Inflammatory effects of nanosized titanium dioxide and carbon nanotube pulmonary exposure

Common materials acquire new properties when manufactured in the nanoscale. The same properties that are responsible for the exciting new possibilities are also a cause for some concern. The high surface area to volume ratio is a feature of engineered nanomaterials (ENM) that causes the amount of surface area to dominate their possible effects. In the case of carbon nanomaterials and other fibers, also the shape and length of the particle play important roles. The two ENM studied in this thesis, nanosized titanium dioxide (TiO2) and carbon nanotubes (CNT), are among the most widely used ENM in the world which means that they hold a high potential of occupational and possible customer exposure. Inhalation is the most likely exposure route in occupational settings. For this reason, inhalation exposure of mice was the main route of administration. The study settings were chosen to mimic occupational exposure as far as possible. Different immunological parameters were examined in the lungs of the exposed mice, such as the influx of different leucocytes, expression of cytokine and chemokine messenger molecules and changes in the lung tissue. The results from TiO2 studies indicated that even a normally inert material when nanosized may become inflammogenic. In addition, even small changes in the structure, or even a coating, may modify radically the nature of a material. Exposure to most nanosized TiO2 caused only modest to no inflammation, whereas a silica (SiO2) coated TiO2 triggered an inflammation characterized by pulmonary neutrophilia and mRNA expression of neutrophil chemoattractant CXCL1 and proinflammatory TNF-α. In tissues and bronchoalveolar lavage (BAL), TiO2 was readily engulfed by macrophages. In a model of allergic asthma, it was found that exposure to both nanosized and larger TiO2 seemed to prevent asthmatic symptoms. This underlines the importance of bearing in mind the heterogeneity of the human population when assessing the toxicity of ENM. CNT have ra
Tunnetut materiaalit saavat nanokokoisena uusia ominaisuuksia. Samat ominaisuudet, jotka mahdollistavat uusia sovelluksia, ovat samalla myös mahdollisia riskitekijöitä. Merkittävin syy nanohiukkasten erityislaatuisuuteen on niiden suuri pinta-alan suhde tilavuuteen. Hiilinanomateriaalien ja muiden nanokuitujen osalta myös muoto ja pituus ovat tärkeitä ominaisuuksia. Väitöskirjassa tutkitut materiaalit, nanokokoinen titaanidioksidi (TiO2) ja hiilinanoputket (HNP), ovat maailmanlaajuisesti käytetyimpien nanomateriaalien joukossa ja siten potentiaalisia altistajia työpaikoilla. Työpaikoilla nanohiukkasille altistutaan todennäköisimmin hengitysteitse. Tästä syystä tutkimuksissa käytettiin pääasiassa inhalaatiometodia in vivo. Keuhkoista mitattiin erilaisia immunologisia parametrejä, kuten valkosoluprofiilin muuttumista, sytokiini- ja kemokiini-viestimolekyylien esiintymistä sekä muutoksia keuhkokudoksessa. Tulokset TiO2 altistuskokeista osoittivat, että normaalisti neutraali materiaali voi nanokokoisena aiheuttaa tulehduksen. Jopa hyvin pienet muutokset materiaalin rakenteessa tai materiaalin päällystäminen voivat radikaalisti muuttaa materiaalin luonnetta. Allergisen astman mallissa havaittiin, että altistus sekä nanokokoisille että suuremmille TiO2-hiukkasille näytti lieventävän astman oireita. Tämä korostaa sen tärkeyttä, että nanohiukkasten toksisuutta arvioitaessa on otettava huomioon ihmispopulaation heterogeenisyys. Hiilinanomateriaalit ovat herättäneet huolta tiedeyhteisössä ja mediassa johtuen niiden samankaltaisuudesta asbestin kanssa. Viikon altistus pitkille jäykille hiilinanoputkille aiheutti ennennäkemättömän eosinofiilisen tulehduksen. Kuukauden seuranta-aikana nähtiin vaikuttava tulehdusreaktioiden sarja, kun verrattiin jäykkää tai kippuraista hiilinanoputkea sekä krokidoliittiasbestia keskenään. Dramaattisin tulehdus aiheutui altistuksesta jäykille hiilinanoputkille. Seuraavaksi vakavin tulehdus seurasi asbestialtistumista ja selvästi heikoin tulehdus a