Articoli Medicina del Lavoro - P&R Scientific
Volume 3, Numero 3
15.07.2013
Effetto della esposizione materna alle nanoparticelle di silicio
 
 
Pietroiusti A, Massimiani M, Aru C, Malvindi MA, Bergamaschi A, Sifrani L, Camaioni A, Sabella S, Magrini A, Pompa PP, Campagnolo L

Autori   [Indice]

Pietroiusti A 1, Massimiani M1, Aru C1, Malvindi MA2, Bergamaschi A3, Sifrani L1, Camaioni A1, Sabella S2, Magrini A1, Pompa PP2, Campagnolo L1

1Dipartimento di Biomedicina e Prevenzione, Università di “Tor Vergata”, Via Montpellier 1, 00133, Roma
2Istituto Italiano di Tecnologia, Arnesano, Lecce
3Istituto di Medicina del Lavoro, Università Cattolica del Sacro Cuore, Largo F. Vito 1, 00168 Roma


Citation: Pietroiusti A, Massimiani M, Aru C, et al. Effect of maternal exposure to silica nanoparticles. Prevent Res 2013; 3 (3): 173-177. Available from: http://www.preventionandresearch.com/. doi: 10.7362/2240-2594.122.2013


doi: 10.7362/2240-2594.122.2013


Parole chiave: nanoparticelle di Silicio, esposizione materna, tossicità embrionale

Abstract   [Indice]

L’importanza delle nanotecnologie è ampiamente riconosciuta sia in ambito biomedico sia industriale, di conseguenza la ricerca di nuovi nano materiali con particolari caratteristiche chimiche e fisiche è in rapida crescita, determinando quindi un conseguente aumento del rischio espositivo da parte della popolazione. Le nanoparticelle ingegnerizzate, definite come particelle che possono avere diversa forma, ma almeno una dimensione inferiore ai 100 nm, sono i costituenti di molti prodotti di uso quotidiano, tra cui per esempio le creme solari, i cosmetici e alcuni imballaggi alimentari. Questo implica che un numero crescente di persone possa venire in contatto con queste nanoparticelle sia in ambito occupazionale, sia nell’ambiente. Diviene quindi obbligatorio valutare quali potenziali effetti le nanoparticelle potrebbero avere sui sistemi biologici. Sebbene molte nanoparticelle possano non rappresentare un problema per la popolazione in generale, potrebbero invece essere un problema per sottogruppi di individui suscettibili.  In questo ambito, noi abbiamo voluto studiare l’effetto che l’esposizione materna a nano particelle di silicio (SiO2 NP) potrebbe avere sulla salute di soggetti in gravidanza, con particolare attenzione ai possibili effetti dannosi sullo sviluppo della placenta e del feto. A questo scopo abbiamo prodotto nanoparticelle di silicio di tre diverse dimensioni, piccole, medie e grandi.
Ciascuna nanoparticelle è stata a sua volta modificata in due diversi modi, attraverso l’introduzione di gruppi funzionali NH2 o COOH, allo scopo di conferire loro una carica di superficie rispettivamente positiva o negativa.  Queste NP sono state somministrate a femmine di topo gravide per via endovenosa, attraverso l’iniezione nel plesso venoso retro-bulbare dell’occhio. I tempi di somministrazione sono stati due. Un gruppo di femmine ha ricevuto il materiale dopo 5,5 giorni dal concepimento, quando ancora la barriera placentare è in via di formazione, mentre un secondo gruppo lo ha ricevuto dopo 12,5 giorni, quando ormai la placenta ha raggiunto lo sviluppo definitivo. Questo diverso tempo di somministrazione ci ha permesso di valutare le possibili differenze di suscettibilità del feto alle SiO2 NP, in funzione dello stato di sviluppo placentare.  I risultati dei nostri esperimenti hanno dimostrato che le SiO2 NP più piccole hanno una elevata biocompatibilità e non interferiscono né con lo sviluppo dell’embrione, né tanto meno con lo sviluppo placentare. Al contrario, le NP di medie e grandi dimensioni hanno dimostrato la capacità di interferire con lo sviluppo del feto, portando alla insorgenza di lievi alterazioni strutturali e alla comparsa di un elevato numero di gemelli omozigoti, un fenomeno estremamente raro nei roditori, e generalmente secondario ad un lieve stimolo teratogeno. Questo effetto si è manifestato solo dopo somministrazione di alte dosi di nano particelle, mostrando anche una minore o maggiore incidenza in dipendenza dalla carica di superficie. Questi risultati suggeriscono che l’esposizione alle SiO2 NP di medie e grandi dimensioni durante la gravidanza deve essere evitata.

Introduzione   [Indice]

Le nanoparticelle di silicio sono nanoparticelle formate da aggregati atomici o molecolari di forma sferica con diametro compreso tra 5 e 100nm. In base alle caratteristiche fisico-chimiche queste nanoparticelle vengono usate nei più disparati campi applicativi da quello industriale a quello biomedico. In campo industriale le nanoparticelle di silicio sono ampiamente usate in molti prodotti, quali i toner per le stampanti, i cosmetici e gli imballaggi. Per quanto riguarda le loro applicazioni in campo biologico, queste nanoparticelle si sono rivelate un prezioso mezzo per il “drug” e DNA delivery”, “l’imaging”, l’immobilizzazione di enzimi, lo sviluppo di sistemi di filtraggio (1, 2, 3, 4, 5). Come conseguenza dell’elevato numero di possibili applicazioni, è ipotizzabile che in un prossimo futuro la quantità di nanoparticelle di silicio che verranno immesse nell’ambiente crescerà notevolmente, con un aumento considerevole della possibilità di esposizione umana. E’ quindi di grande importanza valutare che questo nanomateriale non rappresenti un rischio per la salute pubblica e per l’ambiente (6). Fino ad oggi sono stati condotti un ridotto numero di studi volti a studiare la biocompatibilità delle nanoparticelle di silicio, ma spesso sono stati utilizzati solo modelli in vitro, che pur dando un’indicazione degli effetti, forniscono risultati spesso difficili da estrapolare e riportare alla salute umana. Questi studi, tuttavia, hanno dato indicazione che alcune caratteristiche fisico-chimiche, tra cui le dimensioni, la forma e la presenza di gruppi funzionali che mediano l’interazione con proteine e altre molecole biologiche (7, 8, 9), possano avere influenza sulla tossicità delle nanoparticelle di silicio.
Recentemente, è stato dimostrato che nanoparticelle di silicio, con particolari dimensioni e prive di gruppi funzionali, quando somministrate per via endovenosa a femmine di topo gravide pochi giorni prima del parto, determinano riassorbimenti e iposviluppo fetale (10). Questi effetti erano associati ad un’alterazione della struttura placentare, con danno cellulare e induzione di apoptosi. Sebbene gli effetti riportati sono stati osservati solo dopo somministrazione di una dose particolarmente alta del nanomateriale (800 microgrammi per topo), questi risultati suggeriscono che la possibilità che le nanoparticelle di silico siano embriotossiche deve essere ulteriormente studiata. 

Risultati   [Indice]

A questo proposito, noi abbiamo condotto esperimenti in cui femmine di topo a 5 giorni di gravidanza sono state esposte per via endovenosa a nanoparticelle di silicio di tre diverse dimensioni (piccole, medie e grandi) e due diverse funzionalizzazioni (NH2 e COOH). Per ciascun tipo di nanoparticella, abbiamo utilizzato dosi crescenti in un intervallo compreso tra 0,1 e 30 mg/topo. Questo intervallo di dosaggio è stato scelto sulla base di nostri studi precedentemente pubblicati (11) in cui abbiamo utilizzato un protocollo sperimentale simile per studiare l’effetto embriotossico dei nanotubi di carbonio. Alla dose più alta di 30 mg/topo, i nanotubi di carbonio erano in grado di indurre un’alta frequenza di aborti e malformazioni fetali e placentari. La presenza di malformazioni fetali era ancora osservata alla concentrazione più bassa di 0,1 mg/topo, sebbene con una frequenza minore. In condizioni sperimentali simili, le nanoparticelle di silicio hanno mostrato una maggiore biocompatibilità rispetto ai nanotubi di carbonio; infatti, solo alla concentrazione di 30 mg/topo e solo quelle di dimensioni maggiori hanno determinato la comparsa di un esiguo numero di feti con malformazioni strutturali, associate ad alterazioni placentari. Alle concentrazioni più basse, invece, nessuna delle nanoparticelle di silicio ha determinato la comparsa di anomalie strutturali, né a carico del feto, né della placenta. Mentre le dimensioni hanno mostrato essere importanti nell’induzione dell’effetto dannoso, la presenza di gruppi funzionali NH2 o COOH non ha rivelato giocare un ruolo chiave, poiché non sono state osservate differenze significative tra i feti esposti a nanoparticelle di silicio di stesse dimensioni ma con funzionalizzazione diversa. 

Conclusioni   [Indice]

Sulla base dei risultati su riportati, possiamo dire che le nanoparticelle di silicio mostrano un basso potenziale embriotossico, e appaiono essere ben tollerate durante la gravidanza, sebbene appare chiaro che le loro dimensioni e la concentrazione giochino un ruolo chiave. 

Bibliografia   [Indice]

1.Vallet-Regi M, Ramila A, del Real RP, Perez-Pariente J. A new property of MCM-41: drug delivery system. Chem Mater 2001; 13: 308–311.
2.Lai CY, Trewyn BG, Jeftinija DM, et al. A mesoporous silica nanosphere-based carrier system with chemically removable CdS nanoparticle caps for stimuli-responsive controlled release of neurotransmitters and drug molecules. J Am Chem Soc 2003; 125 (15): 4451-4459.
3.Mal K, Fujiwara M, Tanaka Y. Photocontrolled reversible release of guest molecules from coumarin-modified mesoporous silica. Nature 2003; 421 (6921): 350–353.
4.Trewyn BG, Whitman CM, Lin VSY. Morphological control of room-temperature ionic liquid templated mesoporous silica nanoparticles for controlled release of antibacterial agents. Nano Lett 2004; 4 (11): 2139–2143.
5.Nguyen TD, Tseng HR, Celestre PC, et al. A reversible molecular valve. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 2005; 102 (29): 10029–10034.
6.Oberdorster G, Stone V, Donaldson K. Toxicology of nanoparticles: a historical perspective. Nanotoxicology 2007; 1 (1): 2-25.
7.Fenoglio I, Martra G, Coluccia S, Fubini B. Possible role of ascorbic acid in the oxidative damage induced by inhaled crystalline silica particles. Chem Res Toxicol 2000; 13 (10): 971-975.
8.Vallhov H, Gabrielsson S, Strømme M, et al. Mesoporous silica particles induce size dependent effects on human dendritic cells. Nano Lett 2007; 7: 3576–3582.
9.Waters KM, Masiello LM, Zangar RC, et al.  Macrophage responses to silica nanoparticles are highly conserved across particle sizes.  Toxicol Sci 2009; 107 (2): 553-559.       
10.Yamashita K, Yoshioka Y, Higashisaka KYoshikawa T, et al. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Na.t Nanotechnol 2011; 6 (5): 321-328.
11.Pietroiusti A, Massimiani M, Fenoglio I, et al. Low doses of pristine and oxidized single-wall carbon nanotubes affect mammalian embryonic development. ACS Nano 2011;5 (6): 4624-4633.

Autore di riferimento   [Indice]

Antonio Pietroiusti
Dipartimento di Biomedicina e Prevenzione, Università di “Tor Vergata”, Via Montpellier 1, 00133, Roma
e-mail: info@preventionandresearch.com

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