Toxicological assessment of nanoplastics using immune cells: a study on polystyrene and polyethylene terephthalate nanoplastics

Abstract

La presència ambiental de micro/nanoplàstics (MNPL) és una preocupació creixent a causa de les seves possibles implicacions per a la salut humana i els ecosistemes. Els MNPL poden originar-se a partir de dues fonts primàries: la degradació fisicoquímica i biològica d'articles de plàstic més grans (MNPL secundaris) o mitjançant processos industrials que fabriquen aquests materials a escala nanomètrica per a diverses aplicacions comercials (MNPL primaris). El perfil toxicològic de les MNPL està influenciat per la seva mida i la capacitat de les cèl·lules i organismes per interioritzar-los, plantejant preguntes sobre els seus riscos per a la salut i els seus efectes biològics. Aquesta tesi té com a objectiu explorar els aspectes polièdrics de la nanotoxicologia relacionats amb les MNPL, posant èmfasi en les seves interaccions amb els sistemes biològics i els possibles perills per a la salut. Es presenten dos estudis per dilucidar aquestes interaccions. El primer estudi examina els efectes biològics dels MNPL de poliestirè de diferents mides (50, 200 i 500 nm) en tres línies cel·lulars hematopoètiques humanes diferents: Raji-B, THP-1 i TK6. Tot i que cap de les mides MNPL va induir toxicitat ni va afectar el creixement cel·lular, es va observar una internalització significativa, especialment a les cèl·lules Raji-B i THP-1, amb una absorció inversament relacionada amb la mida de les partícules. En particular, la pèrdua potencial de la membrana mitocondrial va demostrar efectes relacionats amb la dosi a les cèl·lules Raji-B i THP-1, i es van registrar ROS dependents del tipus de cèl·lula/mida de partícules en resposta a l'exposició a PSNPL. Aquest estudi destaca la importància de la mida, els punts finals biològics i el tipus de cèl·lules per modular el perfil toxicològic dels MNPL. El segon estudi se centra en els riscos per a la salut que representen els MNPL secundaris, especialment els NPL de tereftalat de polietilè (PET) derivats de la degradació de les ampolles d'aigua de plàstic. Utilitzant macròfags alveolars de ratolí (MH-S) com a cèl·lules diana, aquesta investigació es va concentrar en les cèl·lules que van interioritzar els PETNPL, proporcionant una avaluació realista dels seus possibles efectes adversos. L'estudi va emprar diversos biomarcadors, inclosos els nivells d'espècies reactives d'oxigen intracel·lular (ROS), les variacions del potencial de la membrana mitocondrial i la polarització dels macròfags als estats M1 (proinflamatoris) i M2 (antiinflamatoris). Els resultats van indicar que, malgrat la completa interiorització en alt concentracions (fins a 100 μg/mL), els PETNPL no van induir toxicitat. Tanmateix, es va observar un augment dels nivells de ROS i alteracions en el potencial mitocondrial, especialment després de 24 hores d'exposició. A més, la polarització dels macròfags a M1 es va pronunciar en ambdós temps d'exposició, mentre que la polarització M2 només era evident després d'una exposició prolongada. En conjunt, aquests estudis subratllen la necessitat d'una comprensió més profunda de les implicacions per a la salut associades a l'exposició a MNPL, especialment a mesura que la nanotoxicologia continua evolucionant en resposta a la presència generalitzada d'aquests materials al nostre entorn. Les troballes emfatitzen que la mida, la durada de l'exposició i el context biològic específic tenen un paper crític a l'hora de determinar els efectes toxicològics dels MNPL, obrint el camí per a futures investigacions sobre els mecanismes subjacents a les seves interaccions amb els sistemes biològics.

La presencia de micro/nanoplásticos (MNPL) en el medio ambiente es una preocupación creciente debido a sus posibles implicaciones para la salud humana y los ecosistemas. Los MNPL pueden tener su origen en dos fuentes principales: la degradación fisicoquímica y biológica de artículos plásticos de mayor tamaño (MNPL secundarios) o mediante procesos industriales que fabrican estos materiales a escala nanométrica para diversas aplicaciones comerciales (MNPL primarios). El perfil toxicológico de los MNPL está influenciado por su tamaño y la capacidad de las células y los organismos para internalizarlos, lo que plantea interrogantes sobre sus riesgos para la salud y sus efectos biológicos. Esta tesis tiene como objetivo explorar los aspectos multifacéticos de la nanotoxicología en relación con los MNPL, haciendo hincapié en sus interacciones con los sistemas biológicos y los posibles peligros para la salud. Se presentan dos estudios para dilucidar estas interacciones. El primer estudio examina los efectos biológicos de los MNPL de poliestireno de distintos tamaños (50, 200 y 500 nm) en tres líneas celulares hematopoyéticas humanas diferentes: Raji-B, THP-1 y TK6. Si bien ninguno de los tamaños de MNPL indujo toxicidad ni afectó el crecimiento celular, se observó una internalización significativa, en particular en las células Raji-B y THP-1, con una captación inversamente relacionada con el tamaño de partícula. En particular, la pérdida del potencial de membrana mitocondrial demostró efectos relacionados con la dosis en las células Raji-B y THP-1, y se registraron ROS dependientes del tipo de célula/tamaño de partícula en respuesta a la exposición a PSNPL. Este estudio destaca la importancia del tamaño, los puntos finales biológicos y el tipo de célula en la modulación del perfil toxicológico de MNPL. El segundo estudio se centra en los riesgos para la salud que plantean los MNPL secundarios, en particular los NPL de tereftalato de polietileno (PET) resultantes de la degradación de las botellas de agua de plástico. Utilizando macrófagos alveolares de ratón (MH-S) como células objetivo, esta investigación se concentró en las células que internalizaron los PETNPL, proporcionando una evaluación realista de sus posibles efectos adversos. El estudio empleó varios biomarcadores, incluidos los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) intracelulares, las variaciones del potencial de membrana mitocondrial y la polarización de los macrófagos a los estados M1 (proinflamatorio) y M2 (antiinflamatorio). Los resultados indicaron que, a pesar de la internalización completa a altas concentraciones (hasta 100 μg/mL), los PETNPL no indujeron toxicidad. Sin embargo, se observaron mayores niveles de ROS y alteraciones en el potencial mitocondrial, particularmente después de 24 horas de exposición. Además, la polarización de los macrófagos a M1 fue pronunciada en ambos tiempos de exposición, mientras que la polarización M2 solo fue evidente después de una exposición prolongada. En conjunto, estos estudios subrayan la necesidad de una comprensión más profunda de las implicaciones para la salud asociadas con la exposición a MNPL, particularmente a medida que la nanotoxicología continúa evolucionando en respuesta a la presencia generalizada de estos materiales en nuestro entorno. Los hallazgos enfatizan que el tamaño, la duración de la exposición y el contexto biológico específico juegan un papel crítico en la determinación de los efectos toxicológicos de los MNPL, allanando el camino para futuras investigaciones sobre los mecanismos subyacentes a sus interacciones con los sistemas biológicos.

The environmental presence of micro/nanoplastics (MNPLs) is a growing concern due to their potential implications for human health and ecosystems. MNPLs can originate from two primary sources: the physicochemical and biological degradation of larger plastic items (secondary MNPLs) or through industrial processes that manufacture these materials at the nanoscale for various commercial applications (primary MNPLs). The toxicological profile of MNPLs is influenced by their size and the capacity of cells and organisms to internalize them, raising questions about their health risks and biological effects. This dissertation aims to explore the multifaceted aspects of nanotoxicology concerning MNPLs, emphasizing their interactions with biological systems and potential health hazards. Two studies are presented to elucidate these interactions. The first study examines the biological effects of polystyrene MNPLs of varying sizes (50, 200, and 500 nm) on three different human hematopoietic cell lines: Raji-B, THP-1, and TK6. While none of the MNPL sizes induced toxicity or affected cell growth, significant internalization was observed, particularly in Raji-B and THP-1 cells, with uptake inversely related to particle size. Notably, mitochondrial membrane potential loss demonstrated dose-related effects in Raji-B and THP-1 cells, and cell type/particle size dependent ROS were recorded in response to PSNPLs exposure. This study highlights the importance of size, biological endpoints, and cell type in modulating the toxicological profile of MNPLs. The second study focuses on the health risks posed by secondary MNPLs, particularly polyethylene terephthalate (PET) NPLs resulting from the degradation of plastic water bottles. Utilizing mouse alveolar macrophages (MH-S) as the target cells, this investigation concentrated on the cells that internalized the PETNPLs, providing a realistic assessment of their potential adverse effects. The study employed various biomarkers, including intracellular reactive oxygen species (ROS) levels, mitochondrial membrane potential variations, and macrophage polarization to M1 (pro-inflammatory) and M2 (anti-inflammatory) states. Results indicated that, despite complete internalization at high concentrations (up to 100 μg/mL), PETNPLs did not induce toxicity. However, increased ROS levels and alterations in mitochondrial potential were observed, particularly after 24 hours of exposure. Furthermore, macrophage polarization to M1 was pronounced at both exposure times, while M2 polarization was only evident after prolonged exposure. Together, these studies underscore the need for a deeper understanding of the health implications associated with MNPL exposure, particularly as nanotoxicology continues to evolve in response to the pervasive presence of these materials in our environment. The findings emphasize that size, exposure duration, and the specific biological context play critical roles in determining the toxicological effects of MNPLs, paving the way for future research into the mechanisms underlying their interactions with biological systems.