Intratracheally instilled titanium dioxide nanoparticles translocate to heart and liver and activate complement cascade in the heart of C57BL/6 mice

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dc.contributor.author

Husain, Mainul

Wu, Dongmei

Saber, Anne T.

Decan, Nathalie

Jacobsen, Nicklas R.

Williams, Andrew

Yauk, Carole L.

Wallin, Hakan

Vogel, Ulla

Halappanavar, Sabina

dc.date.accessioned

2024-05-03T22:54:55Z

dc.date.available

2024-05-03T22:54:55Z

dc.date.issued

2015-05-20

dc.description - en

Titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs) are widely used in consumer products, increasing the potential for human exposure via the inhalation, oral or dermal routes of exposure. Upon inhalation, TiO2-NPs have been shown to accumulate in other organs distant from the lungs (non-target tissues); however, the biological/toxic effects of such non-target tissue accumulation remain unclear. The present study was undertaken to help Health Canada and the international community develop a better understanding of the potential of TiO2-NPs to induce toxicity in non-target tissues. A novel microscopic method sensitive to detecting low levels of nanoparticles in tissues as well as high-content genomics tools were employed to investigate the toxicity induced by TiO2-NPs in non-target tissues, including the blood, heart, and liver of mice exposed by direct lung instillation of TiO2-NPs. Microscopy data confirmed accumulation of traces of TiO2-NPs in blood, heart and liver; however, only the heart showed robust changes in the expression of several genes and proteins involved in normal defence mechanisms (complement activation) associated with particle clearance, and in certain cardiovascular pathologies. Some of these changes were also evident in the blood, while the liver showed a very subtle response. The results of the study provide novel scientific information related to the toxicity of TiO2-NPs, which will be used by Health Canada to better understand any health risks associated with nanomaterial exposures.

dc.description.abstract - en

An estimated 1% or less of nanoparticles (NPs) deposited in the lungs translocate to systemic circulation and enter other organs; however, this estimation may not be accurate given the low sensitivity of existing in vivo NP detection methods. Moreover, the biological effects of such low levels of translocation are unclear. We employed a nano-scale hyperspectral microscope to spatially observe and spectrally profile NPs in tissues and blood following pulmonary deposition in mice. In addition, we characterized effects occurring in blood, liver and heart at the mRNA and protein level following translocation from the lungs. Adult female C57BL/6 mice were exposed via intratracheal instillation to 18 or 162 µg of industrially relevant titanium dioxide nanoparticles (nano-TiO2) alongside vehicle controls. Using the nano-scale hyperspectral microscope, translocation to heart and liver was confirmed at both doses, and to blood at the highest dose, in mice analyzed 24 h post-exposure. Global gene expression profiling and ELISA analysis revealed activation of complement cascade and inflammatory processes in heart and specific activation of complement factor 3 in blood, suggesting activation of an early innate immune response essential for particle opsonisation and clearance. The liver showed a subtle response with changes in the expression of genes associated with acute phase response. This study characterizes the subtle systemic effects that occur in liver and heart tissues following pulmonary exposure and low levels of translocation of nano-TiO2 from lungs.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

On estime que 1 % ou moins des nanoparticules (NP) déposées dans les poumons se déplacent vers la circulation systémique et pénètrent dans d'autres organes ; cependant, cette estimation pourrait ne pas être précise compte tenu de la faible sensibilité des méthodes de détection in vivo des NP existantes. De plus, les effets biologiques de ces faibles niveaux de translocation ne sont pas clairs. Nous avons utilisé un microscope hyperspectral à l'échelle nanométrique pour observer spatialement et profiler spectralement les NP dans les tissus et le sang après un dépôt pulmonaire chez la souris. De plus, nous avons caractérisé les effets survenant dans le sang, le foie et le cœur au niveau de l'ARNm et des protéines suite à une translocation depuis les poumons. Des souris femelles adultes C57BL/6 ont été exposées par instillation intratrachéale à 18 ou 162 µg de nanoparticules de dioxyde de titane (nano-TiO2) d'importance industrielle aux côtés de véhicules témoins. À l’aide du microscope hyperspectral à l’échelle nanométrique, la translocation vers le cœur et le foie a été confirmée aux deux doses, ainsi que vers le sang à la dose la plus élevée, chez des souris analysées 24 h après l’exposition. Le profilage global de l'expression génique et l'analyse ELISA ont révélé l'activation de la cascade du complément et des processus inflammatoires dans le cœur ainsi que l'activation spécifique du facteur 3 du complément dans le sang, suggérant l'activation d'une réponse immunitaire innée précoce essentielle à l'opsonisation et à la clairance des particules. Le foie a montré une réponse subtile avec des changements dans l'expression des gènes associés à la réponse en phase aiguë. Cette étude caractérise les effets systémiques subtils qui se produisent dans les tissus hépatiques et cardiaques suite à une exposition pulmonaire et à de faibles niveaux de translocation de nano-TiO2 depuis les poumons.

dc.description.fosrctranslation - fr

Les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2-NP) sont largement utilisées dans les produits de consommation, augmentant le risque d'exposition humaine par inhalation, voie orale ou cutanée. Lors de l'inhalation, il a été démontré que les TiO2-NP s'accumulent dans d'autres organes éloignés des poumons (tissus non ciblés) ; cependant, les effets biologiques/toxiques d’une telle accumulation de tissus non ciblés restent flous. La présente étude a été entreprise pour aider Santé Canada et la communauté internationale à mieux comprendre le potentiel des NP-TiO2 à induire une toxicité dans les tissus non ciblés. Une nouvelle méthode microscopique sensible à la détection de faibles niveaux de nanoparticules dans les tissus ainsi que des outils génomiques à haute teneur ont été utilisés pour étudier la toxicité induite par les TiO2-NP dans les tissus non ciblés, notamment le sang, le cœur et le foie de souris exposées à instillation pulmonaire directe de TiO2-NP. Les données microscopiques ont confirmé l'accumulation de traces de TiO2-NP dans le sang, le cœur et le foie ; cependant, seul le cœur a montré des changements robustes dans l'expression de plusieurs gènes et protéines impliqués dans les mécanismes de défense normaux (activation du complément) associés à la clairance des particules et dans certaines pathologies cardiovasculaires. Certains de ces changements étaient également évidents dans le sang, tandis que le foie présentait une réponse très subtile. Les résultats de l'étude fournissent de nouvelles informations scientifiques liées à la toxicité des TiO2-NP, qui seront utilisées par Santé Canada pour mieux comprendre les risques pour la santé associés à l'exposition aux nanomatériaux.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.3109/17435390.2014.996192

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2416

dc.language.iso

en

dc.publisher

Taylor and Francis Group

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.title - en

Intratracheally instilled titanium dioxide nanoparticles translocate to heart and liver and activate complement cascade in the heart of C57BL/6 mice

dc.type - en

Article

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