Abstract
Boehmite (γ-AlOOH) nanoparticles (NPs) are used in a wide range of industrial applications. However, little is known about their potential toxicity. This study aimed at a better ...understanding of the relationship between the physico-chemical properties of these NPs and their in vitro biological activity. After an extensive physico-chemical characterization, the cytotoxicity, pro-inflammatory response and oxidative stress induced by a bulk industrial powder and its ultrafine fraction were assessed using RAW264.7 macrophages. Although the bulk powder did not trigger a significant biological activity, pro-inflammatory response was highly enhanced with the ultrafine fraction. This observation was confirmed with boehmite NPs synthesized at the laboratory scale, with well-defined and tightly controlled physico-chemical features: toxicity was increased when NPs were dispersed. In conclusion, the agglomerates size of boehmite NPs has a major impact on their toxicity, highlighting the need to study not only raw industrial powders containing NPs but also the ultrafine fractions representative of respirable particles.
► TNF-α degradation in cell-free conditions. ► TNF-α adsorption on the walls of the wells in cell-free conditions. ► TNF-α adsorption on boehmite in cell-free conditions. ► Adsorption isotherms of ...TNF-α.
Biomolecules can be adsorbed on nanoparticles (NPs) and degraded during in vitro toxicity assays. These artifactual phenomena could lead to misinterpretation of biological activity, such as false-negative results. To avoid possible underestimation of cytokine release after contact between NP and cells, we propose a methodology to account for these artifactual phenomena and lead to accurate measurements. We focused on the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor TNF-α. We studied well-characterized boehmite engineered NP aluminum oxide hydroxide, AlO(OH). The rate of TNF-α degradation and its adsorption (on boehmite and on the walls of wells) were determined in cell-free conditions by adding a known TNF-α concentration (1500pg/ml) under various experimental conditions. After a 24-h incubation, we quantified that 7wt.% of the initial TNF-α was degraded over time, 6wt.% adsorbed on the walls of 96-well plates, and 13wt.% adsorbed on the boehmite surface. Finally, boehmite NP were incubated with murine macrophages (RAW 264.7 cell line). The release of TNF-α was assessed for boehmite NP and the experimental data were corrected considering the artifactual phenomena, which accounted for about 20–30% of the total.
Cette étude a pour objectif d'apporter des éléments de réponse à la compréhension de la nature et de l'origine des effets biologiques des nanoparticules (NP) de boehmite en réalisant des tests de ...contacts in vitro sur des macrophages de culture (RAW 264.7), les macrophages étant la cible cellulaire privilégiée au niveau du tractus respiratoire. Différents domaines de la réponse cellulaire en relation avec les propriétés physico-chimiques des particules ont été étudiés. Dans une première partie l’activité biologique a été mesurée sur des NP de boehmite puis après broyage ou dispersion permettant d’observer en particulier l’influence de la taille des particules dans la réponse cellulaire.Les résultats soulignent que les particules industrielles de boehmite sont principalement caractérisées par une activité modérée au niveau de la réponse inflammatoire, mais sans effet cytotoxique ou sans stress oxydant significatif. Des différences en fonction de la taille des particules ont été observées sur les paramètres inflammatoire et cytotoxique.Toutefois, les mesures des biomolécules libérées dans les surnageants de culture cellulaire peuvent être biaisées par l’adsorption de ces biomolécules sur les NP en présence. Ainsi, ce mécanisme d'adsorption doit être pleinement compris pour éviter une interprétation erronée des données obtenues. Dans un second temps l’objectif a donc été d’élaborer une méthodologie afin d’évaluer les interactions organo-minérales en terme d’affinité et de quantité de biomolécules adsorbées sur les nanoparticules à l’équilibre thermodynamique et de déterminer une loi de correction. Dans ce contexte nous nous sommes intéressés en particulier au TNF-α.
This study aimed at a better understanding of the biological effects of boehmite nanoparticles by carrying out in vitro tests using a macrophage-like cell line (RAW 264.7), as macrophages represent the first target cells in the respiratory tract. Different cellular responses: inflammation (evaluated by the release of TNF-α), cell death (assessed by the release of LDH), and oxidative stress (production of ROS) were studied in relation to physico-chemical properties of the particles. In the first part of this work, the biological activity was measured using boehmite nanoparticles obtained either from industrial environment or by hydrothermal synthesis, and after grinding or dispersion that enabled us to observe the influence of particle size on the cellular response.The results point out that industrial boehmite particles are mainly characterized by a moderate pro-inflammatory activity, no cytotoxic effect and no significant oxidative stress. Differences depending on the size of the particles were observed on the inflammatory and cytotoxic parameters.However, the assessment of biomolecules released into cell culture supernatants may be biased by the adsorption of biomolecules on the nanoparticles. Thus, the adsorption mechanism must be fully understood to avoid misinterpretation of the results. Therefore, the second aims of this work were to develop a methodology to assess the organo-mineral interactions in terms of affinity and quantity of biomolecules adsorbed on the nanoparticles at the thermodynamic equilibrium and to determine a correction law. We focused more specifically our study on TNF-α.
This work aims at developping a multidisciplinary approach to highlight the correlation between the toxicity of alumina engineered nanoparticles (NP) and their physicochemical characteristics. ...Accuracy of measurements depends on cell production after contact with particles, but also depends on the ability of biomolecules to get adsorbed on the NP 1. That's why, mechanisms of biomolecules adsorption on NP must be fully understood to avoid misinterpretation of data.
Cette étude a pour objectif d'apporter des éléments de réponse à la compréhension de la nature et de l'origine des effets biologiques des nanoparticules (NP) de boehmite en réalisant des tests de ...contacts in vitro sur des macrophages de culture (RAW 264.7), les macrophages étant la cible cellulaire privilégiée au niveau du tractus respiratoire. Différents domaines de la réponse cellulaire en relation avec les propriétés physico-chimiques des particules ont été étudiés. Dans une première partie l'activité biologique a été mesurée sur des NP de boehmite puis après broyage ou dispersion permettant d'observer en particulier l'influence de la taille des particules dans la réponse cellulaire.Les résultats soulignent que les particules industrielles de boehmite sont principalement caractérisées par une activité modérée au niveau de la réponse inflammatoire, mais sans effet cytotoxique ou sans stress oxydant significatif. Des différences en fonction de la taille des particules ont été observées sur les paramètres inflammatoire et cytotoxique.Toutefois, les mesures des biomolécules libérées dans les surnageants de culture cellulaire peuvent être biaisées par l'adsorption de ces biomolécules sur les NP en présence. Ainsi, ce mécanisme d'adsorption doit être pleinement compris pour éviter une interprétation erronée des données obtenues. Dans un second temps l'objectif a donc été d'élaborer une méthodologie afin d'évaluer les interactions organo-minérales en terme d'affinité et de quantité de biomolécules adsorbées sur les nanoparticules à l'équilibre thermodynamique et de déterminer une loi de correction. Dans ce contexte nous nous sommes intéressés en particulier au TNF-α.
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