The fields of Nanomedicine is rapidly expanding. Already numerous nanoparticles have entered clinical trials. However, certain nanostructures, though, therapeutically and diagnostically promising, can induce toxicity both in vitro and in vivo; cadmium telluride quantum dots fall into this category. Quantum dots (QDs) are highly fluorescent, semi-conducting nanocrystals, that consist of a metallic core. Compared to traditional fluorophores, QDs have superior optical qualities, including resistance to photobleaching, broad spectrum excitation and narrow emission. Cadmium telluride (CdTe) QDs were the first to be synthesized without organic solvents, and thus, considered suitable for biological application. However, early studies demonstrated that QDs induced cytotoxicity and oxidative stress. Although, this QD-toxicity was ascribed to cadmium (Cd) liberation from the QD-core, no empirical evidence was shown. Due to the attractiveness of QDs for biological applications, it was necessary that the mechanisms involved in QD-toxicity be understood so they may be prevented. Preliminary studies from our laboratory indicated that the antioxidant, N-acetlycysteine could prevent QD-toxicity. We, thus, hypothesized that QD-toxicity was not exclusively due to cadmium leaching from the QD. To evaluate this, an assay measuring free Cd was adapted for cellular use, to measure Cd present in both the cellular media and intracellularly. The cytotoxicity of various QDs was evaluated and correlated with the intracellular Cd. Results from this study showed no correlation between QD-toxicity and Cd release from QDs. We next questioned whether QD-toxicity could be explained as the sum of parts of the toxicity associated with core constituting metals, and whether the complexity of the model system used influences the cytotoxicity observed. We employed three model systems of the peripheral nervous system (an immortalized cell line, heterogeneous primary cultures and a three dimensional tissue model) and evaluated the toxicity of Cd, Te and QDs in each. Our findings showed that QDs are not a sum of parts and QD-toxicity is better ascribed to the induction of oxidative stress which is prevented by application of the multi-modal antioxidant, lipoic acid. Further, the model systems did not depict QD-toxicity comparably, stressing the need for standardization in nanotoxicological studies. Finally, it had been shown that Cd association with the estrogen receptor (ER) in ER expressing cells can activate estrogenic signalling. As such, Cd is considered a metalloestrogen. Given that QDs liberate Cd that can be detected in the cell, we investigated whether in ER expressing cells, QDs may act as metalloestrogens and induce estrogenic signalling. Results in vitro showed that QDs exert potent estrogenic signalling, comparable with estradiol, including cell proliferation, AKT phosphorylation, ERK phosphorylation and nuclear ER activation. These effects could be attenuated via pretreatment with the specific ER antagonist, ICI 182780, affirming that QD-induced estrogenic activity was mediated via the ER. To determine whether the estrogenic activity of QDs could also be demonstrated in vivo, ovariectomized mice were treated with QDs for two weeks, prior to being sacrificed. Subsequently, the wet weights of the mice uteruses were measured. In mice treated with QDs and estradiol a comparable 2.5 fold increase in uterine wet weight was observed. Taken together, these results indicate that CdTe QDs are both cytotoxic and endocrine disrupting, metalloestrogens. Though these nanocrystals may have valuable applications in biology the implications of QD-use are dangerous to plants, animals, humans and the environment. Therefore, it is imperative that Cd-free QDs be developed that retain the attractive qualities of QDs while preventing the detrimental side effects. Further, standardized testing of nanoparticles is imperative for the safe use of these novel tools. / La nanotechnologie et la nanomédecine sont des domaines en pleine expansion. Certaines nanoparticules sont déjà entrées dans des essais cliniques et sont deja utilisées par les patients. Par contre, certaines nanostructures, bien qu'elles soient prometteuses à des fins cliniques ou diagnostiques, sont capables d'induire de la cytotoxicité in vitro et in vivo; les boîtes quantiques de cadmium telluride (CdTe) constituent un exemple.Les boîtes quantiques (BQ) sont des nanocrystaux semi-conducteurs fluorescents qui contiennent un noyau métallique entouré d'une couche organique. Les BQ ont des propriétés optiques supérieures aux autres fluorophores traditionnelles. Par exemple, ils sont plus résistants au photoblanchiment et sont caractérisés par un spectre d'excitation large et d'émission étroit. Les BQ CdTe, les premiers à être synthétisés sans l'utilisation de solvant organique, ont été prometteurs dans certaines applications biologiques. Cependant, les premières études ont démontré que ces BQ induisent de la cytotoxicité et produisent du stress oxydatif. Le cadmium (Cd) libéré pourrait être à la base de ces effets toxiques, mais cela n'a pas encore été prouvé. Les études préliminaires au sein de notre laboratoire démontrent que le pré-traitement avec un antioxydant, N-acétyl-cystéine, était capable de diminuer le niveau de toxicité associée au BQ. On a avancé l'hypothèse que cette toxicité n'était pas exclusivement liée au Cd qui est libéré des BQ. Nous avons effectué des expériences fluorométriques où nous mesurions les niveaux de Cd libres dans la cellule et dans le milieu extracellulaire. Ces expériences indiquent qu'il n'existe aucune corrélation entre la toxicité associée au BQ et le Cd libéré. Par après, nous nous sommes demandé si les constituants métalliques du noyau des BQ et les modèles dans lesquels les BQ avaient été évalués, étaient impliqués dans la toxicité associée au BQ. Nous avons évalué la toxicité du Cd, tellurium et BQ dans trois modèles du système nerveux périphérique (lignée de cellule immortalisée, cultures primaires hétérogènes et modèle de tissue tridimensionnel). Les résultats démontrent que la toxicité des BQ est principalement attribuée à l'induction du stress oxydatif, qui peut être prévenu en appliquant un antioxydant multimodal, l'acide lipoique.Dans les cellules, Cd peut s'associer avec les récepteurs d'œstrogènes (RE) et activer les voies de signalisation reliées à ce récepteur. Par conséquent, Cd est considéré comme étant un métallo-œstrogène. Nous avons montré que les BQ libèrent du Cd et que celui-ci est internalisé et retenu dans les cellules. Les effets induits par les BQ dépendaient du modèle biologique utilisé. Les études in vitro montrent que les BQ exercent une forte signalisation oestrogénique comparable à celle de estradiol et induisent la prolifération cellulaire, la phosphorylation d'AKT et d'ERK et l'activation du RE nucléaire. Ces effets étaient atténués par un pré-traitement avec un inhibiteur du RE, ICI 182780. Ces résultats affirment, donc, que les BQ exercent leurs activités oestrogéniques via les RE. Dans nos études in vivo nous avons utilisé des souris ovariectomisées qui avaient été traitées avec des BQ ou du estradiol pendant deux semaines, et par ensuite sacrifiées. Les traitements ont fait augmenter de 2.5 fois le poids de l'utérus des souris. Dans l'ensemble, ces résultats montrent que les BQ CdTe exercent à la fois des effets cytotoxiques et métallo-eostrogéniques. Malgré leurs potentiels d'application en imagerie ou dans les procédures diagnostiques, il est clair que les BQ peuvent nuire aux plantes, aux animaux, aux humains et à l'ensemble de l'environnement. Il y a un besoin urgent de développer des BQ sans cadmium qui possèdent des qualités attrayantes de BQ mais qui sont dépourvus d'effets secondaires détrimentaux. Cet objectif pourra être atteint à l'aide d'essais plus élaborés et sophistiqués pour déceler les risques des nanoparticules.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110346 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Jain, Manasi Pancholy |
| Contributors | Dusica Maysinger (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pharmacology & Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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