Articoli Medicina del Lavoro - P&R Scientific
Volume 3, Numero 2
27.04.2013
Nanotubi di carbonio a parete singola funzionalizzati con catene PEG mostrano un basso grado di embriotossicità
 
 
Campagnolo L, Massimiani M, Aru C, Palmieri G, Carrino A, Mattei M, Cecchetti C,Bergamaschi A, Sifrani L, Camaioni A, Magrini A, Bottini M, Pietroiusti A

Autori   [Indice]

Campagnolo L1, Massimiani M1, Aru C1, Palmieri G2, Carrino A1, Mattei M2, Cecchetti C3,Bergamaschi A4, Sifrani L1, Camaioni A1, Magrini A1, Bottini M3, Pietroiusti A1

1Dipartimento di Biomedicina e Prevenzione, Università di “Tor Vergata”, Via Montpellier 1, 00133, Roma
2Stazione per la Tecnologia Animale, Università di “Tor Vergata”, Via Montpellier 1, 00133, Roma
3Sanford Burnham Medical Research Institute, La Jolla, CA 92037, USA
4Istituto di Medicina del Lavoro, Università Cattolica del Sacro Cuore, Largo F. Vito 1, 00168, Roma
 

Citation: Campagnolo L, Massimiani M, Aru C, et al. Low embryotoxicity of PEGylated single wall carbon nanotubes. Prevent Res 2013; 3 (2): 92-96. Available from:
http://www.preventionandresearch.com/ doi: 10.7362/2240-2594.109.2013


doi: 10.7362/2240-2594.109.2013


Parole chiave: nano tubi di carbonio, embrione, embriotossicità

Abstract   [Indice]

Le nanotecnologie rappresentano la grande rivoluzione del XXI secolo. Esse si occupano della preparazione di materiali, le nanoparticelle (NP), in cui almeno una delle dimensioni sia al di sotto dei 100 nm (ovvero inferiore a 10-9 metri). La drastica riduzione delle dimensioni conferisce alle nanoparticelle caratteristiche fisico-chimiche molto diverse da quelle del materiale parentale, e questo perché diminuendo le dimensioni, aumenta considerevolmente il rapporto superficie/ volume. Questo a sua volta determina che la maggior parte degli atomi si vengano a disporre sulla superficie della nanoparticella, conferendogli una elevata reattività sia chimica sia biologica. Nell’ambito delle nanoparticelle ingegnerizzate, i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono considerati uno dei materiali più promettenti per applicazioni in campo sia biomedico che industriale. Esistono, tuttavia, indicazioni che i SWCNT possano essere potenzialmente tossici in alcuni contesti biologici. Per esempio, noi abbiamo recentemente dimostrato che alcuni tipi di SWCNT, prodotti essenzialmente per applicazioni di tipo industriale, se somministrate a femmine di topo ad uno stadio iniziale di gravidanza sono in grado di indurre malformazioni fetali di diversa severità, fino all’aborto, nel caso di somministrazioni a concentrazioni elevate. Questa osservazione apre la questione sulla sicurezza della esposizione in ambiente lavorativo a questo tipo di nanoparticelle nel corso della gravidanza.
In questo lavoro riportiamo alcuni nostri risultati successivi che dimostrano come la aggiunta ai nanotubi di carbonio di gruppi funzionali costituiti da catene di polietileglicole (PEG –SWCNT) è in grado di ridurre sensibilmente il loro effetto embriotossico e di non determinare particolari effetti dannosi a livello strutturale sui tessuti materni. La funzionalizzazione con il polietilenglicole è, infatti, uno dei sistemi generalmente utilizzati per aumentare la biocompatibilità di molti tipi di nanoparticelle. Per questo studio sono stati seguiti due diversi protocolli sperimentali: in un primo caso, un gruppo di femmine (al giorno 5,5 di gravidanza) sono state esposte al materiale in esame una singola volta, mentre in una seconda serie di esperimenti femmine, allo stesso stadio di gestazione, hanno ricevuto somministrazioni multiple. Questo secondo protocollo è stato scelto allo scopo di mimare la possibile esposizione quotidiana che una donna in gravidanza potrebbe avere in ambiente occupazionale. Al termine degli esperimenti sono stati confrontati gli effetti riscontrati sia a livello dello sviluppo del feto sia della salute dei tessuti della madre.  I nostri risultati hanno mostrato che la funzionalizzazione è effettivamente in grado di ridurre l’effetto tossico sul feto, tuttavia abbiamo osservato la comparsa occasionale di embrioni con evidenti malformazioni strutturali. Queste osservazioni lasciano aperta la questione sulla sicurezza della esposizione in gravidanza ai nanotubi di carbonio, sia essa  di tipo accidentale, come può accadere in ambito lavorativo, sia essa intenzionale, come per esempio nel caso di applicazioni di tipo biomedico.

Introduzione   [Indice]

L’uso delle nanoparticelle per lo sviluppo di materiali leggeri e resistenti rappresenta una vera e propria rivoluzione industriale poiché a questi livelli dimensionali comportamenti e caratteristiche della materia cambiano drasticamente e le nanotecnologie rappresentano un modo radicalmente nuovo di produrre materiali, strutture e dispositivi con proprietà e funzionalità grandemente migliorate o del tutto nuove rispetto a quelle dei materiali composti dalle stesse molecole, ma di dimensioni superiori.
Uno sviluppo responsabile di nuovi materiali richiede un’attenta valutazione dei rischi per la salute e l'ambiente associati alla produzione, all’uso e allo smaltimento di questi materiali. Poiché la produzione e le applicazioni delle nanoparticelle sono in aumento, sta aumentando di conseguenza la loro introduzione nell’ambiente, ed è quindi importante determinare l’impatto e i potenziali effetti dannosi di questi nanomateriali sulla salute dell’uomo e sull’ambiente prima che diventino di uso comune.
Il carbonio è presente in natura in una molteplice varietà di forme allotropiche: grafite, diamante, fullereni, carbonio amorfo e molte altre. Ciò è dovuto alla proprietà del carbonio di formare diversi tipi di legami, ognuno caratterizzato da una particolare geometria. Attraverso l’ossidazione e l’esfoliazione, in laboratorio dalla grafite è possibile ottenere il grafene, un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio. L’avvolgimento di fogli di grafene su loro stessi permette di formare strutture tubulari di dimensioni nanometriche dette nanotubi: l’avvolgimento di un singolo strato grafenico permette di ottenere  nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs), mentre l’avvolgimento di più strati genera nanotubi a parete multipla, MWCNTs.
I nanotubi di carbonio (CNT) hanno una struttura cilindrica allungata con diametri dell’ordine dei nanometri e lunghezze dell’ordine dei micrometri e sono considerati uno dei nanomateriali più promettenti per applicazioni di diverso tipo, dal campo industriale a quello biomedico, grazie alle loro particolari caratteristiche fisico-chimiche. Per esempio, l’elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro (nell’ordine di 104) consente di considerarli come delle nanostrutture virtualmente monodimensionali; inoltre, i CNT sono tra i materiali più forti e rigidi in termini di resistenza alla trazione e di modulo elastico mai scoperti prima. Da un punto di vista elettrico, i CNT possono manifestare proprietà elettroniche isolanti, semiconduttive oppure conduttive in base alla loro struttura geometrica (1, 2) . Inoltre, in determinate condizioni, gli elettroni possono passare all’interno di un nanotubo senza scaldarlo, rendono i CNT molto interessanti per consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica; i nanotubi sono anche ottimi conduttori termici lungo la struttura cilindrica, ma buoni isolanti lateralmente all’asse del cilindro. In campo biomedico, CNT sono stati utilizzati come “drug carrier” per la loro elevata capacità di carico di biomolecole. Per esempio, recentemente SWCNT coniugati con il chemioterapico paclitaxel sono stati utilizzati in vivo per bloccare la crescita tumorale in un modello murino di tumore della mammella (3). 

Risultati   [Indice]

Per valutare se la coniugazione con catene di glicole polietilenico (PEG) fosse in grado di ridurre o abolire l’effetto embriotossico riportato per alcuni tipi di SWCNT (4), abbiamo decorato nanotubi di carbonio con catene PEG (5), e ne abbiamo studiato la capacità di indurre malformazioni fetali dopo somministrazione per via endovenosa a femmine di topo nei primissimi giorni di gravidanza. Per questo studio sono stati utilizzati diversi dosaggi del nano materiale, compresi tra 10 e 30 mg/ml e sono state utilizzate un numero di femmine uguale o superiore a 10 per ciascun gruppo. La presenza di alterazioni fetali e placentari sono state valutate poco prima del parto, quando il processo di organogenesi si è completato e il feto è nella fase di accrescimento.  Abbiamo misurato la lunghezza dei feti (lunghezza vertice-sacro, LVS) prelevati da ciascuna delle madri trattate e l’abbiamo confrontata con quella dei feti prelevati da madri di controllo che avevano ricevuto il solo veicolo (soluzione salina). La capacità di indurre iposviluppo fetale è stata riportata per alcuni nanomateriali, quali le nanoparticelle di Silicio e di Titanio (6). La somministrazioni di queste nanoparticelle, in una fase più tardiva della gestazione rispetto al quella prevista dal nostro protocollo, comporta un significativo aumento del numero di riassorbimenti e di ritardo nella crescita fetale non associato a variazioni del peso delle placente (6). Nelle nostre condizioni, dopo somministrazione dei PEG-CNT, il confronto dei valori medi di LVS non ha mostrato differenze statisticamente significative tra i feti di madri esposte (1,58 ± 0,12) e quelli di controllo (1,50 ± 0,15).  Mediante uso di un microscopio da dissezione, abbiamo poi valutato la presenza di malformazioni strutturali macroscopiche sia fetali che placentari. In un piccolo numero di femmine che avevano ricevuto le concentrazioni più alte di PEG-CNT abbiamo osservato la presenza di uno o più feti con evidenti anomali di sviluppo, associate ad alterazioni della citoarchitettura placentare.
Per valutare se la somministrazione di questo nanomateriale potesse influire sulla salute della madre e riflettersi quindi nell’osservata alterazione dello sviluppo fetale, abbiamo valutato alcuni parametri biochimici del sangue materno, tra i quali ALT, AST, BUN, CREA, LDH and CHO. Confrontando i valori ottenuti da madri di controllo con quelli delle madri trattate con la concentrazione più alta di PEG-CNT, nessuno dei parametri analizzati è risultato essere alterato in maniera statisticamente significativa. Questi risultati sono stati ulteriormente avvalorati dalla analisi istologica dei principali tessuti materni (fegato, milza, rene, polmone), che non ha rivelato la presenza di evidenti alterazioni strutturali.

Conclusioni   [Indice]

Discussione e Conclusioni

In conclusione, i risultati su riportati dimostrano che la somministrazione di nanotubi di carbonio a parete singola, funzionalizzati con catene PEG, durante le prime fasi di sviluppo embrionale appare sicura per la madre, ma può presentare rischi per lo sviluppo del feto, sebbene con un’incidenza bassa; sulla base di queste osservazioni, l’esposizione ai PEG-CNT in ambito occupazionale e ambientale, sia essa accidentale o volontaria, deve essere rigidamente monitorata. In aggiunta, i nostri risultati dimostrano la necessità di stabilire in tempi brevi misure che regolamentino l’esposizione lavorativa di donne in gravidanza.

Bibliografia   [Indice]

1.Mintmire JW, Dunlap BI, White CT. Are fullerene tubules metallic?. Phys Rev Lett 1992; 68 (5): 631–634.
2.Collins PG, Avouris P. Nanotubes for electronics. Sci Am 2000; 283(6): 62-69.
3.Liu Z, Chen K, Davis C, et al. Drug delivery with carbon nanotubes for in vivo cancer treatment. Cancer Res 2008; 68 (16): 6652-6660.
4.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.
5.Delogu LG, Stanford SM, Santelli E, et al. Carbon nanotube-based nanocarriers: the importance of keeping it clean. J Nanosci Nanotechnol 2010; 10 (8): 5293-5301.
6.Yamashita K, Yoshioka Y, Higashisaka K, et al. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Nat Nanotechnol 2011; 6 (5): 321-328.
 

Autore di riferimento   [Indice]

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

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