Comparative Study of Toxicological Effect of Iron Oxide Nanoparticles in Human Nerve Cells

Abstract

[Abstract] Due to their unique physicochemical properties, iron oxide nanoparticles (ION) have great potential for several biomedical applications, particularly those focused on nervous system. ION surface can be coated to improve their properties and biocompatibility. Still, coating may affect toxicity, making it imperative knowing the potential risk associated to nervous system exposure. The aim of this Thesis was to assess the potential cytotoxicity and genotoxicity induced by differently coated ION on human neurons (SH-SY5Y) and astrocytes (A172), under a range of doses, two treatment times and presence/absence of serum in the cell culture media. Cellular uptake of ION and iron ion release from the ION surface were also determined. In general, silica-coated ION (S-ION) showed less cytotoxicity and slightly lower genotoxic effects than oleic acid-coated ION (O-ION), not related to double strand breaks (DSB) or chromosome alterations. Furthermore, A172 astrocytes proved to be more sensitive than SH-SY5Y neurons to the toxic effect of both ION. In addition, primary DNA damage observed in both cell types only included DSB in astrocytes. This work increases the knowledge on the impact of ION on human health in general, and specifically on nervous system cells.

[Resumen] Debido a sus propiedades fisicoquímicas únicas, las nanopartículas de óxido de hierro (ION) tienen un gran potencial para varias aplicaciones biomédicas, particularmente aquellas enfocadas en el sistema nervioso. La superficie de ION se puede revestir para mejorar sus propiedades y biocompatibilidad. Aun así, el recubrimiento puede afectar a su toxicidad, por lo que es imperativo conocer el riesgo potencial asociado a la exposición del sistema nervioso. El objetivo de esta Tesis fue evaluar la posible citotoxicidad y genotoxicidad inducida por ION con diferentes recubrimientos en neuronas humanas (SH-SY5Y) y astrocitos (A172), en un rango de dosis, dos tiempos de tratamiento y presencia/ausencia de suero en los medios de cultivo celular. También se determinó la captación celular de las ION y la liberación de iones de hierro desde su superficie. En general, las ION recubiertas de sílice (S-ION) mostraron menos citotoxicidad y efectos genotóxicos ligeramente menores que las ION recubierto con ácido oleico (O-ION), no relacionado con roturas de cadena doble (DSB) o alteraciones cromosómicas. Además, los astrocitos A172 demostraron ser más sensibles que las neuronas SH-SY5Y al efecto tóxico de ambas ION. Además, el daño primario del ADN observado en ambos tipos de células solo incluía DSB en los astrocitos. Este trabajo aumenta el conocimiento sobre el impacto de ION en la salud humana en general, y específicamente en las células del sistema nervioso.

[Resumo] Debido ás súas propiedades físicoquímicas únicas, as nanopartículas de óxido de ferro (ION) teñen gran potencial para diversas aplicacións biomédicas, en particular as que se centran no sistema nervioso. A superficie das ION pode revestirse para mellorar as súas propiedades e a súa biocompatibilidade. Aínda así, o revestimento pode afectar a toxicidade, por iso, é imperativo coñecer os riscos potenciais asociados coa exposición do sistema nervioso. O obxectivo desta Tese foi o de avaliar a posible citotoxicidade e genotoxicidade inducida polas ION con diferentes revestimentos en neuronas humanas (SH-SY5Y) e astrocitos (A172), nun intervalo de doses, dous tempos de tratamento e en presenza/ausencia de soro nos medios de cultura celular. A captación celular das ION e a liberación de ións de ferro a partir da súa superficie, tamén foron determinadas. En xeral, as ION revestidas de sílice (S-ION) amosaron menos citotoxicidade e efectos genotóxicos lixeiramente máis baixos que as ION revestidas con ácido oleico (O-ION), sen relación con roturas de cadea dobre (DSB) ou alteracións cromosómicas. Ademáis, os astrocitos A172 amosaron ser máis sensibles que as neuronas SH-SY5Y ó efecto tóxico de ambas ION. Ademáis, o dano primario no ADN observado en ambos tipos celulares só incluía DSB nos astrocitos. Este traballo aumenta o coñecemento sobre o impacto das ION na saúde humana en xeral, e específicamente nas células do sistema nervioso.