Toxicité des nanoparticules et aperçu des modèles expérimentaux actuels

Iran Biomed J. 2016 Jan; 20 (1): 1-11.
PMCID: PMC4689276
PMID: 26286636

Haji Bahadar , 1 Faheem Maqbool , 1 Kamal Niaz , 1 et Mohammad Abdollahi *, 1, 2, 3

Abstrait

La nanotechnologie est un domaine en pleine expansion ayant des applications potentielles dans de nombreux domaines. Les nanoparticules (NP) ont été étudiées pour la toxicité cellulaire, l’immunotoxicité et la génotoxicité. Des dosages à base de tétrazolium tels que MTT, MTS et WST-1 sont utilisés pour déterminer la viabilité cellulaire. La réponse inflammatoire cellulaire induite par les NPs est vérifiée en mesurant les biomarqueurs inflammatoires, tels que IL-8, IL-6, et le facteur de nécrose tumorale, en utilisant ELISA. Le dosage de la lactate déshydrogénase (LDH) est utilisé pour l’intégrité de la membrane cellulaire. Différents types de cultures cellulaires, y compris les lignées cellulaires cancéreuses, ont été utilisés comme modèles de toxicité in vitro . Il a été généralement convenu que les NP interfèrent avec les matériaux d’essai ou avec les systèmes de détection. Jusqu’à présent, les données sur la toxicité générées par l’utilisation de tels modèles sont contradictoires et incohérentes. Par conséquent, sur la base des modèles expérimentaux disponibles, il peut être difficile de juger et de classer certaines des NP les plus intéressantes comme étant plus toxiques pour les systèmes biologiques et vice versa.Considérant les applications potentielles des NPs dans de nombreux domaines et les appréhensions croissantes de la FDA sur le potentiel toxique des nanoproduits, il est temps de chercher de nouveaux modèles toxicologiques sans biais biaisés au niveau international en se focalisant davantage sur les études in vivo .

Mots-clés: Cytotoxicité, in vitro , Nanoparticules métalliques, Toxicologie, Revue

INTRODUCTION

Les nanoparticules d’ingénierie (NPs) sont des matériaux produits commercialement ayant au moins une dimension inférieure à 100 nm [ 1 ] . La nanotechnologie a apporté une grande révolution dans le secteur industriel. En raison de leurs propriétés physico-chimiques et électriques distinctives, les nanomatériaux ont acquis une attraction considérable dans le domaine de l’électronique, de la biotechnologie et de l’ingénierie aérospatiale. Dans le domaine de la médecine, les NP sont utilisées comme nouveau système de délivrance de médicaments, de protéines, d’ADN et d’anticorps monoclonaux [ 2  4 ] . Jusqu’à présent, les NP ont été préparés à partir de matériaux métalliques et non métalliques, de matériaux polymères et de biocéramiques. La majorité des NP ayant des applications médicales sont les liposomes, le polyéthylène glycol et les dendrimères [ 5 ] . Les humains sont exposés à divers matériaux à l’échelle nanométrique depuis leur enfance, et le nouveau domaine émergent de la nanotechnologie est devenu une autre menace pour la vie humaine [ 6 ] . En raison de leur petite taille, les NPs pénètrent facilement dans le corps humain et traversent les différentes barrières biologiques et peuvent atteindre les organes les plus sensibles [ 7 ] . Les scientifiques ont proposé que les NP de taille inférieure à 10 nm agissent comme un gaz et peuvent pénétrer facilement dans les tissus humains et perturber l’environnement biochimique normal des cellules [ 8 ] . Des études sur des animaux et des humains ont montré qu’après inhalation et par exposition orale, les NP sont distribuées dans le foie, le cœur, la rate et le cerveau en plus des poumons et du tractus gastro-intestinal [ 9-11 ] . Afin de nettoyer ces NP du corps, les composants du système immunitaire sont activés. La demi-vie estimée des NP dans les poumons humains est d’environ 700 jours, ce qui représente une menace constante pour le système respiratoire. Au cours du métabolisme, certaines des NP sont rassemblées dans les tissus du foie [ 6-12 ] . Les NP sont plus toxiques pour la santé humaine que les particules de grande taille de la même substance chimique, et il est généralement suggéré que les toxicités sont inversement proportionnelles à la taille des NP [ 13-15 ] . En raison de leurs propriétés physicochimiques caractéristiques dans différents systèmes biologiques, les résultats de santé imprévisibles des NP étaient éminents pour les scientifiques. Ainsi, pour combler le fossé des connaissances et pour s’attaquer exclusivement aux problèmes de toxicité liés aux IP, différentes approches visant à contribuer à une utilisation sûre des IP sont essentielles.

Nanomatériaux de différentes substances et leur toxicité

NPs de substances métalliques

Oxyde d’aluminium

Les NP à base d’aluminium contribuent à 20% à tous les produits chimiques de taille nanométrique. Selon un rapport publié par « Le marché mondial des NP d’oxyde d’aluminium », les NP à base d’aluminium sont utilisées dans de nombreux domaines tels que les piles à combustible, polymères, peintures, revêtements, textiles, biomatériaux, etc. (http: //www.futuremarket sinc.com). À propos de leurs effets toxiques, Chen et al. [ 16 ] ont rapporté que les NP d’oxyde d’aluminium perturbent la viabilité cellulaire, altèrent la fonction mitochondriale, augmentent le stress oxydatif, et modifient également l’expression de la protéine de jonction serrée de la barrière hémato-encéphalique (BBB). D’autres chercheurs, par exemple, Radziun et al. [ 17 ] ont décrit que les NP d’oxyde d’aluminium, à des concentrations de 10, 50, 100, 200 et 400 μg / mL, ne possèdent aucun effet toxique significatif sur la viabilité des cellules de mammifères. Ces chercheurs ont utilisé la technique de dosage EZ4U au lieu de MTT pour l’évaluation de la viabilité cellulaire. De même, une autre étude a rapporté une cytotoxicité dose-dépendante (25-40 μg / mL) en tant qu’effet des NP d’oxyde d’aluminium (160 nm) sur les cellules souches mésenchymateuses humaines. La cytotoxicité cellulaire dans cette étude a également été mesurée par dosage MTT [ 18 ] . En outre, ces NP ont été examinés pour la génotoxicité. Balasubramanyam et al. [ 19 ] ont rapporté que les NP d’oxyde d’aluminium (30-40 nm) possèdent des propriétés génotoxiques dose-dépendantes. Ils ont évalué la génotoxicité avec le test de la comète et le test du micronoyau en utilisant des cellules de sang de rat. Le résultat d’une autre étude utilisant la lignée de cellules de lymphome de souris suggère également que les NP d’oxyde d’aluminium (<50 nm) provoquent des effets génotoxiques sous forme de lésions de l’ADN sans aucun effet mutagène [ 20 ] . Il y a très peu d’études in vivo qui ont réfléchi sur cet aspect des IP.

Selon la littérature disponible, les NP d’oxyde d’aluminium ont été testés en mettant l’accent sur la cytotoxicité et les effets génotoxiques. En raison de son application massive dans divers domaines et de l’exposition humaine subséquente, il est extrêmement souhaitable de dépister les NP à base d’aluminium pour d’autres effets toxiques sur la santé chez les humains, conformément aux protocoles standard.

Or

Les NP d’or ont des propriétés physicochimiques très uniques. Ils ont la capacité de fonctionnalisation facile; liaison aux groupes amine et thiol. Toutes ces caractéristiques que possèdent les PN d’or ouvrent la voie à des modifications de surface et sont étudiées en tant que vecteurs de médicaments dans le traitement du cancer et de la thermothérapie, et comme agents de contraste [ 21 ] . Les NP d’or sont considérées comme relativement sûres, car leur noyau est inerte et non toxique. Dans une étude expérimentale, plusieurs NP d’or (4, 12 et 18 nm) avec différents agents de coiffage ont été étudiés pour détecter toute cytotoxicité contre la lignée de cellules leucémiques [ 22 ] . Les résultats de ce rapport suggèrent que les NP sphériques d’or pénètrent dans la cellule et ne sont pas toxiques pour la fonction cellulaire. La cytotoxicité a été évaluée par un dosage MTT [ 22 ] . Cependant, d’autres rapports suggèrent que la cytotoxicité associée aux NP d’or dépend de la dose, de la chaîne latérale (cationique) et du stabilisant utilisé [ 23 , 24 ] . La cytotoxicité des NP d’or dépend du type d’essai de toxicité, de la lignée cellulaire et des propriétés physiques / chimiques. La variation de toxicité vis-à-vis des différentes lignées cellulaires a été observée dans la lignée cellulaire du cancer du poumon et du foie humain [ 25 ].

Oxyde de cuivre

Les NP d’oxyde de cuivre sont utilisés dans les semiconducteurs, les réactifs antimicrobiens, les fluides de transfert de chaleur et les dispositifs contraceptifs intra-utérins [ 26 ] .Expérimentalement, il a été démontré que les nanomatériaux de cuivre possèdent des effets toxiques sur le foie et les reins [ 27 ] . Le nano-cuivre a entraîné une altération sévère du foie, des reins et de la rate chez les animaux de laboratoire. Après l’administration orale et l’interaction avec le suc gastrique, il se forme du cuivre ionique hautement réactif qui s’accumule dans le rein des animaux exposés [ 28 , 29 ] . Dans une étude in vitro , des NP d’oxyde de cuivre (50 nm) ont été rapportés comme étant génotoxiques et cytotoxiques avec une intégrité de la membrane cellulaire perturbante et induisant un stress oxydatif [ 30 ] .

argent

Historiquement, l’argent a longtemps été connu comme une substance anti-bactérienne. Ses NP sont utilisés dans une large gamme de produits commerciaux. Les NP d’argent sont utilisées sous la forme de pansements, de revêtements d’instruments chirurgicaux et de prothèses [ 31 ] .Ils pénètrent dans le corps humain par différentes voies et s’accumulent dans différents organes, traversent la BHE et atteignent le cerveau. Expérimentalement, des NP d’argent ont été détectées dans divers organes, y compris les poumons, la rate, les reins, le foie et le cerveau après avoir exposé les rats à des NP à base d’argent par inhalation ou par injection sous-cutanée [ 32 ] . De plus, en comparaison avec d’autres, ces NPs ont montré plus de toxicité en termes de viabilité cellulaire, de génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) et de fuite de lactate déshydrogénase (LDH) [ 33 ] . Les NP d’argent sont disponibles dans différents revêtements, chacun ayant différents degrés de cytotoxicité. Après avoir exposé des NP d’argent revêtues de polyvinylpyrrolidone (6-20 nm) à une lignée cellulaire de cancer du poumon humain, Foldbjerg et al . [ 34 ] ont rapporté une cytotoxicité dose-dépendante et la formation d’adduits d’ADN cellulaire. Dans cette étude in vitro , la technique à base de colorant MTT a été utilisée pour évaluer la viabilité de la lignée cellulaire de cancer du poumon humain. Il y a un rapport de plus soutenant l’étude mentionnée précédemment jusqu’à un certain point. Ces auteurs sont d’avis que les NP d’argent enrobés de peptides (20 nm) sont plus cytotoxiques contre les NP d’argent revêtus de citrate de la même taille. La lignée cellulaire de leucémie humaine a été utilisée dans cette étude, et la cytotoxicité des cellules a été déterminée par un test WST-1 [ 35 ] . Sur la base de caractéristiques biocinétiques particulières, comme indiqué plus haut, il est nécessaire d’aborder les problèmes de toxicité des NPs d’argent dans des modèles expérimentaux appropriés à la lumière des protocoles standard concernant les troubles rénaux, hépatiques, pulmonaires et du système nerveux central et surtout relation aux fonctions endocriniennes.

Oxyde de zinc

Les NP produites à partir d’oxyde de zinc ont de nombreuses applications et sont utilisées dans les peintures, les filtres houlomoteurs, les détecteurs UV, les capteurs de gaz, les filtres solaires et de nombreux produits de soins personnels [ 36 , 37 ] . En raison d’une utilisation accrue dans de nombreuses régions, l’exposition humaine aux NP à base d’oxyde de zinc est imminente [ 38 ]. Les NP d’oxyde de zinc ont été étudiés pour détecter d’éventuels effets toxiques sur les bactéries et les cellules de mammifères. La cytotoxicité, les dommages à la membrane cellulaire et l’augmentation du stress oxydatif ont été signalés dans diverses lignées cellulaires de mammifères comme l’effet toxique le plus courant des nanomatériaux à base de zinc [ 37 ] .Après avoir exposé des cellules de mésothéliome humain et des fibroblastes de rongeurs à des NP d’oxyde de zinc à forte concentration (49 mg / mL), Brunner et al. [ 39 ] ont trouvé une mort cellulaire presque complète dans la culture cellulaire. De même, dans une autre étude in vitro , les NP d’oxyde de zinc ont été pris en compte pour le changement de la morphologie cellulaire, les dommages à l’ADN, l’altération de l’activité mitochondriale dans les hépatocytes humains et les cellules rénales embryonnaires. Dans cette expérience, MTT et comètes ont été utilisés pour mesurer la viabilité cellulaire et les dommages à l’ADN, respectivement [ 40 ] . En utilisant des cellules de fibroblastes dermiques humaines comme modèle et du MTT comme technique d’essai, Meyer et al. [ 41 ] ont rapporté une diminution de la viabilité cellulaire après l’exposition des lignées cellulaires ci-dessus à des NP d’oxyde de zinc (20 nm). Outre la cytotoxicité, le potentiel génotoxique des NP d’oxyde de zinc a été signalé dans des études in vivo et in vitro .Une étude in vitro utilisant la lignée cellulaire HEp-2, publiée par Osman et al. [ 42 ] ont révélé que les NPs à oxyde de zinc exercent leur effet génotoxique par des dommages à l’ADN. Des techniques standard telles que le test des comètes et le test du micronoyau bloqué par la cytocinèse ont été utilisées pour déterminer le potentiel génotoxique des NP d’oxyde de zinc dans cette étude in vitro . L’exposition chronique aux NP d’oxyde de zinc (300 mg / kg) a entraîné des dommages oxydatifs à l’ADN ainsi que la modification de diverses enzymes du foie. Les dommages à l’ADN ont été mesurés en utilisant la technique d’analyse des comètes [43 ] .

Oxyde de fer

Les NP d’oxyde de fer ont été utilisés dans les domaines biomédical, de l’administration de médicaments et du diagnostic. Ces NP se bioaccumulent dans le foie et d’autres organes du système réticulo-endothélial [ 44 , 45 ] . Des études in vivo ont montré qu’après leur entrée dans les cellules, les NP d’oxyde de fer restent dans les organites cellulaires (endosomes / lysosomes), se libèrent dans le cytoplasme après la décomposition et contribuent au sondage sur le fer cellulaire. Il a été observé que des NP magnétiques de fer s’accumulent dans le foie, la rate, les poumons et le cerveau après inhalation, ce qui montre sa capacité à traverser la BHE [46 ] . Les preuves montrent que ces NP exercent leur effet toxique sous forme de lyse cellulaire, d’inflammation et de perturbation du système de coagulation sanguine [ 47 ] . En outre, la viabilité cellulaire réduite a été rapportée comme l’effet toxique le plus commun des NP d’oxyde de fer dans des études in vitro . Les NP d’oxyde de fer revêtus de différentes substances ont montré des résultats de viabilité cellulaire variables. La toxicité des nanoparticules d’oxyde de fer supermagnétique revêtues de Tween (30 nm) sur des macrophages murins a été rapportée par Naqvi et al. [ 44 ] . Ils sont d’avis qu’une faible concentration de NP d’oxyde de fer (25-200 μg / mL pour une exposition de 2 h) montre une plus grande toxicité cellulaire par rapport aux concentrations élevées (300-500 μg / mL pour une exposition de 6 h). Cependant, les NP d’oxyde de fer enrobés de dextran (100-150 nm, 0,1 mg / mL) ont réduit la viabilité cellulaire des macrophages humains de 20% après sept jours d’incubation [ 48 ] . De plus, dans une autre étude sur le neuroblastome de souris (Neuro-2A), les NP d’oxyde de fer (25 nm) ont un effet moins toxique sur la morphologie cellulaire, la perméabilité cellulaire, l’apoptose et la fonction mitochondriale [ 49 ]. . En utilisant des cellules de carcinome hépatocellulaire humain, des NP d’oxyde de fer enrobées de chitosane (13,8 nm) à une concentration de 123,52 μg / mL ont montré une viabilité cellulaire de 10% après une exposition de 12 h [ 50 ] . Cependant, les NPs d’oxyde de fer revêtus d’acide 1-hydroxy-éthylidène-1,1-bisphosphonique (20 nm, 0,1 mg / mL) ont montré une viabilité cellulaire de 70% après exposition des cellules souches mésenchymateuses du rat pendant deux jours. La viabilité cellulaire a été déterminée par MTS dans cette étude [ 51 ] . On a pensé que les effets toxiques des NP d’oxyde de fer sont dus à une production excessive de ROS. Ces ROS générés provoquent d’autres dommages à l’ADN et à la peroxydation des lipides [ 46 ] .

Oxyde de titane

L’oxyde de titane est chimiquement un composé inerte, mais des études ont montré que les NP du dioxyde de titane ont des effets toxiques sur la santé des animaux de laboratoire, notamment des dommages à l’ADN ainsi que la génotoxicité et l’inflammation pulmonaire [ 52 , 53 ] . Les NP de dioxyde de titane (<100 nm) induisent un stress oxydatif et forment des adduits à l’ADN [ 54 ] . Outre la génotoxicité, les NP de dioxyde de titane (5-200 nm) ont des effets toxiques sur la fonction immunitaire, le foie, les reins, la rate, le myocarde, le glucose et l’homéostasie des lipides chez les animaux de laboratoire [ 55 , 56 ] .

NP de substances non métalliques

Nanomatériaux à base de carbone

Du point de vue de l’application, les nanomatériaux à base de carbone, tels que les nanotubes de carbone, les fullerènes, les nanotubes de carbone mono- et multi-parois sont les nanomatériaux les plus attractifs et les plus utilisés [ 57 ] . Les nanomatériaux à base de carbone ont été décrits dans la littérature comme des agents cytotoxiques. Magrez et al. [ 58 ] ont rapporté que les nanomatériaux à base de carbone possèdent une cytotoxicité dépendant de la taille. Ces chercheurs ont testé diverses formes de NPs de carbone sur des cellules de cancer du poumon pour évaluer la viabilité cellulaire avec un test MTT. De plus, des résultats similaires ont été publiés par une autre étude menée par Herzog et al. [ 59 ] sur les nanomatériaux de carbone. Ces chercheurs ont utilisé une approche différente pour l’évaluation de la toxicité cellulaire en utilisant la technique de dosage clonogénique pour la prolifération cellulaire et la mort cellulaire. Ils ont utilisé la lignée cellulaire épithéliale de carcinome alvéolaire humain, la lignée cellulaire épithéliale bronchique humaine normale et la lignée cellulaire de kératinocytes humains. Les nanotubes de carbone exercent une toxicité dépendante de la taille. Chez les animaux, les nanotubes de carbone à parois multiples ont produit des effets cancérigènes similaires à ceux de l’amiante après injection dans la cavité péritonéale, comparativement aux nanotubes de carbone à paroi simple, qui ont été facilement absorbés par les macrophages [ 60 ]. Cependant, l’accumulation à long terme de nanotubes de carbone à paroi unique dans le foie a perturbé certains paramètres biochimiques sous forme de LDH, d’aspartate transaminases, d’alanine transaminase, de glutathion et de malondialdéhyde, en modifiant les indices des organes chez les animaux expérimentaux [ 61 ] . Dans le cas de NPs de carbone, avec la taille, la méthode de préparation et la présence de métaux traces déterminent l’étendue de la toxicité et la réponse biologique des cellules [ 62 , 63 ] . Les fullerènes sont des nanomatériaux à base de carbone. Ils sont largement présents dans notre environnement libérés de la combustion du carburant. Les fullerènes C60 non fonctionnalisés sont fortement répartis dans tous les tissus et une accumulation à long terme a été observée dans le foie, les reins, les os et la rate [ 64-66 ] .Des études in vitro ont montré que les fullerènes exerçaient une génotoxicité sous forme de cassures de brins d’ADN, de lésions chromosomiques et de formation de micronoyaux après incubation de fullerènes (1 ng / mL) avec des cellules ovariennes de hamster chinois, des cellules de carcinome épidermoïde humain et des cellules rénales embryonnaires humaines ( HEK293) pendant 80 jours [ 67 , 68 ] . Cependant, selon une autre étude, des fullerènes ont été trouvés sans effet significatif sur la cassure de brin d’ADN comme déterminé par l’essai de comète [ 69 ] . Ces variations dans les résultats pourraient être liées à différentes conditions expérimentales utilisées. L’utilisation sécuritaire des NP de carbone ne peut être établie en raison de l’absence d’évaluation complète des données de toxicité.

Silice

Les utilisations de NPs de silice ont de nombreux avantages dans les systèmes d’administration de médicaments. les NP de silice ont été rapportés comme des transporteurs de médicaments facilement fonctionnalisés [ 70 ] . En outre, ayant une application dans les systèmes de délivrance de médicaments, les NP de dioxyde de silicium sont également présents dans l’air ambiant comprenant 8% de toutes les NPs nées dans l’air [ 71 ] . Auparavant, la nanosilice était considérée comme un matériau hautement biocompatible dans les systèmes d’administration de médicaments, mais selon des rapports récents, les NPs de silice provoquent la génération de ROS et le stress oxydatif subséquent [ 72 ] . Lin et al. [ 73 ] ont rapporté une augmentation du taux de ROS, de LDH et de malondialdéhyde après traitement de cellules de carcinome bronchoalvéolaire humain avec des NP de silice (15-46 nm) à une gamme de dosage de 10-100 μg / mL. Dans cette expérience, le ROS a été mesuré avec du diacétate de 2 ‘, 7’-dichlorofluorescine, LDH, avec un kit commercial. De même, l’induction de biomarqueurs inflammatoires tels que l’IL-1, l’IL-6, l’IL-8, le TNF-α (facteur de nécrose tumorale) et les lésions mitochondriales par les NPs de silice ont été rapportées dans diverses autres études [ 74-76 ] . Dans une autre étude in vitro sur les cellules hépatiques, on a constaté que les NP à base de silice (70 nm) à 30 mg / kg altéraient les paramètres biochimiques ainsi que les effets hépatotoxiques [ 77 ] .

NPs de matériaux polymères

Les NPs biodégradables ou polymériques peuvent être utilisées dans l’administration ciblée de médicaments en chimiothérapie anticancéreuse. Ces NPs sont également employés dans l’encapsulation de diverses molécules pour développer la nanomédecine assurant une libération prolongée et une bonne biocompatibilité avec les cellules et les tissus [ 78 ] . En outre, ils ont le potentiel d’être utilisés avec succès dans l’encapsulation de peptides, d’acides nucléiques et de protéines. Ils sont également considérés comme non toxiques, non immunologiques, non inflammatoires et n’active pas les neutrophiles. Le poly- (D, L-lactide-co-glycolide) a été utilisé avec beaucoup de succès en tant que nanosystème pour la délivrance ciblée de médicaments et d’autres molécules. Jusqu’à présent, le nanosystème à base de poly (D, L-lactide-co-glycolide) a été rapporté avec le moins de toxicité, car il subit une hydrolyse et produit des métabolites biocompatibles, de l’acide lactique et de l’acide glycolique. Cependant, il a récemment été publié un rapport proposant que le revêtement de surface induit la toxicité des NP polymériques envers les macrophages de type humain [ 79 ] .

DISCUSSION

Actuellement, la toxicité des NPs modifiées est évaluée à l’aide de plusieurs approches. Parmi eux, le plus bénéfique en terme de gain de temps et d’argent sont les études in vitro . Cependant, jusqu’à présent, les études in vitro dans différents laboratoires ont donné des résultats variables.La viabilité des cellules est évaluée le plus souvent par des essais de réduction du tétrazolium, l’intégrité de la membrane cellulaire avec un test LDH, des biomarqueurs d’immunohistochimie pour l’apoptose, et un test de comète pour la génotoxicité. Pour la localisation intracellulaire des NPs, la microscopie électronique est employée [ 46 , 80 ] . Pour détecter les cellules viables, des composés tels que MTT, MTS, XTT et WST-1 sont utilisés. MTT étant un composé positif entrer facilement les cellules eucaryotes viables tandis que les composés négatifs tels que MTS, XTT et WST-1 ne perméent pas les cellules rapidement. Parmi tous, le test MTT tétrazolium a été largement adopté dans les laboratoires pour l’évaluation de la toxicité cellulaire ( Tableau 1). Le MTT et d’autres techniques de dosage nécessitent l’incubation d’un réactif avec une culture cellulaire. Les cellules viables convertissent le réactif en une couleur ou un produit fluorescent, qui est ensuite détecté sur un lecteur de plaque. Dans le cas de cellules non viables, la capacité de convertir le réactif en une couleur ou un produit fluorescent est perdue [ 81 , 82 ] . En raison de propriétés physico-chimiques uniques, les NP interagissent avec les composants du test ou interfèrent avec la lecture et peuvent produire des résultats variables, comme cela a été remarqué pour les nanomatériaux de carbone [ 83 ] . Les NPs induisent la formation de ROS, qui peuvent affecter les enzymes mitochondriales et ensuite la lecture finale [ 46 ] .

Tableau 1

Études in vitro / in vivo sur la toxicité de divers types d’IP

NPs et
taille (nm)
Concentration et
durée d’exposition
Espèces / culture cellulaire Essai
technique
Résultat Ref.
Oxyde d’aluminium
(8-12)
1-10 μM
24 heures
HBMVECs MTT
DHE
Viabilité cellulaire ↓ Fonction mitochondriale ↓
Stress oxydatif ↑
Modifier l’expression des protéines de la BBB
[16]
Oxyde d’aluminium
(50-80)
10, 50, 100, 200, 400 μg / mL
24 heures
Cellules de mammifères EZ4U Aucun effet toxique significatif sur la viabilité cellulaire [17]
Oxyde d’aluminium
(160)
25-40 μg / mL
12 h
HMSC MTT Viabilité des cellules [18]
Oxyde d’aluminium
(30-40)
500-2000 mg / kg
72 h
Cellules sanguines de rat Comète
Micronucleus
Génotoxicité dépendante de la dose [19]
Oxyde d’aluminium
(50)
0-5000 μg / mL
2 h
MLCL Comète Dommages à l’ADN [20]
Oxyde de cuivre
(50)
10, 25, 50 μg / mL
24 heures
Cellules épithéliales pulmonaires humaines MTT
LDH
Viabilité des cellules
LDH ↑
Peroxydation lipidique ↑
[30]
MWCNTs
(20)
0,002-0,2 μg / mL
4 jours
Cellules cancéreuses pulmonaires MTT Viabilité des cellules [58]
SWCNT
(800)
0-400 μg / mL
10 jours
NHBECs HACECs Clonogénique Mort cellulaire [59]
SWCNTs
(10-30)
40 et 200 μg / souris, 1 mg / souris, 90 jours in vivo Kits commerciaux LDH ↑
AST ↑
ALT ↑
[61]
Fullerenes
(178)
1 ng / mL
80 jours
CHO
HELA
HEK293
Test du micronoyau Bris de brin d’ADN Dommages chromosomiques [67,68]
Silice
(15-46)
10-100 μ g / mL
48 h
Cellules de carcinome broncho-alvéolaire humain DCFH-DA
Kit commercial
ROS ↑
LDH ↑
Malondialdéhyde ↑
[73]
Silice
(43)
25-200 μg / mL
3-24 h
Cellules de carcinome hépatocellulaire
(HepG2)
DCFH-DA
5,5,6,6-tétraéthyl-benzimidazo-lylcarbo-cyanure iodé
ROS ↑
Dommages mitochondriaux
Stress oxydatif ↑
[76]
argent
(15-100)
10-50 μg / mL
24 heures
BRL 3A LDH
MTT
Glutathion
DCFH-DA
Viabilité des cellules
LDH ↑
ROS ↑
[33]
argent
(30-50)
0-20 μg / mL
24 heures
Ligne cellulaire alvéolaire humaine MTT
DCFH-DA
Viabilité des cellules
ROS ↑
[34]
argent
(20-40)
Ligne de leucémie humaine WST-1
LDH
Viabilité des cellules
LDH ↑
[35]
Oxyde de zinc
(50-70)
11,5 μg / mL
24 heures
Cellules de carcinome du colon humain ELISA
Cytométrie en flux
Stress oxydatif ↑ Viabilité cellulaire biom Biomarqueurs inflammatoires [1]
Oxyde de zinc
(307-419)
10-100 μg / mL
24-48 h
Ligne cellulaire du carcinome du col de l’utérus humain (HEp-2) Comet micronucleus test
MTT
Dommages à l’ADN
Viabilité des cellules
[42]
Oxyde de zinc
(30-70)
14-20 μg / mL
12 h
in vivo MTT
Comète
DCFH-DA
Viabilité des cellules
Dommages à l’ADN
ROS
L’apoptose
[43]
Oxyde de zinc
(50)
0-100 μg / mL
24 heures
Lignée cellulaire d’hépatocytes humains HEK 293 MTT
Comète
Dommages à l’ADN
Viabilité des cellules
Stress oxydatif
Dommages mitochondriaux
[40]
Oxyde de zinc
(<20)
100 μg / mL Cellules épithéliales bronchiques humaines Viabilité des cellules
Stress oxydatif ↑
Libération de LDH
[37]
Oxyde de fer
(30)
25-200 μg / mL
2 h
Cellules de macrophages murins MTT Viabilité des cellules [44]
Oxyde de fer
(100-150)
0,1 mg / mL
7 jours
Macrophages humains MTS Viabilité des cellules [49]
Oxyde de fer
(13,8)
123,52 μg / mL
12 h
Cellules humaines de carcinome hépatocellulaire MTT Viabilité des cellules [50]
Oxyde de fer
(20)
0,1 mg / mL
2 jours
Cellules souches mésenchymateuses de rat MTS Viabilité des cellules [51]
Oxyde de titane
(160)
1800 μg / souris
10 jours
in vivo Comète
test du micronoyau
Dommages à l’ADN
Génotoxicité
[53]
Oxyde de titane (<100) 10-50 μg / mL
6-24 h
Les cellules pulmonaires humaines ELISA
Bleu Trypan
DCFH-DA
Stress oxydatif ↑
Adduct ADN -formation
Cytotoxicité ↑
[54]

HBMVEC, Cellules endothéliales vasculaires micro-cérébrales humaines; DHE, Dihydroethidium;BBB, barrière hémato-encéphalique; HMSC, cellules souches mésenchymateuses humaines; MLCL, lignée de cellules de lymphome de souris; LDH, lactate déshydrogénase; MWCNT, nanotubes de carbone à parois multiples; SWCNT: nanotubes de carbone à paroi simple; HACEC, lignée cellulaire épithéliale de carcinome alvéolaire humain; NHBEC, lignée cellulaire épithéliale bronchique humaine normale; AST: Aspartae transaminase; ALT, alanine transaminase; CHO, cellules d’ovaire de hamster chinois; HELA, cellules humaines de type épidermoïde-carcinome; HEK: Cellules rénales embryonnaires humaines; DCFH-DA, diacétate de dichlorodihydrofluorescéine; ROS, espèces réactives de l’oxygène; BRL 3A, cellules de foie de rat Buffalo. ↑ = augmente et ↓ = diminue.

De plus, il a été rapporté dans la littérature que le spectre d’absorption du MTT réduit dépend du pH [ 84 ] , et que les ions métalliques interfèrent avec la réaction de réduction du MTT [ 85 ] .Cependant, plus récemment, une technique de détection cellule-microélectronique en temps réel, avec une interférence minimale, a été utilisée pour évaluer les effets cytotoxiques induits par les NPs [ 86 ] . De plus, en raison des propriétés optiques inhérentes, les NP présents dans le mélange réactionnel ou sur les surfaces cellulaires peuvent interférer directement dans la lecture en augmentant l’absorption de la lumière comme cela est évident pour les NP de titanate de sodium [ 87 , 88 ] . Une quantité importante de LDH est libérée du cytosol après une nécrose cellulaire [ 89 ] . Le dosage de la LDH a été utilisé pour déterminer la cytotoxicité de nombreuses NP produites à partir de silice, d’oxyde de fer, d’oxyde de titane et d’oxyde de zinc [33 , 49 , 90-93 ] . Cependant, la communauté scientifique s’inquiète de la cohérence du dosage de la LDH. Tel que rapporté par Nachlas et al. [ 94 ] , l’activité de la LDH est significativement diminuée dans des conditions de faible pH alors qu’un pH élevé la déstabilise.

ELISA est utilisé pour détecter les biomarqueurs inflammatoires en culture cellulaire. Pour estimer l’inflammation cellulaire, les chimiokines IL-8, TNF-α et IL-6 sont utilisées comme biomarqueurs [ 88 , 90 ] . Cependant, il a été remarqué que les cytokines peuvent être adsorbées sur les surfaces des NPs et interférer avec les résultats des immunoessais enzymatiques observés dans le cas de l’IL-8 pour les nanomatériaux carbonés et de l’IL-6 pour les NP oxyde-métaux [ 83 , 95 ] . La stérilité des NPs doit être considérée, car la plupart des NP sont fabriqués dans un environnement non stérile contenant des bactéries ou des endotoxines, de sorte que le niveau de marqueurs inflammatoires peut être modifié en utilisant des NPs non stérilisés [ 96 ,97 ] .

En raison des caractéristiques physicochimiques uniques des NPs, des données toxicologiques incohérentes ont été générées même à partir de modèles in vitro bien établis. Les propriétés physico-chimiques des NP, la capacité d’adsorption élevée, l’altération du pH, les propriétés optiques, la charge de surface, la dissolution, le magnétisme et le comportement catalytique peuvent interférer avec les matériaux d’essai ou le système de détection [ 88 ] . Le risque d’utilisation de lignées cellulaires pour des études de toxicité a été documenté par Donaldson et al. [ 98 ] . Ces auteurs sont d’avis que dans des conditions in vitro , les cellules subissent une réaction toxique différente susceptible d’être observée in vivo . De plus, en laboratoire, des lignées cellulaires de carcinome ayant une physiopathologie différente des cellules normales sont habituellement utilisées pour tester la toxicité in vitro des NP, et les données toxicologiques dérivées de l’utilisation de ce type de lignées cellulaires pourraient être en conflit avec celles des cellules normales [ 99 ] .

De plus, les NP dérivées de certaines substances biocéramiques telles que l’hydroxyapatite sont largement utilisées en médecine depuis longtemps, notamment au contact de l’os. De même, il a été rapporté que l’hydroxyapatite possède une biocompatibilité élevée vis-à-vis des cellules osseuses. Une étude a suggéré qu’après injection intraveineuse, la nanohydroxyapatite n’entraîne aucune toxicité bioaccumulative chez le lapin [ 100 , 101 ] . Cependant, les données de toxicité complètes concernant la nanohydroxyapatite font toujours défaut.

Les IP sont utilisées dans divers secteurs et leur utilisation augmente. Basé sur de multiples utilisations dans de nombreux domaines, l’exposition humaine aux NP, intentionnellement et involontairement, est inévitable. Avant d’être considérés pour l’application humaine, tous les nanoproduits sont soumis à des études toxicologiques et à cet effet, plusieurs études expérimentales sont réalisées. Pour répondre à cette exigence réglementaire, certains effets toxiques des nanomatériaux ont été évalués, mais selon les rapports, les données toxicologiques dérivées à ce jour sont contradictoires et incohérentes. Les études toxicologiques fournissent une base pour la protection de l’homme et de l’environnement. Par conséquent, sur la base des modèles expérimentaux disponibles, il peut être difficile d’énumérer certains des NP les plus intéressants comme étant plus toxiques pour les systèmes biologiques et vice versa. Compte tenu des applications potentielles des NP dans de nombreux domaines et pour combler le manque de connaissances, les effets toxiques pertinents des NP devraient être évalués en utilisant des modèles toxicologiques in vivo sans biais, adoptés au niveau international, ciblant les systèmes vitaux. Cependant, nous estimons que la conception, l’adaptation et la validation de ces nouveaux modèles à l’avenir pour les essais de toxicité, les voies d’exposition, les matériaux de revêtement et la stérilité des NP et le type de cultures cellulaires doivent être soigneusement étudiés.

De plus, la FDA américaine en tant qu’organisme de santé publique a récemment pris en compte cette importante question des effets toxiques associés aux produits contenant des NP et ne les considère pas comme totalement sûrs ou nocifs pour l’homme, et chaque produit sera soumis à réglementation.

REMERCIEMENTS

Cet article invité est le résultat d’une étude interne financièrement non financée.

CONFLIT D’INTÉRÊT. Aucun déclaré.

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