von ZnO-NP durch Einsatz multipler Testsysteme. Methoden: Neben der Plattenepithelkarzinom-Zelllinie FaDu wurden humane mesenchymale Knochenmarkstammzellen (BMSC) für unterschiedliche Zeiträume und Konzentrationen mit ZnO-NP behandelt. Zytotoxizität, Apoptoseinduktion und Zellzyklusalteration wurden durch MTT-Test, PCR und Durchflusszytometrie analysiert. Mit dem fpg-modifizierten Comet Assay wurden der Einfluss von oxidativem Stress auf das Gesamtausmaß der DNA-Schädigung untersucht. Ergebnisse: ZnO-NP führten im MTT-Test ab 8 µg/ml zu einer Reduktion der Vitalität in FaDu-Zellen. Durchflusszytometrisch wurden eine dosis- und zeitabhängige Zunahme von Apoptose sowie Veränderungen des Zellzyklus nachgewiesen. Im Comet Assay konnte nach Inkubation mit 5 µg/ml ZnO-NP eine signifikante DNA-Fragmentierung in BMSC nachgewiesen werden. Bei allen getesteten Konzentrationen wurde oxidativer Stress als wichtiger Einflussfaktor der Schädigung nachgewiesen. Diskussion: Vorliegende Studie liefert Hinweise dafür, dass ZnO-NP toxisch sind. Gegenwärtig ist eine definitive Aussage über das schädigende Potenzial von NP nicht zu treffen, da der Vergleich verschiedener Studien kaum möglich ist. Gerade die Verwendung von ZnO-NP als Bestandteil von Kosmetikprodukten, die repetitiv in geringen Mengen von Verbrauchern appliziert werden, sollte jedoch kritisch betrachtet werden. / Introduction: Zinc oxide (ZnO) is among the most commonly used nanomaterials for consumer products. Cytotoxicity of ZnO-nanoparticles (ZnO-NP) has already been addressed in several studies; however, there is still a lack of knowledge concerning the molecular mechanisms of toxicity. As to genotoxicity, which can already occur at sub-toxic doses, data is generally rare. It was therefore the aim of this study to establish a broad profile of toxicity for ZnO-NP by applying multiple test systems. Methods: Besides the head and neck squamous cell carcinoma-derived cell line FaDu, primary human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSC) were treated with ZnO-NP with variable doses and for different time periods. Cytotoxicity, induction of apoptosis and cell cycle alteration were assessed by MTT-Test, PCR and flow cytometry. Fpg-modified Comet Assay was used to determine the influence of oxidative stress with regard to the total DNA-damage. Results: 8 µg/ml ZnO-NP reduced cell viability in FaDu cells in the MTT-Test. Dose- and time-dependent increase of apoptosis and alterations of the cell cycle were verified by flow cytometry. After incubation with 5 µg/ml ZnO-NP a significant DNA-fragmentation was measured in BMSC with the Comet Assay. In all tested concentrations oxidative stress could be identified as an important factor of cell damage. Discussion: This study provides evidence that ZnO-NP are toxic. At the current point a definite statement concerning the damaging potential of ZnO-NP is not to be made because the comparison between different studies is not possible. Yet especially the repetitive low-dose application of ZnO-NP as component of cosmetic products should be investigated toxicologically.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009