Tossicità delle nanoparticelle metalliche nel sistema nervoso centrale

Da Wikipedia, Con il termine nanoparticella si identificano normalmente delle particelle formate da aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso indicativamente fra 1 e 100 nm. Per dare un’idea dell’ordine di grandezza, le celle elementari dei cristalli hanno lunghezze dell’ordine di un nanometro; la doppia elica del DNA ha un diametro di circa 2 nm. La comunità scientifica non ha ancora determinato una misura univoca: possono essere definite misure diverse a seconda se l’approccio è dal punto di vista chimico, fisico, o della biologia molecolare o anatomia patologica. La dimensione minima è quella della molecola oggetto di studio o valutazione.

Il termine è utilizzato correntemente per indicare nanoaggregati, cioè aggregati molecolari o atomici, con interessanti proprietà chimico-fisiche, che possono essere anche prodotti e utilizzati nelle nanotecnologie. A volte il termine è utilizzato per indicare particolato ultrafine (in particolare le singole particelle discrete componenti le nanopolveri). Nanosfere o Nanocapsule: In campo farmaceutico, sono sistemi a matrice polimerica impiegati per la veicolazione di principi attivi particolarmente citotossici o con rilevanti problemi farmacocinetici. Attualmente alcune formulazioni sono in fase II di sperimentazione. In nanotecnologia, una particella è definita come un piccolo oggetto che si comporta come un’unità intera in termini di suo trasporto e proprietà. Essa viene ulteriormente classificata secondo la dimensione: in termini di diametro, le particelle sottili coprono un campo che va dai 100 ai 2500 nanometri, mentre le particelle ultrasottili, d’altra parte, vengono classificate tra 1 e 100 nanometri. Le nanoparticelle, in modo simile alle particelle ultrasottili, vengono misurate tra 1 e 100 nanometri. Le nanoparticelle possono o non possono mostrare proprietà relative alle dimensioni diversificate significativamente da quelle osservate nelle particelle sottili o nei materiali massicci. Sebbene la grandezza della maggior parte delle molecole rientri in quanto sopra accennato, le singole molecole di solito non vengono classificate come nanoparticelle. I nanocluster possiedono almeno una dimensione compresa fra 1 e 10 nanometri e una stretta distribuzione dimensionale. Le nanopolveri sono agglomerati di particelle ultrasottili, nanoparticelle, o nanocluster. I nanocristalli della dimensione del nanometro, o le particelle ultrasottili a singolo dominio (single-domain), vengono spesso riferite come nanoparticelle nanocristalline. La ricerca sulle nanoparticelle è attualmente un’area di intenso interesse scientifico dovuto alla vasta varietà di applicazioni potenziali nei campi della biomedicina, ottica ed elettronica. Negli Stati Uniti, la National Nanotechnology Initiative ha elargito un generoso finanziamento pubblico per la ricerca sulle nanoparticelle.

Tossicità delle nanoparticelle metalliche nel sistema nervoso centrale

Krzysztof Sawicki^*, Magdalena Czajka, Magdalena Matysiak-Kucharek, Berta Fal, Bartłomiej Drop, Sylwia Męczyńska-Wielgosz, Katarzyna Sikorska, Marcin Kruszewski e Lucyna Kapka-Skrzypczak

https://doi.org/10.1515/ntrev-2019-0017
Ricevuto il 16 novembre 2018; accettato il 1 luglio 2019

Riassunto: le nanoparticelle metalliche per le loro dimensioni ridotte e le uniche caratteristiche fisico-chimiche hanno trovato eccellenti applicazioni in vari settori dell’industria e della medicina. Pertanto, per molti anni è stato osservato un crescente interesse da parte della comunità scientifica nel miglioramento della nostra comprensione dell’impatto delle nanoparticelle sugli organismi viventi, in particolare sugli esseri umani. Considerando la delicata struttura del sistema nervoso centrale, è uno degli organi più vulnerabili agli effetti avversi delle nanoparticelle metalliche. Per tale motivo, è importante identificare le modalità di esposizione e comprendere i meccanismi dell’effetto delle nanoparticelle sul tessuto neuronale. In questa recensione, si tenta di presentare le conoscenze attuali sulla neurotossicità delle nanoparticelle metalliche sulla base delle pubblicazioni scientifiche selezionate. Viene descritta la via di entrata delle nanoparticelle, nonché la loro distribuzione, penetrazione attraverso la membrana cellulare e la barriera emato-encefalica. Inoltre, viene presentato uno studio sulla neurotossicità in vitro e in vivo, nonché alcuni dei meccanismi che possono essere responsabili degli effetti negativi delle nanoparticelle metalliche sul sistema nervoso centrale.

Parole chiave: nanoparticelle, neurotossicità, cervello, esposizione ambientale, stress ossidativo

Abbreviazioni

• AChE → Acetilcolinesterasi
• ATPase → ATP monofosfatasi
• BBB → Barriera emato-encefalica
• BCEC → Cellule endoteliali del cervello
• CNS → Sistema nervoso centrale
• DA → Dopamina
• GSH-Px → Glutatione perossidasi
• IL-1β → Interleuchina-1 beta
• LTP → potenziamento a lungo termine
• NO → Ossido nitrico
• NP → Nanoparticelle
• ROS → Specie reattive dell’ossigeno
• SOD → Superossido dismutasi
• SPION → Nanoparticelle di ossido di ferro supermagnetico
• TJ → Giunzioni strette

Lucyna Kapka-Skrzypczak: Istituto di salute rurale, Dipartimento di biologia molecolare e ricerca traslazionale, 20-090 Lublino, Polonia; Università di informatica e gestione, facoltà di medicina, dipartimento di biologia medica e ricerca traslazionale, 35-225 Rzeszow, Polonia; Email: lucynakapka@gmail.com; Tel .: +48 664213113
*Autore corrispondente: Krzysztof Sawicki: Istituto di salute rurale, Dipartimento di biologia molecolare e ricerca traslazionale, 20-090 Lublino, Polonia; krzysztofsawicki555@gmail.com; Tel .: +48 817184537
Magdalena Czajka, Magdalena Matysiak-Kucharek, Berta Fal: Istituto di salute rurale, Dipartimento di biologia molecolare e ricerca traslazionale, 20-090 Lublino, Polonia
Bartłomiej Drop: Dipartimento di Informatica e Statistica medica con E-learning Lab, Università medica di Lublino, 20-090 Lublino, Polonia
Sylwia Męczyńska-Wielgosz, Katarzyna Sikorska: Istituto di chimica e tecnologia nucleare, Centro di radiobiologia e dosimetria biologica, 03-195 Varsavia, Polonia
Marcin Kruszewski: Istituto di salute rurale, Dipartimento di biologia molecolare e ricerca traslazionale, 20-090 Lublino, Polonia; Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Center for Radiobiology and Biological Dosimetry, 03-195 Varsavia, Polonia; Università di informatica e gestione, facoltà di medicina, dipartimento di biologia medica e ricerca traslazionale, 35-225 Rzeszow, Polonia

1. Introduzione

La nanotecnologia è la progettazione, produzione e applicazione di strutture, materiali e dispositivi dimensionati su scala nanometrica. Si presume che le nanoparticelle (NP) siano strutture aventi una dimensione critica inferiore a 100 nm. A causa delle loro dimensioni, maggiore superficie e rapporto volume/massa, le NP presentano proprietà ottiche, meccaniche, chimiche, elettriche e magnetiche uniche che le rendono più reattive rispetto alle loro controparti di massa^[1-3]. Le NP possono stimolare e influenzare determinate cellule, inducendo e moltiplicando gli effetti fisiologici desiderati. D’altra parte, le NP, a causa delle loro dimensioni paragonabili alle molecole biologiche, possono facilmente passare attraverso le membrane cellulari, penetrare negli organelli cellulari e interferire con la normale fisiologia cellulare e, di conseguenza, causare danni a livello cellulare e sub-cellulare e/o innescando diverse risposte di cellule/tessuti^[4–8].

Il progresso della nanotecnologia ha portato allo sviluppo e alla commercializzazione di centinaia di prodotti contenenti NP. Le nanotecnologie offrono molte opportunità e benefici per la medicina, la produzione di energia, la protezione ambientale, l’industria alimentare, l’elettronica, la scienza, la tecnologia informatica, i cosmetici, i tessili, l’agricoltura e l’industria della difesa^{[1, 3–5, 9-11]}. La produzione e l’uso su larga scala di NP possono tuttavia comportare un’esposizione non intenzionale umana e ambientale a queste sostanze potenzialmente pericolose^{[10, 12]}. Secondo i dati del Wilson Center, l’esposizione al 45% tra i 580 NP catalogati è stata classificata come potenzialmente pericolosa^[13]. Il potenziale rischio di esposizione a NP tossici diventa un problema ardente per la scienza di oggi, nonostante il loro ampio uso e molte applicazioni benefiche^[10]. Sebbene ad oggi nessuna malattia umana sia stata ufficialmente attribuita direttamente alle NP, alcuni studi condotti suggeriscono che alcune NP possono causare reazioni biologiche avverse, con conseguenti effetti tossici^[9].

Gli esseri umani potrebbero essere esposti a NP di ossido metallico provenienti da diverse fonti ambientali e professionali. Le NP possono provenire da fenomeni naturali, come l’attività vulcanica o come risultato di processi industriali con molti fumi metallici, ad es. taglio, macinazione, fusione, fusione e saldatura. Un’altra potenziale fonte di esposizione umana alle NP metalliche è il suo uso intenzionale in prodotti commerciali, come vettori di droghe, creme solari, dentifrici, cosmetici, prodotti di plastica, tessuti, vernici e componenti di benzina^{[9, 14–17]}. Nonostante la loro origine, le NP possono penetrare nel corpo attraverso una serie di vie diverse, tra cui l’iniezione, l’inalazione o l’ingestione. Quindi, circondando di sangue, possono penetrare e accumularsi in diversi organi e tessuti incluso il sistema nervoso centrale (SNC)^{[9, 18, 19]}.

Alcuni NP sembrano essere molto adatti per applicazioni mediche, come i vettori di somministrazione di farmaci o i teranostici per le procedure terapeutiche e diagnostiche^[20]. Gli ossidi di metallo sono attualmente uno degli strumenti più importanti utilizzati nella diagnosi di malattie (contrasto alla risonanza magnetica, coloranti fluorescenti), sistemi di rilascio di farmaci (fotosensibilizzanti), geni, sostanze antimicrobiche, nonché materiali di ponteggi nella ricostruzione dei tessuti^{[2, 3, 9, 18, 21]}. Le NP metalliche possono risuonare nel campo magnetico, fornendo così energia direttamente alle cellule tumorali bersaglio^[20]. A causa del crescente utilizzo di NP metalliche in medicina, si presta sempre più attenzione alla sicurezza dell’uso delle NP per il SNC^[22]. Numerosi studi indicano l’incapacità della barriera emato-encefalica (BBB) ​​di proteggere dalla traslocazione di NP nel cervello^[23]. Rispetto ad altri tipi di cellule, le cellule nervose sono più sensibili alle tossine a causa della loro limitata capacità di rigenerazione^[24]. Pertanto, è importante analizzare in modo affidabile l’impatto neurotossico delle NP metalliche sul cervello. Le conoscenze acquisite possono essere utilizzate per sviluppare linee guida di sicurezza per l’uso potenziale di NP nell’industria e in medicina, al fine di ridurre al minimo gli effetti negativi sulla salute del sistema nervoso centrale^[25].

La revisione presentata è un tentativo di riassumere le attuali conoscenze sulla tossicità delle NP metalliche nel cervello e nel sistema nervoso centrale dei vertebrati superiori.

2. Modalità di esposizione in vivo e distribuzione di NP interiorizzati

Le NP metalliche, a causa delle loro dimensioni ridotte e delle proprietà fisico-chimiche specifiche, possono penetrare negli organismi viventi attraverso varie modalità di esposizione, ad esempio inalazione o ingestione. In generale, NP più piccoli mostrano un maggiore accumulo negli organi e inducono una tossicità più elevata rispetto a NP più grandi^[26]. Pertanto, è importante comprendere appieno i meccanismi responsabili della loro distribuzione e penetrazione negli organi bersaglio e gli effetti che potrebbero avere lì^[27].
Numerosi studi supportano il concetto secondo cui il SNC potrebbe essere un potenziale bersaglio per NP inalate^{[28, 29]}. L’inalazione è una delle vie principali dell’esposizione umana involontaria alle NP metalliche. A causa delle dimensioni ridotte, le NP si legano efficacemente alla mucosa del naso^[30] o raggiungono i bronchi e gli alveoli nel polmone^{[31, 32]}. Dalla cavità nasale, le NP sono ulteriormente trasportate dall’epitelio olfattivo e migrano lungo i neuroni olfattivi del diario verso i glomeruli della lampadina olfattiva, il nervo olfattivo o il trigemino, o il fluido sanguigno cerebrale al plesso coroideo^{[3, 31]}. Il trasporto attraverso il nervo teolfattivo è un modo diretto di penetrazione delle NP nel cervello, bypassando il BBB^[33]. Ciò è stato dimostrato per diversi NP metallici, ad es. NP d’argento ultrafine (AgNP_s)^[34], punti quantici CdSe/ZnS (CdSe/ZnS QDs)^[35], NP ossido di rame (CuO NPs) [36], NP ultrafini di manganesedioossido (MnO2 NP_s)^[37] o NP di biossido di titanio (TiO2NP_s)^{[38, 39]}.
D’altra parte, le NP metalliche inalate possono anche penetrare nelle cellule epiteliali degli alveoli e oltre nel sangue e nei linfocircoli, accumulandosi infine in siti potenzialmente sensibili, come cervello, midollo osseo, linfonodi, milza o cuore^{[18, 40, 41]}. Il processo è stato osservato per NP di ossido di alluminio (Al₂O₃ NP)^{[12, 40]} o piombo NP (PbNP_s)^[42]. Inoltre, si ipotizza che piccoli NP metallici siano introdotti all’interno degli alveoli dai macrofagi e si dissolvano nei fagosomi. È stato dimostrato che gli ioni sono stati rilasciati anche dalla forma ossidata di NP, che non sono normalmente solubili. Gli ioni rilasciati possono facilmente penetrare nella BBB^[14]. Una rotta digestiva è anche un modo importante di penetrazione delle NP nel corpo. Si ipotizza che le NP siano assorbite dalle cellule epiteliali del sistema digestivo, da dove possono penetrare ulteriormente nel flusso sanguigno e negli organi secondari. Le NP sono assorbite principalmente dalle cellule M trovate nei campioni di Peyer attraverso il meccanismo di transcitosi. È stato anche detto che potrebbe essere coinvolto il trasporto extracellulare attraverso giunzioni strette (TJ) di cellule epiteliali; tuttavia, questo vale solo per NP molto piccoli (d = 0,5-6 nm)^[43]. Loeschneret al. hanno dimostrato che la via digestiva costituiva un’importante fonte di esposizione alle NP Ag. Hanno osservato nei ratti dopo 28 giorni di esposizione dietetica alle NP Ag (14 ± 4 nm) che le NP Ag sono state assunte dalle cellule M e dagli enterociti^[44]. La quantità di NP assorbiti tramite rotta digestiva è correlata alla dimensione e alla carica delle NP. Ventiquattro ore dopo la somministrazione di NP d’oro di dimensioni diverse (Au NP) (1,4-200 nm) con carica negativa/positiva, l’accumulo più elevato negli organi secondari (polmone, milza, cuore) era per il più piccolo (1,4 nm), caricato negativamente NP. Al contrario, l’accumulo più elevato nel cervello è stato osservato per NP con un diametro di 18 nm^[43].
Diversi studi, come quelli su ratti esposti a NP TiO₂ [45–47] o suini esposti a NP TiO₂ o NP ossido di zinco (NP ZnO)^[48], hanno dimostrato l’incapacità degli NP di penetrare nel derma o negli strati vivi di pelle. Ciò può essere dovuto alla capacità delle NP metalliche di formare aggregati più grandi, oltre ad avere una carica superficiale che impedisce la penetrazione nello strato corneo (SC) e negli strati più profondi della pelle. Pertanto, si ritiene che le NP inorganiche non siano in grado di penetrare nella pelle sana intatta.
Questo è molto importante nel contesto dell’applicazione di molti NP metallici, come componente di alcuni unguenti e creme comunemente usati dalle persone. Il sistema nervoso centrale dei vertebrati è isolato dal resto del corpo da BBB. Il normale funzionamento di BBB è fondamentale per l’omeostasi. BBB è responsabile dello scambio attivo di nutrienti e metaboliti tra sangue e cervello, prevenzione della penetrazione degli xenobiotici nel cervello e limitazione dell’infiltrazione delle cellule immunitarie^[4]. La permeabilità selettiva è il risultato della struttura complessa e delle proprietà biochimiche delle cellule endoteliali capillari cerebrali (BCEC), come connessioni TJ a tenuta stagna e minima attività endocitotica per prevenire la penetrazione di sostanze nocive dal sangue direttamente nel cervello^{[49, 50]}.
Tuttavia, Chen et al., Hanno mostrato che l’esposizione di topi a NP di alluminio (Al NP) ha causato disturbi nel normale funzionamento di TJ, che è stato associato con una maggiore permeabilità del BBB e ulteriori danni al tessuto cerebrale^[4]. Inoltre, l’alto livello di espressione del recettore della transferrina nelle cellule BCEC può facilitare la transcitosi attraverso il BBB^[51]. In linea, Au NPs erano in grado di penetrare attraverso il BBB e accumularsi nel cervello, dopo somministrazione endovenosa^[52] o somministrazione intraperitoneale nei topi^[20]. Inoltre, la capacità di penetrare nel BBB e l’accumulo nel cervello è stata dimostrata per molti NP metallici, come gli NPN^[53], gli NP Ag^[54], gli NP CuO^[55], gli NP manganesi (NP NP)^[14] e NP TiO₂^[56]. Nel cervello, le NP sono in grado di entrare nei neuroni e muoversi lungo assoni o dendriti verso altri neuroni collegati^[57]. Il trasporto transneuronale può avvenire attraverso le connessioni sinaptiche, l’endocitosi o la diffusione passiva^[58].

3. Assorbimento cellulare

Le NP metalliche possono entrare nella cellula attraverso l’interazione con i componenti della sua membrana. Il principale meccanismo del loro assorbimento cellulare è l’endocitosi. Durante l’endocitosi, l’assorbimento delle NP avviene attraverso invaginazioni di membrana, quindi il loro germogliamento e pizzicamento per formare vescicole endocitiche, trasportate in compartimenti intracellulari specializzati^{[9, 59–61]}. L’endocitosi è classificata in tipi serverali a seconda delle molecole coinvolte nel processo.
Le due principali classi di endocitosi sono la fagocitosi e la pinocitosi. Inoltre la pinocitosi può essere ulteriormente suddivisa in quattro sottoclassi a seconda delle dimensioni delle vescicole e delle proteine ​​coinvolte nella loro formazione. Su questa base, la pinocitosi si differenzia in endocitosi mediata da clatrina, endocitosi dipendente dalle caveole, endocitosi indipendente da clatrina/caveole e macropinocitosi^[62]. Contrariamente alla fagocitosi, che si svolge principalmente in fagociti specializzati, la pinocitosi è più diffusa e si verifica in molti tipi di cellule. È interessante notare che l’assunzione di NP metallici nei neuroni e nelle cellule gliali, anche principalmente basata sul processo di endocitosi, include tutti i suoi tipi, anche la fagocitosi^{[61, 63, 64]}. La ricerca su colture primarie ricche di astrociti indicava l’endocitosi come meccanismo di assorbimento delle NP Ag^[65]. Paragonabili, le NP ZnO sono state assorbite dalla linea di cellule neuronali PC12 attraverso l’endocitosi, necessaria per la traslocazione di interneuroni di queste NP^[66].
Anche le NP di ferro (Fe NP) rivestite con acido dimercaptosuccinico sono state efficacemente assorbite negli astrociti. La microscopia elettronica a trasmissione ha mostrato le loro congregazioni nelle vescicole intracellulari. A causa della carica negativa, come indicato dal loro potenziale zeta, il meccanismo di diffusione passiva è stato escluso^[67].
L’endocitosi mediata da clatrina porta alla formazione di vescicole clatriniche ed è il meccanismo principale per l’assorbimento cellulare di nutrienti e componenti di membrana.
Al contrario, un altro meccanismo, l’endocitosi dipendente dalle caveole, è altrettanto importante e partecipa a molti processi biologici, tra cui la transcitosi, la segnalazione e la regolazione dei nutrienti e dipende dalla proteina di membrana integrale – la caverna. L’endocitosi indipendente da clatrina/caveola passa attraverso altri percorsi, senza il coinvolgimento di queste proteine. L’esclusivo processo di pinocitosi che forma l’estensione della membrana o le increspature a seguito della riorganizzazione del citoscheletro è la macropinocitosi.
Come conseguenza di questi cambiamenti di membrana viene raccolta la grande quantità di fluido extracellulare con molecole disciolte, indipendentemente dalla presenza di specifici recettori^{[68, 69]}. Luther et al. ha mostrato che le NP Fe sono state assorbite con successo dalle cellule della microglia principalmente attraverso la macropinocitosi e l’endocitosi mediata dalla clatrina, nel corso delle quali le particelle assorbite venivano dirette nel compartimento lisosomiale^[70]. Una predominanza dell’endocitosi è stata anche osservata in un altro studio sulle cellule staminali neurali incubate con NP^[71]. Allo stesso modo, l’assorbimento di NP TiO₂ da parte delle cellule gliali si basava sul meccanismo dell’endocitosi. Tuttavia, l’immobilizzazione chimica del citoscheletro ha ridotto significativamente l’ingresso di NP di TiO₂ nelle cellule, suggerendo la macropinocitosi come principale processo di assorbimento^[72]. Oltre a vari tipi di pinocitosi, le NP metalliche possono penetrare all’interno della cellula attraverso il meccanismo della fagocitosi. Tipicamente, l’opsonizzazione di NP da immunoglobuline o altre proteine ​​del sangue precede questo processo e consente il riconoscimento da parte delle cellule appropriate.
Ciò avvia una cascata di segnalazione che consente di inghiottire e interiorizzare le NP per formare i cosiddetti “fagosomi”^[61]. Valentini et al. osservato un fenotipo caratteristico di cellule microglia attivate causate dalla presenza di NP TiO₂. I loro cambiamenti morfologici, come le maggiori dimensioni e la formazione di sporgenze di membrana tipiche della fagocitosi, hanno indicato l’assorbimento di NP TiO2 attraverso questo processo^[73].
Alcuni studi hanno indicato che vari tipi di endocitosi potrebbero agire contemporaneamente per l’assorbimento di NP metallici da parte di cellule simili a neuroni e glia. Le NP del TiO₂ sono state principalmente assunte da cellule ALT simili agli astrociti e microglia BV-2 attraverso diversi tipi di endocitosi: endocitosi mediata da clatrina ed endocitosi dipendente da caveolae in cellule ALT, fagocitosi ed endocitosi mediata da clatrina nelle cellule BV-2^[74]. Una ricerca analoga sull’assorbimento delle NP Ag ha mostrato un minore assorbimento da parte delle cellule neuroblastoma N2a rispetto alle cellule ALT e BV-2. Nelle cellule ALT prevalgono la fagocitosi e l’endocitosi indipendente da clatrina/caveola, mentre nelle BV Ag-BV2 le NP sono state prese principalmente dalla micropinocitosi e dall’endocitosi mediata dalla clatrina^[75].

4. Tossicità delle NP

4.1 Tossicità in vitro

Numerosi rapporti indicano effetti dannosi delle NP metalliche sulle cellule neurali in coltura. In un modello BBB a tripla cocultura costituito da cellule endoteliali microvascolari, astrociti e periciti esposti a NP NP, Xu et al. osservato un grave restringimento dei mitocondri, espansione del reticolo endoplasmatico e vacuolazioni negli astrociti. Un’analisi dell’espressione genica ha mostrato cambiamenti in 23 geni associati a processi metabolici e biosintetici, morte cellulare e risposta agli stimoli. Un’altra ricerca sulle cellule corticali primarie del ratto ha mostrato che le NP Ag hanno interrotto lo sviluppo e il funzionamento del sistema nervoso. Le NP Ag erano tossiche per le cellule nervose causando anomalie nella formazione di citoscheletro, proteine ​​pre e post-sinaptiche e funzionamento dei mitocondri, portando alla morte delle cellule^[76].
In linea, Coccini et al. effetti tossici osservati dopo breve termine (4-48 h, 1-100 μg / ml) o esposizione a lungo termine (fino a 10 giorni, 0,5-50 μg/ml), anche a basse dosi (0,5 μg/ml)^[77].
È stata anche osservata tossicità in base alle dimensioni delle NP Ag per le cellule organiche del mesencefalo di topo^[78]. I meccanismi coinvolti nella tossicità indotta da NP NP delle colture primarie di cellule granulari cerebellari di ratto (CGC) includono l’attivazione del recettore N-metil-D-aspartato, la destabilizzazione della funzione mitocondriale, la produzione di radicali liberi^[79], lo stress idrico-brado che porta a attivazione caspase e apopto-sis^[80]. L’apoptosi è stata anche segnalata come causa principale della morte indotta da NP di cellule N2A che crescono in co-coltura con cellule ALT e BV-2. Tuttavia, questo non era un effetto diretto, poiché gli NP erano effettivamente assorbiti solo dalle cellule ALT e BV-2. La morte delle cellule N2A ha seguito il rilascio di composti tossici, ossido nitrico (NO) da BV-2 e perossido di idrogeno (H₂O₂) da ALT. Questi risultati hanno suggerito che il fattore chiave nella neurotossicità delle NP Ag potrebbe essere l’aspirazione di ossigeno reattivo e specie di azoto da parte di astro-cytes e microglia^[75]. La valutazione degli effetti delle NP Ag su cellule staminali neurali embrionali umane e di ratto (NSC) ha portato a conclusioni simili. L’apoptosi e la necrosi dei NSC si sono verificate a seguito dell’aumentata produzione mitocondriale di specie reattive dell’ossigeno (ROS)^[81]. Huanget al. ha esaminato l’effetto delle NP Ag sull’espressione dei geni coinvolti nell’infiammazione e nel disturbo neurodegenerativo sulle cellule neuronali del topo cerebrale. Lo studio ha mostrato un aumento significativo della secrezione di interleuchina-1 beta (IL-1β) e una maggiore espressione della chemochina C-X-C, recettore dei macrofagi con struttura collagena e glutatione sintetasi (GSS). Inoltre, l’esposizione ad Ag NP_s, formazione di placche di amiloide-β (Aβ) responsabili della malattia di Alzheimer^[82].
Gli studi condotti su astrociti esposti a NP CuO hanno mostrato una significativa riduzione della vitalità, una ridotta attività della lattato-idrogenasi e una maggiore permeabilità della membrana cellulare. La generazione di ROS era il punto come causa principale della tossicità delle NP CuO^[83]. La generazione di ROS fu anche proposta come principale causa di aumento dell’apoptosi, dipendente dal tempo e dalla concentrazione, nelle cellule neuronali dell’ippocampo HT-22 trattate con NP CuO NP^[84]. La viabilità alterata è stata osservata anche per astrocitesi di ratto primario in coltura sottoposto a NP della CuO. Inoltre, gli ioni Cu² + rilasciati da NP NPC inducono il flusso glicolitico delle cellule nervose e la sintesi di glutatione e metallotioneine^[85]. Le NP di CuO e NP di Ag hanno aumentato significativamente il rilascio di prostaglandine E2, fattore di necrosi tu-mor (TNF), IL-1β nelle cellule, mentre Au NP_sdid non ha causato un tale effetto^[86]. Rivet et al. studiato l’effetto della sostanza di rivestimento sulla tossicità degli ossidi di ferro supermagnetici incapsulati (SPION, Fe₃ O₄ NP). Studi in vitro su cellule neurononali della corteccia hanno indicato che la tossicità di SPION dipendeva dalla sostanza di rivestimento. Il rivestimento in polidimetilammina ha provocato la morte cellulare a tutte le concentrazioni testate, causando un’interruzione rapida e completa della membrana cellulare, mentre il rivestimento aminosilano ha influenzato l’attività metabolica cellulare a concentrazioni più elevate, lasciando intatta la membrana cellulare. Il rivestimento con destrano, anche ad alte concentrazioni, non ha influito sulla vitalità delle cellule^[87]. Anche la tossicità delle NP O₃ Fe₃ sulle cellule cerebrali è stata studiata da De Simone et al. che hanno sviluppato due tipi di sferoidi del SNC da cellule neuronike SH-SY5Y e astrociti umani D384. Dopo l’esposizione a breve termine (24 o 48 ore, 1-100 μg/ml) e a lungo termine (30 giorni, 0,1-25 μg/ml) di sferoidi 3D a Fe₃ O₄ NP è stato osservato un effetto citotossico, più pronunciato per i neuroni rispetto a astrociti^[23]. Altri studi hanno dimostrato che le NP Fe₃ O₄ hanno indotto stress ossidativo e attivazione della tirosina chinasi c-Alb, che era associata alla neurotossicità. Inoltre, le NP Fe₃O₄ hanno causato alterazioni nella α-espressione di sinucleina associata a danno neuronale, che si verifica tra l’altro nelle malattie di Parkinson e Alzheimer^[88].
In uno studio condotto da Wang et al., È stato dimostrato che Mn NP, Ag NP e Cu NP hanno causato l’esaurimento della dopamina (DA) attraverso l’alterazione dell’espressione dei geni correlati al sistema dopaminergico, associata all’induzione dello stress ossidativo nelle cellule PC12 trattato per 24 ore^[89]. In linea, una riduzione dipendente dalla concentrazione nella sintesi di DA da parte delle cellule PC12 esposte a NP Mn^[57]. A differenza della maggior parte delle NP metalliche, le NP di biossido di cerio (NP CeO₂) non erano citotossiche nelle cellule neuronali e avevano attività antiossidante, inibendo la produzione di ROS. Nonostante questi risultati, l’interruzione dell’equilibrio redox ha inibito la differenziazione delle cellule staminali neurali [90]. Diminuzione della vitalità e aumento dell’apoptosi sono stati osservati nei neuroni corticali primari dopo l’incubazione con NP di triossido di gallio modificate con ioni di cromo e acido ialuronico (HA/Ga₂ O₃: Cr³⁺ NP). La tossicità è stata spiegata dall’attivazione della segnalazione di autofagia da calpain e interruzione^[91]. Inoltre, non è stata osservata alcuna tossicità per particelle di carburo di tungsteno (WC) a 145 nm in una qualsiasi delle linee cellulari testate inclusi oligodendrociti, neuroni primari di ratto, cellule astrogliali primarie di ratto, tuttavia, il doping di WC NP con cobalto (WC – Co) ha determinato un aumento di la tossicità. La spiegazione plausibile della maggiore tossicità era l’aumento dello stress ossidativo e del danno al DNA^[92].
Valdiglesias et al. ha confrontato gli effetti di due tipi di NP TiO₂ diversi nella struttura dei cristalli sulla vitalità delle cellule nervose SH-SY5Y. I risultati indicano che una diversa struttura delle NP non ha avuto un impatto significativo sulle cellule, poiché in entrambi i casi non è stata osservata alcuna riduzione della vitalità cellulare. Inoltre, le NP sono state assorbite efficacemente dalle cellule, con conseguenti cambiamenti dose-dipendenti nel ciclo cellulare e nella genotossicità, tuttavia non associati alla formazione di rotture a doppia dose^[93]. Al contrario, basse dosi di NP TiO₂ hanno causato effetti citotossici in SH-SY5Y e cellule gliali D384, evidenziate sia dopo esposizione acuta che prolungata e manifestate come alterazioni della funzione mitocondriale e danni alla membrana cellulare^[94]. In linea, è stata segnalata apoptosi associata alla segnalazione mediata da reticolo mitocondri ed endoplasmatica mediata dal reticolo nei neuroni ippocampali di coltura primaria esposti alle NP TiO₂ per 24 ore^[95]. Mentre Wu et al. osservato che NP TiO₂ possono interferire direttamente con la funzione neuronale PC12 del ratto e causare danni mediati dall’attivazione della via p53 e/o JNK^[96]. Un meccanismo alternativo o supplementare di neurotossicità è stato proposto da Xue et al. Hanno osservato una significativa citotossicità delle cellule PC12 quando le cellule sono state incubate con surnatante proveniente da colture di microglia esposte a NP TiO₂ e hanno proposto che la neurotossicità indotta da NP corrispondeva al rilascio di NO e fattori pro-infiammatori, come il fattore di necrosi tumorale alfa (TNFα) di le cellule microglia attivate^[3].

Neurotossicità significativa è stata osservata anche nel ratto e nelle cellule neuronali umane in coltura trattata con NP ZnO, tuttavia in questo caso la tossicità è stata attribuita piuttosto all’azione di Zn²⁺ che alle NP di per sé. Le NP ZnO sono state assunte tramite endocitosi, ma un basso pH 5,5 negli endosomi ha facilitato il rilascio di ioni Zn²⁺ che penetravano nel citosol e disturbava l’omeostasi degli ioni bivalenti, causando la morte cellulare^[66].
Gli studi in vitro presentati sulla neurotossicità di vari NP metallici hanno confermato l’induzione di diversi effetti avversi nelle cellule derivate dal SNC. La stragrande maggioranza delle segnalazioni ha suggerito che un aumento della produzione mitocondriale di ROS e un aumento dello stress ossidativo sono un meccanismo principale di citotossicità delle NP metalliche. Ciò ha comportato l’interruzione della struttura e della funzione di altri organelli cellulari, i cambiamenti nell’espressione delle gens, lo squilibrio ionico e l’attivazione delle vie apoptotiche. Gli effetti dell’esposizione in vitro alle NP metalliche sono riassunti nella Tabella 1.

4.2 Tossicità in vivo nei mammiferi

La neurotossicità delle NP metalliche è stata confermata in molti studi sui mammiferi. Chen et al. osservato che le NP di Al si accumulano nelle cellule endoteliali del cervello di topo, causando danni al sistema neurovascolare. La somministrazione sistemica di NPN ha provocato un’espressione elevata dei geni correlati all’autofagia e un’attività autofagica nel cervello, una riduzione dell’espressione proteica a giunzione stretta e una maggiore permeabilità al BBB^[4].
La capacità di attraversare il BBB è stata ulteriormente confermata per gli Au NP che sono stati trovati nel cervello dei topi somministrati per via intraperitoneale, tuttavia, la concentrazione di oro nel cervello era il più basso di tutti gli organi esaminati. È interessante notare che non sono state osservate evidenti tossicità per il sistema nervoso centrale né cambiamenti nel comportamento dei topi^[20]. Al contrario, l’esposizione acuta di ratti Wistar maschi a Au NP ha comportato una riduzione delle sostanze reattive dell’acido tiobarbiturico e dei livelli di proteine ​​carboniliche nel cervello dei ratti. Inoltre, è stata osservata la soppressione dell’attività della catalasi e l’inibizione del metabolismo energetico nell’ippocampo, nello striato e nella corteccia cerebrale. È interessante notare che l’esposizione a lungo termine alle NP Au ha provocato solo l’inibizione della catalasi nel cervello e ha soppresso il metabolismo energetico nella corteccia cerebrale^[97].
Anche un’esposizione prolungata di ratti a NP Ag stabilizzate con citrato ha causato una grave degenerazione sinaptica, principalmente nella regione dell’ippocampo del cervello, che può conseguentemente portare ad una compromissione della normale funzione nervosa e dei processi cognitivi^[98]. In linea, le NP Ag somministrate per via intragastrica a femmine di ratto adulta hanno indotto un leggero restringimento dell’ippocampo, una riduzione dei neuroni e un gonfiore degli astrociti dopo un’esposizione di 7 giorni. Lo studio ha anche mostrato un aumento significativo dell’interleuchina-4 (IL-4) nel sangue. I ricercatori hanno suggerito che la neurodegenerazione dopo l’esposizione a NP Ag si è verificata attraverso effetti infiammatori^[99]. Neurotossicità e funzioni BBB compromesse sono state osservate anche dopo somministrazione intraperitoneale attribuita al cambiamento del livello di oligoelemento nel siero e al cervello, riduzione dell’attività enzimatica antiossidante, apoptosi e induzione di processi infiammatori ed espressione di proteine ​​a giunzione stretta regolata^[100]. Allo stesso modo, l’esposizione cronica e intragastrica di ratti a basse dosi di NP Ag ha provocato la presenza di argento in varie parti del cervello, tra cui l’ippocampo e la compromissione della memoria ippocampale dipendente e dei processi di coordinamento cognitivo^[101].
Al contrario Dąbrowska-Bouta et al. hanno dimostrato nei loro studi sui ratti Wistar maschi che le NP Ag somministrate a bassa concentrazione non hanno causato neurotossicità visibile nei test comportamentali; tuttavia, studi più accurati hanno mostrato anomalie nelle guaine mieliniche e un’espressione alterata delle proteine ​​mieliniche^[102].
Studio condotto da An et al. hanno dimostrato che le NP CuO si accumulano nel cervello quando somministrate per iniezione intraperitoneale a ratti Wistar di maschi adulti e hanno avuto un effetto tossico sull’ippocampo, inducendo deficit di apprendimento e memoria. I risultati hanno suggerito un danno neuronale, indotto da uno squilibrio dell’omeostasi redox che ha portato alla compromissione del potenziamento a lungo termine dell’ippocampo (LTP) e alla scarsa performance degli animali nei test comportamentali^[55].
Allo stesso modo, Liu et al. esaminato l’effetto di NP CuO dopo instillazione nasale nei topi. Hanno osservato che le NP sono state portate direttamente nel cervello dal bulbo olfattivo e che l’esposizione alle NP CuO ha provocato lesioni più gravi nel cervello del topo, che potrebbero essere dovute all’induzione di stress ossidativo nelle cellule nervose^[36]. In linea, Bai et al. osservato danno nervoso alle cellule di astrociti e livelli anormali di neurotrasmettitore nei murini dopo instillazione intranasale di NP NP^[103]. È stato anche dimostrato che nei ratti Wistar maschi le NP della CuO hanno compromesso la trasmissione del glutammato presinapticamente e post-sinapticamente, il che potrebbe comportare una riduzione della LTP e altri deficit cognitivi^[25]. In ancora altri studi, i ratti sono stati esposti per via orale a NP ossido di cadio (NP CdO) mediante sola instillazione intratracheale o in combinazione sequenziale con soluzione CdCl₂.
Una somministrazione orale di 3 settimane, più 1 settimana di consegna alla trachea, ha comportato una significativa perdita di peso dei ratti e una riduzione della motilità in campo aperto. Inoltre, l’allungamento della latenza ha evocato potenziali dei sensori e la velocità di conduzione del nervo di coda è stata ridotta^[16]. Simili effetti elettrofisiologici sono stati osservati dopo 4-12 settimane di esposizione orale o intratracheale al cadmio^{[17, 104]}. La traslocazione dai polmoni agli organi secondari, come il cervello, è stata segnalata anche per l’ossido di piombo NP (PbO NP) dopo inalazione di PbO NP acuta o subcronica da topi femmine. Le NP PbO inalate hanno causato lievi alterazioni patologiche nell’area dell’ippocampo^[105].
In linea, la somministrazione intranasale di NP O₂ Fe₂ ha causato danni al bulbo olfattivo, all’ippocampo e allo striato, probabilmente a causa di elevati livelli di ROS e NO causando la degenerazione dei neuroni avvenuta principalmente nell’area CA3 dell’ippocampo. Inoltre, è stato osservato e proposto un eccessivo reclutamento, proliferazione e attivazione di cellule microgliali, specialmente nel bulbo olfattivo, come ulteriore causa di danno cerebrale^[32]. È interessante notare che nessuna induzione del danno al DNA è stata osservata anche nei ratti Wistar femmine esposti a NP2 Fe₂O₃ o materiale sfuso Fe₂ O₃, suggerendo che NP NP2 Fe₂ non avevano potenziale genotossico^[9]. I neurotossici erano anche NP della Fe₃O₄ quando somministrati direttamente nello striato dorsale o nell’ippocampo dei topi. La somministrazione di NP di Fe₃O₄ ha ridotto la fibra TH⁺ sia nello striato dorsale che nell’ippocampo e ha causato deficit di memoria motoria, attribuiti all’attivazione delle vie di segnalazione MAPK e JNK^[22].
In linea, le NP MnO₂ instillate nella trachea di ratti maschi adulti penetrano nel cervello causando danni al tessuto nervoso. Inoltre, nell’attività in campo aperto, la percentuale di deambulazione e allevamento è diminuita, mentre l’attività locale è aumentata. La latenza dei potenziali evocati è stata allungata, mentre la velocità di conduzione del nervo di coda è diminuita^[41]. Anche l’esposizione intratracheale di topi a NP MnO ha causato un aumento della potenziale latenza evocata e un cambiamento dell’attività elettrica corticale alle frequenze più elevate. Anche la coesposizione con NP di Fe₃ O₄ ha comportato un aumento della potenziale latenza evocata^[106]. Effetti nocivi sulla salute sono stati osservati anche per NP di ossido di nichel (NiO NP) e Mn₃ O₄ NP somministrati per via intraperitoneale ai ratti.
Le NP di Mn₃ O₄ erano più dannose nei sintomi di tossicità più non specifici e causavano più danni ai nervi nel nucleo caudato e nell’ippocampo, rispetto alle NP NiO^[107].
Nonostante la neurotossicità manifestata negli animali adulti esposti, numerosi esperimenti hanno dimostrato che l’esposizione a NP metalliche potrebbe essere dannosa anche per le generazioni future. L’esposizione intragastrica alle NP TiO₂ dei ratti in gravidanza ha determinato una significativa inibizione della proliferazione cellulare nell’ippocampo della prole e ha compromesso significativamente le loro capacità di apprendimento e memoria [108].
Uno studio simile di Hong et al. ha dimostrato che l’esposizione a NP TiO₂ di topi durante la gravidanza o l’allattamento ha avuto effetti dannosi sullo sviluppo del SNC nella prole.
Le NP TiO₂ hanno mostrato di influenzare negativamente i processi di apprendimento e memoria. I ricercatori hanno suggerito che questo potrebbe essere il risultato della down-regolazione dell’espressione delle proteine ​​Rac 1 e Cdc42 e dell’upregolazione dell’espressione delle proteine ​​Rho A e dell’aumentato rapporto delle proteine ​​RhoA/Rac1^[24]. Ciò è stato ulteriormente confermato per NP TiO₂ somministrate per via intraperitoneale. Il cervello dei feti di topi trattati presentava alterazioni della struttura anatomica legate all’edema perivascolare^[109].
All’altra estremità, Amara et al. ha mostrato che l’iniezione endovenosa acuta di NP ZnO nei ratti adulti non ha causato cambiamenti nel contenuto di neurotrasmettitori (noradrenalina, epinefrina, DA e serotonina), né deterioramento dell’attività locomotoria e della memoria di lavoro spaziale^[110]. Non è stata osservata tossicità anche quando ZnO NP è stato somministrato per via intraperitoneale^[111]. Allo stesso modo, Shim et al. ha studiato gli effetti dell’esposizione orale di 28 giorni di NP ZnO sulla tenuta del BBB nei ratti. In linea, nessun danno al BBB o al cervello, né cambiamenti comportamentali sono stati osservati dopo un’esposizione orale di 28 giorni di NP ZnO^[112]. A sua volta, de Souza et al. ha dimostrato che la concentrazione rilevante dal punto di vista ambientale delle NP ZnO provoca cambiamenti comportamentali nei topi svizzeri maschi^[113]. Anche Aijie et al. ha riportato lesioni nella corteccia cerebrale e nell’ippocampo e alterazione dell’apprendimento e della memoria dei ratti somministrati con NP ZnO e TiO₂. È interessante notare che, in questa configurazione sperimentale, le NP sono state somministrate alla lingua dei ratti maschi Wistar. L’esperimento ha confermato che le NP possono entrare nel SNC attraverso la via del nervo gustativo^[114]. Come dimostrato da molti studi in vivo, le NP metalliche sono dannose per il SNC dei roditori. Le NP si traslocano e si accumulano facilmente in diverse regioni del cervello, in particolare nell’ippocampo striato e nella corteccia cerebrale. I danni causati da NP metallici possono causare deficit motori e compromissione dell’apprendimento e della memoria. Gli effetti dell’esposizione in vivo alle NP metalliche sono riassunti nella Tabella 2.

4.3 Tossicità nei vertebrati non mammiferi

Nei bacini idrici le NP metalliche sono principalmente presenti in forma dispersa o sotto forma di emulsione. Pertanto, si ritiene che possano essere più tossici nell’acqua, rispetto alle controparti sfuse, poiché si dissolvono più facilmente e rilasciano gli ioni metallici^[115]. Sebbene la dissoluzione degli NP di ossido metallico sia più difficile, poiché deve essere accompagnata da un’interruzione del legame covalente, potrebbe essere facilitata da acidi umici e altre sostanze chimiche presenti nell’acqua.
Gli studi sulla carpa (Cyprinus carpio) hanno mostrato che l’esposizione a NP ZnO o NP TiO₂ ha indotto un aumento significativo della perossidazione lipidica, stress ossidativo e una diminuzione dell’attività degli enzimi antiossidanti nel cervello^{[116, 117]}. Uno studio simile condotto su zebrafish (Danio rerio) ha rivelato che l’esposizione subcronica a basse dosi di NP TiO₂ ha provocato lesioni cerebrali, riduzione della memoria di riconoscimento spaziale, compromettendo così la risposta comportamentale^[118]. Hu et al. riportato che l’esposizione a 1 e 10 μg/ml di TiO₂ NP ha prodotto una perdita di neuroni dopaminergici a livello 50-70% e ha indotto sintomi simil-malattia del Parkinson a larve di pesce zebra. Ciò è stato confermato in studi in vitro su cellule PC12^[119]. Al contrario, Johnston et al. osservato che NP TiO₂ difficilmente penetrano nel cervello del pesce zebra^[120].
L’assunzione efficace di NP metallici dall’acqua è stata anche osservata per NP ZnO e NP Ag in due diversi modelli di pesci: la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus) e la tilapia con bolle rosse (Tilapia zillii). L’esposizione ad alta concentrazione di NP ZnO (2000 μg/l) e NP NP (4 mg/l) ha provocato un effetto distruttivo sul sistema antiossidante del cervello, mentre la bassa concentrazione (500 μg/l) di NP ZnO e (2 mg/l) di NP Ag hanno prodotto effetti completamente opposti, supportando l’attività antiossidante^{[121, 122]}. Nello studio sul pesce zebra, gli ZnO NP_s hanno compromesso lo sviluppo del sistema nervoso e vascolare^[123]. L’esposizione di Waterborn alle NP Ag ha provocato la presenza di NP nel cervello di medaka (Oryzias latipes)^[124]. Considerando che studi condotti su femmine di ciprinidi dalla testa piatta (Pimephales promelas), hanno rivelato che le NP Ag interagiscono direttamente sotto forma di NP intatte e indirettamente, rilasciando ioni dalla superficie delle NP, ciascuno con percorsi diversi di neurotossicità^[125]. Anche Klingelfus et al. ha descritto gli effetti neurotossici delle NP Ag sui pesci neotropicali (Hoplias intermedius)^[126]. Un NP Ag ha causato ipereccitabilità nello sviluppo del pesce zebra è stato riportato molto al di sotto delle concentrazioni riscontrate in alcuni ambienti acquatici^[127].
Analogamente alle NP Ag, le NP Cu sospese nell’acqua, si dissolvono lentamente e rilasciano ioni rame che potrebbero accumularsi inizialmente nelle branchie che riflettono la porta d’ingresso, quindi negli altri organi interni^[128]. Le NP e gli ioni CuO rilasciati dalle NP penetrano nel cervello e quindi possono essere tossici per il SNC^[129]. Una notevole riduzione dell’attività della colinesterasi è stata osservata nel cervello delle carpe giovanili esposte a NP CuO, corrispondente a un aumento significativo della concentrazione di rame nei principali organi del pesce, incluso il cervello. È interessante notare che l’attività della colinesterasi è tornata al livello di controllo dopo 10 giorni, molto probabilmente a causa delle capacità adattative del pesce. Tuttavia, ciò è stato attribuito piuttosto all’azione degli ioni rame rilasciati dagli NP nel corpo del pesce che agli effetti NP di per sé, poiché non sono stati trovati NP CuO nel tessuto cerebrale. Uno studio di Zhao et al. incluso l’effetto dell’esposizione a NP CuO sulla carpa giovanile. Il rame ha una serie di importanti caratteristiche nel cervello dei pesci, tra cui le funzioni antiossidanti nella melatonina, mediante la modulazione dell’eccitabilità delle cellule nervose e dei ritmi biologici^{[115, 130]}.
Inoltre, gli NP inibivano l’attività dell’enzima colinesterasi era importante per il corretto funzionamento del neurotrasmettitore acetilcolina. La ricerca Zhao et al. suggerisce che questa è una conseguenza del rilascio di ioni Cu^₂+ dagli NP CuO all’interno del corpo della carpa. Quindi si può concludere che le NP CuO hanno proprietà neurotossiche per le carpe. Lo studio ha anche dimostrato che le NP CuO erano più tossiche delle sue controparti molecolari di rame^[130]. Sun et al. osservato un disturbo dello sviluppo embrionale del pesce zebra a seguito dell’esposizione a NP della CuO manifestata dal ritardo della neurodifferenziazione della retina^[131]. Allo stesso modo, lo studio condotto da Al-Bairuty et al., In cui hanno confrontato la tossicità di NP CuO e NP CuSO₄ sulla trota iridea (Oncorhynchus mykiss), ha mostrato nel cervello lievi cambiamenti nei corpi cellulari neuronali nel telencefalo e alcuni cambiamenti lo spessore del mesencefalo e vasodilatazione nella superficie ventrale del cervelletto. Inoltre, è stata osservata una tossicità simile per Cu NP e il loro equivalente molecolare. Tuttavia, i NP NP hanno causato più danni al cervello, rispetto alle concentrazioni equivalenti di CuSO₄. Al-Bairuty ha postulato che il danno cerebrale si è verificato indirettamente a seguito di danni da branchia e ipossia sistemica nel corpo della trota iridea. L’eziologia delle NP CuO nella patologia cerebrale richiede ulteriori studi, ma si può presumere che lo stress ossidativo e l’interruzione dell’omeostasi osmotica e del metallo possano contribuire alla patologia del SNC^[132]. Inoltre, studi recenti hanno dimostrato che l’esposizione alla trota iridea giovanile su Cu NP ha comportato un aumento significativo del rapporto tra ossidato e ridotto glutatione nel cervello dei pesci, il che può indicare l’induzione di stress ossidativo^[133]. Inoltre, studi su pesci d’acqua dolce tilapia del Mozambico (Oreochromis mossambicus) esposti a NP Al₂O₃ hanno rivelato ampi cambiamenti istologici in vari organi, inclusa una necrosi grave del tessuto nervoso^[134].
Sebbene gli studi citati siano stati condotti solo sui pesci, l’effetto tossico delle NP metalliche sui vertebrati non di mammifero è chiaramente evidente. L’acqua favorisce una penetrazione più efficiente delle NP negli organismi aumentandone gli effetti avversi.
Nelle larve, le NP metalliche interferiscono con lo sviluppo del cervello embrionale portando a una ridotta vitalità. I loro effetti distruttivi sul sistema nervoso degli animali adulti si manifestano con stress ossidativo, disturbi dell’attività dell’acetilcolinesterasi e cambiamenti nella segnalazione cellulare. Gli effetti dell’esposizione in vivo alle NP metalliche sono riassunti nella Tabella 2.

4.4 Altre risposte

Le NP influenzano anche le proprietà biochimiche del cervello e i processi ionoegulativi. Kumari et al. ha studiato ratti femmina albini Wistar dopo una dose orale ripetuta di 28 giorni di Fe2 O3 NP da 30 nm. Hanno osservato l’inibizione di Na^{+ –} K⁺, Mg²⁺ e Ca^{2+ –} ATP monofosfatasi (ATPasi) nel cervello di ratto; è stato anche dimostrato che NP2 di Fe₂ più piccoli erano più tossici^[135].
In linea, l’esposizione orale acuta di femmine di ratto Wistar a NP2 di Fe₂O₃ a 30nm ha determinato un’inibizione superiore al 50% dell’attività totale di Na^{+ –} K⁺, Mg²⁺ e Ca^{2+ –} ATPasi nel cervello^[136].
Allo stesso modo, la somministrazione intragastrica di TiO₂ NP per 60 giorni ha provocato un disturbo dell’omeostasi degli oligoelementi cerebrali e ha inibito l’attività di Na⁺/K^{+ –} ATPase, Ca^{2+ –} ATPase, Ca²⁺/Mg^{2+ –} ATPase^[137]. Inoltre, un’esposizione di 14 giorni di trota iridea a TiO₂ NPs ha comportato cambiamenti dose-dipendenti nella concentrazione cerebrale di ioni Cu e Zn e una riduzione dell’attività di Na⁺/K^{+ –} ATPase ^138]. La riduzione dell’attività di Na⁺/K^{+ –} ATPase nel cervello è stata osservata anche nella trota iridea giovanile dopo esposizione a base acquosa a NP^[115]. È stata osservata anche una riduzione dell’attività delle AChE dipendente dall’NP e un aumento del danno ossidativo proteico nel cervello nei pesci giovani Prochilodus lineatus esposti a NP TiO₂ e NP ZnO^[139]. In linea Xia et al. ha mostrato che 1 mg/l di NP TiO₂ in acqua ha aumentato il livello di attività AChE nelle branchie (dopo il giorno 5) e nella ghiandola digestiva (dopo il giorno 12) nella capesante (Chlamys farreri)^[140].
A sua volta, de Oliveira et al. osservata inibizione dell’attività AChE e riduzione delle prestazioni esplorative nel pesce zebra adulto esposto a SPION rivestito con destrano amminico reticolato^[141]. Al contrario, Boyle et al. non ha riportato accumulo di NP né riduzione dell’attività di Na⁺/K^{+ –} ATPase e AChE nel cervello di trote esposte a NP di TiO₂ per 14 giorni, nonostante un significativo aumento del pool totale di glutatione^[142]. Allo stesso modo, in uno studio condotto
di Ramsden et al., dopo 14 giorni di esposizione acquosa di zebrafish a TiO₂ NP, non sono stati osservati cambiamenti nell’attività Na⁺/K^{+ –} ATPase nel cervello^[143].
Gli studi presentati indicano che diversi tipi di NP metallici hanno la capacità di cambiare i processi biochimici che si svolgono nelle singole cellule nervose, disturbando così il corretto funzionamento dell’intero sistema nervoso.

5. Il ruolo dello stress ossidativo nella tossicità indotta dalle NP e danni al DNA

Sebbene il meccanismo molecolare alla base della neurotossicità delle NP sia ancora oscurato, la generazione di ROS intracellulari sembra essere la causa principale della tossicità. Lo stress ossidativo è causato da uno squilibrio tra ossidanti e antiossidanti nella cellula. Inoltre è considerata una delle principali cause di danno a DNA, lipidi e proteine.
L’induzione dello stress ossidativo da parte di vari NP, sia in vitro che in vivo, è ben documentata, quindi ci si aspettava anche nel contesto dei loro effetti sul cervello. Infatti, le NP Ag e le NP TiO₂ hanno stimolato l’attivazione delle cellule gliali per rilasciare citochine proinfiammatorie e generare ROS e la produzione di NO, causando infiammazione neurologica^{[144, 145]}. È stata anche osservata una diminuzione dell’attività degli enzimi antiossidanti nei neuroni dopo l’esposizione dei ratti alle NP Ag, quindi il livello di ROS nel tessuto cerebrale è aumentato^[146]. Anche l’esposizione agli NP Fe ha ridotto l’attività del superossido dismutasi e un aumento dell’ossidazione lipidica negli embrioni medaka (Oryzias latipes), tuttavia negli animali adulti è stato osservato uno stress ossidativo solo all’inizio del trattamento. Dopo un certo tempo di esposizione, il bilancio degli ossidanti e degli antiossidanti è tornato al livello normale^[147]. È stata anche segnalata una formazione intrasinaptosomiale dose-dipendente di ROS per ferritina rivestita con particelle di ferro 7 nm^[21]. La tossicità delle NP ZnO era anche associata alla loro capacità di produrre ROS. Il trattamento con melatonina, che di solito ha un effetto protettivo contro lo stress ossidativo causato da fattori esterni, era inefficace per questi NP^[148].
In linea, le NP CuO hanno indotto un danno ai neuroni dell’ippocampo e un aumento del livello di malonaldeide nei ratti Wistar è stato attribuito all’aumento della produzione di ROS e alla ridotta attività di SOD e glutatione perossidasi (GSH-P_x)^[55]. Lo stress ossidativo e la ridotta attività degli enzimi antiossidanti nel cervello sono stati indicati come la causa principale dell’aumento di Au NP_s nell’aumento dell’8-idrossidossiguanosina e dell’attività della proteina 70 da shock termico e della caspasi-3, che potrebbe portare alla morte cellulare. Inoltre, lo studio ha mostrato un aumento significativo dei livelli cerebrali di IFN-γ negli animali trattati^[27].
Lo stress ossidativo è stato anche attribuito agli effetti avversi nel tessuto cerebrale, come aumento delle citochine infiammatorie, frammentazione del DNA e stimolazione dell’apoptosi, nei ratti esposti per via orale per 7 giorni a NP ZnO^[149]. Chen et al. osservato nelle cellule endoteliali microvascolari del cervello umano che lo stress ossidativo, manifestato come diminuzione del potenziale mitocondriale e diminuzione dell’espressione delle proteine ​​TJ, è anche indotto da NPN^[18]. Anche varie forme di NP di Al₂ O₃ hanno indotto la formazione di ROS, l’ossidazione delle proteine, la perossidazione lipidica, la riduzione del glutatione e la disfunzione mitocondriale^[150]. In linea, lo stress ossidativo è stato il punto come principale causa di genotossicità osservata per NP di ossido di tungsteno (WO3 NP)^[151], NP di ossido di cromo (Cr₂ O₃ NP)^[152] e MnO₂ NP^[153]. Lo stress ossidativo che insorge dopo il trattamento delle cellule staminali neurali con NP₃ di Fe3 O₄ causate da uno squilibrio nella formazione delle ROS e nel sistema di difesa cellulare antiossidante, ha portato a livelli di glutatione intracellulari impoveriti, iper-polarizzazione della membrana mitocondriale, disturbo del potenziale della cellula cellulare e danni al DNA^[154].
Hardas et al. ha studiato l’effetto pro-ossidante di 5 nm di CeO₂NP somministrati in modo periferico ai ratti Sprague Dawley.
Dopo 30 giorni di esposizione alle NP del CeO₂, hanno osservato livelli elevati di carbonile proteico e proteina Hsp70 nell’ippocampo e nel cervelletto, mentre i livelli di nitrotirosina e ossido nitrico sintasi inducibile (NOS) erano elevati nella corteccia. Mentre GSH-P_x e l’attività della catalasi sono diminuite nell’ippocampo, i livelli di glutatione reduttasi sono diminuiti nella corteccia e i livelli di GSH-P_x e cata-lase sono diminuiti nel cervelletto. Il GSH: rapporto disolfuro di glu-tathione, un indice dello stato redox cellulare, era diminuito nell’ippocampo e nel cervelletto. Ciò suggerisce che le NP CeO₂ hanno un potenziale pro-ossidante nel cervello del ratto^[5]. D’altra parte, Hardas et al. ha dimostrato in precedenza che le NP 5 nm di CeO₂ somministrate per via endovenosa nei ratti non causavano un aumento significativo del ROS e si osservava stress ossidativo^[31]. A sua volta, Hussain et al. Hanno osservato un aumento fino a 10 volte di ROS nella cellula del PC12 sottoposta a 40 nm Mn NP che potrebbe essere responsabile del livello di deplezione di DA e dei suoi metaboliti, acido diidrossifenil-lacetico e acido omovanillico^[57].

Un aumento significativo della formazione di ROS, dell’ossidazione e della ridotta attività degli enzimi antiossidanti è stato osservato nel cervello dei topi trattati con NP TiO₂, ZnONP o NP Al₃ O₃^[155].
Numerose segnalazioni suggeriscono che la neurotossicità dei PN metallici è associata all’induzione dello stress ossidativo nel cervello disturbando il delicato equilibrio redox sia nei neuroni che nelle cellule gliali. Questo meccanismo è collegato con la genotossicità e l’attivazione della via apoptotica.

6. Conclusione

Nell’ultimo decennio è stato osservato uno sviluppo dinamico della nanotecnologia. I prodotti contenenti NP metallici nella loro composizione possono essere trovati ovunque in una vasta gamma di prodotti commerciali comunemente disponibili praticamente per tutti. Inoltre, le NP hanno eccellenti applicazioni in medicina, in medicina e diagnostica. Le NP, a causa delle loro piccole dimensioni, hanno notevoli proprietà che ne determinano l’uso diffuso e l’immensa biodisponibilità nell’ambiente.
Tuttavia, le NP metalliche, oltre ai loro numerosi vantaggi, sfortunatamente presentano anche degli svantaggi. La figura 1 riassume
l’attuale fase di conoscenza della tossicità delle NP metalliche nel sistema nervoso centrale riveduta in questo lavoro. Gli studi hanno dimostrato una maggiore tossicità e reattività delle NP metalliche rispetto alle loro controparti sfuse. Esistono diverse vie principali di esposizione a NP metalliche, di cui forse le più pericolose nel contesto della neurotossicità NP sono quelle sospese nell’aria. È stato scoperto che le NP penetrano facilmente nel corpo umano, nonché nei roditori e negli organismi acquatici. Inoltre, i ricercatori hanno osservato che alcuni di essi si diffondono rapidamente in tutto il corpo e si accumulano in vari organi. Numerosi studi confermano che le NP possono penetrare nel cervello per mezzo di una via fissa (bulbo olfattivo – cervello nervoso olfattivo), bypassando così il BBB. D’altra parte, alcuni NP che entrano nel corpo possono passare attraverso il BBB e circolare nei vasi sanguigni sotto forma di ioni rilasciati dalla superficie degli NP, nonché attraverso danni all’integrità del BBB che ne aumenta il permeabilità. Naturalmente, è una grave conseguenza portare l’afflusso di sostanze non autorizzate nel cervello e la violazione della delicata omeostasi del microambiente. Il cervello, a causa della sua struttura sensibile, è particolarmente vulnerabile alle proprietà avverse delle NP metalliche. Numerosi studi condotti sia in vitro che in vivo mostrano che le NP sono tossiche per le cellule neuronali. È stato anche dimostrato che le NP possono penetrare nelle cellule, principalmente attraverso il meccanismo dell’endocitosi, sebbene esistano altre possibilità, come il trasporto facilitato da alcuni recettori di membrana. Il meccanismo principale per indurre la neurotossicità può essere attribuito alla generazione di radicali liberi e all’induzione dello stress ossidativo, che è noto per danneggiare gli elementi cellulari (proteine, lipidi, acidi nucleici). In particolare, il danno ossidativo al DNA è pericoloso a causa della sua natura e mediazione della mutazione nella formazione del cancro. Sebbene le NP metalliche non siano ancora state direttamente collegate all’eziologia di alcuna malattia neurodegenerativa, sono stati condotti sempre più studi che forniscono nuove prove a sostegno di questa tesi.
È quindi importante sia per la salute pubblica che per l’ambiente continuare a monitorare le NP metalliche e i loro effetti nel contesto dell’uso di sicurezza delle NP metalliche in medicina, specialmente nel sistema nervoso centrale.

Ringraziamento: questo studio è stato finanziato dal National Science Center Fund Projects No. DEC-2013/09/B/NZ7/03934 e No. DEC-2014/15/B/NZ7/01036.

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https://www.researchgate.net/publication/337094854_Toxicity_of_metallic_nanoparticles_in_the_central_nervous_system