Citotoxicidade de nanopartículas de bismuto e sílica : efeitos na linhagem BALB/c 3T3 clone A31

Orientador: Prof(a). Dr. Bruno DallagiovannaCoorientadora: Prof(a). Dra. Alessandra Melo de AguiarTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular. Defesa : Curitiba, 27/08/2019Inclui referênciasResumo: As nanopartículas (NPs) consistem em partículas que possuem dimensões variando de 1 a 100 nm, possuindo uma alta reatividade e enorme gama de aplicações tecnológicas. Devido a muitas NPs terem sido avaliadas e empregadas em produtos de interesse biomédico, torna-se necessária a compreensão da interação de NPs com sistemas biológicos. Uma melhor compreensão acerca da toxicidade destas NPs pode ajudar a evitar ou prever efeitos adversos, posto que em muitos casos, modificações na superfície das NPs podem torná-las mais seguras, facilitando sua aplicação biomédica. Modelos in vitro podem ser utilizados para predição de toxicidade e estudo dos mecanismos de interação celular. No presente estudo, buscou-se investigar os efeitos causados por diferentes NPs em cultivos de células eucariotas BALB/c 3T3 (células recomendadas por agências regulatórias para avaliação de citotoxicidade). Inicialmente NPs de Ferro (FeNPs), Ouro (AuNPs), Bismuto (BiNPs) e Sílica (SiO2NPs) foram avaliadas quanto a suas características físicoquímicas, heterogeneidade e estabilidade. Em um primeiro momento, as FeNPs e AuNPs foram descontinuadas deste trabalho pois NPs que se apresentam heterogêneas em sua caracterização físico-química ou instáveis precisam ter seus processos produtivos otimizados antes de serem avaliadas quanto a interação com sistemas biológicos. Prosseguiram-se os estudos com as BiNPs e SiO2NPs. BiNPs demonstraram ser esféricas e heterogêneas em tamanho e foram estabilizadas com adição de proteínas de soro bovino fetal ou albumina. Em relação aos efeitos biológicos sob células 3T3, avaliou-se o efeito de BiNPs sobre a viabilidade celular relativa, para cálculo de IC20, IC50 e IC80; desta forma as BiNPs foram preditas como pertencentes a classe GHS 4 de toxicidade. Além disso, demonstrou-se ainda que BiNPs são internalizadas quando na concentração do IC50 e levam a apoptose de células eucarióticas em efeito concentração-dependente, além de alterarem a morfologia celular a nível ultraestrutural induzindo a formação de figuras de mielina, associadas a autofagia e morte celular. Em relação a SiO2NPs, também avaliou-se a viabilidade celular relativa para fins de cálculo dos valores de IC20, IC50 e IC80. Estas NPs também foram preditas como classe GHS 4 de toxicidade. Ainda, foi demonstrado que SiO2NPs levam a morte das células por mecanismo de necrose, sendo que mesmo quando endocitadas, não levam a alterações a nível ultraestrutural na maior parte das células. Além disso, SiO2NPs exercem efeitos horméticos sob as células 3T3, levando a geração de uma curva concentração resposta bifásica. Com esse trabalho conclui-se que as NPs exercem efeitos sobre sistemas biológicos e suas implicações in vivo ou em exposições repetidas devem ser avaliadas em estudos futuros para que seu uso seja consolidado de forma segura e eficaz. Palavras-chave: Nanopartículas. Bismuto. Sílica. Citotoxicidade. 3T3.Abstract: Nanoparticles (NPs) consist of particles with dimensions ranging from 1 to 100 nm, thus giving these particles a high reactivity power and a wide range of technological applications. Because many NPs have been evaluated and used in products of biomedical interest, it is necessary to understand the interaction of NPs with biological systems. A better understanding of the toxicity of these NPs may help to prevent or predict adverse effects, since in many cases, changes in the surface of NPs can make them safer, therefore, facilitating their biomedical application. In vitro models can be used to predict NP toxicity and to study the mechanisms of cellular interaction. In the present study, we sought to investigate the effects caused by different NPs in BALB/c 3T3 eukaryotic cells (cells recommended by regulatory agencies for cytotoxicity assessment). Initially Iron (FeNPs), Gold (AuNPs), Bismuth (BiNPs) and Silica (SiO2NPs) NPs were evaluated regarding their physicochemical characteristics, heterogeneity and stability. At first, FeNPs and AuNPs were discontinued from this work because they were shown to be heterogeneous in their physicochemical characterization or unstable and they need to have their production processes optimized before being evaluated for interaction with biological systems. Studies with BiNPs and SiO2NPs were continued. BiNPs were shown to be spherical and heterogeneous in size and were stabilized by addition of fetal bovine serum proteins or albumin. Regarding the biological effects on 3T3 cells, the effect of BiNPs on relative cell viability was evaluated to calculate IC20, IC50 and IC80 values. BiNPs were predicted as belonging to the GHS 4 class of toxicity. In addition, we showed that BiNPs are internalized when exposed to IC50 concentration and lead to apoptosis of eukaryotic cells in a concentration-dependent effect. Moreover, they alter the cellular morphology at the ultrastructural level, inducing the formation of myelin figures, which are associated with autophagy and cell death. Regarding SiO2NPs, relative cell viability was also evaluated to calculate IC20, IC50 and IC80 values. These NPs were also predicted as belonging to GHS 4 class of toxicity. Furthermore, we showed that SiO2NPs lead to cell death through a necrosis mechanism. When endocytosed, these NPs do not lead to changes at the ultrastructural level in most cells. In addition, SiO2NPs exert hormetic effects on 3T3 cells, leading to the generation of a biphasic concentration response curve. With this work, we conclude that NPs have effects on biological systems and their in vivo implications or repeated exposures should be evaluated in future studies in order to consolidate their use in an effective and safe way. Keywords: Nanoparticles. Bismuth. Silica. Cytotoxicity. 3T3