Toxic effects of titanium dioxide nanoparticles and multi-walled carbon nanotubes in vitro and in vivo

Abstract

Nanomaterials are of interest in various applications. Titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are one of the versatile nanomaterials used in nanotechnology products such as sunscreen, cosmetics, electronic devices, paint, and sports gear. Therefore, workers and consumers are potentially exposed to TiO2-NPs and MWCNTs. Since these particles have a small size at a nanoscale level they are capable of penetrating biological structures. An increase in the use of TiO2-NPs and MWCNTs is therefore raising concerns on possibly adverse effects on human health. Due to this reason, the main purpose of this thesis is to investigate the toxic effect of TiO2-NPs and MWCNTs in vitro and in vivo. The impact of TiO2-NPs on the induction of toxicity in immune (RAW 264.7) and brain cancer (C6 glioma) cells is investigated in this thesis. Cell viability, DNA fragmentation, apoptosis cell death, and inflammatory response molecules were measured after treating RAW 264.7 and C6 glioma cells with various concentrations of TiO2-NPs. The results in this thesis showed that TiO2-NPs at concentrations . 25 μg/ml could strongly induce toxicity in both cells. However, it was found that the RAW 264.7 cell is more sensitive to TiO2-NPs than C6 cells. Following in vitro investigation, in vivo toxicity of TiO2-NPs and MWCNTs in mice was examined. Intranasal exposure of mice with TiO2-NPs and MWCNTs for 6 and 24 h was performed. Inflammatory response molecules in bronchoalveolar lavage fluid were determined. The results showed that MWCNTs induced higher toxicity in treated mice than TiO2-NPs at the same concentration and exposure time. In addition, another useful information of TiO2-NP and MWCNT characterization is described in this thesis. The information on characterization of both nanoparticles could help explain how particles are associated with the induction of toxicity in vitro and in vivo. The overall results of this thesis provide useful information for using these nanomaterials effectively with health concerns.

วัสดุที่มีขนาดในระดับนาโน ถูกสนใจนำไปใช้สำหรับการประยุกต์ด้านต่าง ๆ เป็นอย่างมาก อนุภาคนาโนไทเทเนียม และท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น เป็นหนึ่งในวัสดุขนาดระดับนาโนที่ถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ที่มีการนำนาโนเทคโนโลยีเข้ามาใช้ เช่น ในครีมกันแดด เครื่องสำอาง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สี และอุปกรณ์กีฬา ด้วยเหตุนี้ คนงานที่ทำงานในโรงงานผลิต และผู้บริโภคมีโอกาสสูงที่จะได้รับสัมผัสกับวัสดุนาโนทั้งสองชนิดนี้ เนื่องจากวัสดุดังกล่าวมีขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรจึงทำให้วัสดุประเภทนี้สามารถแทรกซึมเข้าสู่โครงสร้างทางชีววิทยาได้ เนื่องจากมีการใช้อนุภาคนาโนไทเทเนียม และท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้นเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นการคำนึงผลกระทบของอนุภาคนาโนทั้งสองชนิดต่อสุขภาพ และสิ่งแวดล้อมได้รับความสนใจมากขึ้น วิทยานิพนธ์เล่มนี้ได้ทำการศึกษาความเป็นพิษของ อนุภาคนาโนไทเทเนียม และท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น โดยดำเนินการทดสอบความเป็นพิษของอนุภานาโนในเซลล์เพาะเลี้ยง และในสัตว์ทดลอง วิทยานิพนธ์เล่มนี้ ได้ทำการศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคนาโนไทเทเนียม ที่มีต่อเซลล์ในระบบ ภูมิคุ้มกันของร่างกาย (RAW 264.7) และเซลล์มะเร็งสมอง (C6) โดยทำการศึกษาถึงการมีชีวิตรอดของเซลล์ การเกิดการแตกหักของดีเอ็นเอ การตายของเซลล์แบบอะพอพโตซิส และการเกิดการอักเสบ ที่เกิดจากการสัมผัสกับอนุภาคนาโนไทเทเนียมที่ความเข้มข้นต่าง ๆ ผลจากการศึกษาพบว่า อนุภาคนาโนไทเทเนียมที่ความเข้มข้นมากกว่าหรือเท่ากับ 25 μg/ml สามารถชักนำให้เกิดความเป็นพิษแก่เซลล์ทั้งสองชนิด โดยที่เซลล์ RAW 264.7 มีความไวต่ออนุภาคนาโนไทเทเนียมมากกว่าเซลล์ C6 หลังจากการทดสอบในเซลล์ ได้ทำการศึกษาความเป็นพิษที่เกิดในสัตว์ทดลอง โดยทดสอบใน หนูที่ถูกหยอดอนุภาคนาโนไทเทเนียม และท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้นผ่านทางรูจมูกของหนู หลังจากที่หนูรับสัมผัสอนุภาคนาโนดังกล่าวเป็นเวลา 6 และ 24 ชั่วโมง ได้ทำการตรวจวัดสารที่เป็นดัชนีของการเกิดการอักเสบโดยวัดจากน้ำล้างหลอดลม และปอด ผลจากการทดลองพบว่า ท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น มีความเป็นพิษต่อหนู มากกว่าอนุภาคนาโนไทเทเนียม เมื่อทดสอบที่ความเข้มข้น และในระยะเวลาการสัมผัสที่เท่ากัน นอกจากนี้คุณสมบัติของอนุภาคนาโนทั้งสองชนิดได้ถูกอธิบายไว้ในวิทยานิพนธ์เล่มนี้ ผลการศึกษาที่ได้จากวิทยานิพนธ์ สามารถนำไปใช้เป็นข้อมูลประกอบการพิจารณา ในการนำอนุภาคนาโนไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีการคำนึงถึงผลกระทบของอนุภาคนาโนต่อสุขภาพ