Toxicity of nanostructures

Abstract

Due to their unique size (dimensions of 1 to 100 nm) and physicochemical properties, nanomaterials have found numerous applications in electronics, cosmetics, household appliances, energy storage, food industry, pharmacy and medicine. However, increased production of nanomaterials raises concern about their safety, not only for human beings but also for animals and the environment. Numerous studies confirmed that nanoparticles (NPs) can exert toxicity both, in vitro and in vivo, depending on their size, shape, surface area, surface chemistry, concentration, dispersion, aggregation, route of administration and many other factors, all of which are also relevant to desired biological properties of nanostructures. This review summarizes the main aspects of nanotoxicity in vitro and in vivo, points out relevant tests in order to demonstrate the toxicity and explains the significance of reactive oxygen species, as the main triggering factor of NP cytotoxicity and genotoxicity, acting through the complex interplay between NPs and cellular or genomic components, respectively. Special attention was devoted to the immunotoxic and immunomodulatory properties of NPs and their relevance for production of less immunogenic nanostructures capable of avoiding undesirable immune responses and the use of NPs as specific nanotherapeutics for drug delivery and vaccination strategy. Finally, ecotoxicological aspects of NPs are presented, showing why aquatic ecosystems are the most susceptible to environmental contamination and why studies on aquatic organisms are important for translational nanotoxicology.

Због своје јединствене величине (димензије од 1 до 100 нм) и физичко-хемијских својстава, наноматеријали су нашли бројне примене у електроници, козметици, кућним апаратима, складиштењу енергије, прехрамбеној индустрији, фармацији и медицини. Међутим, повећана производња наноматеријала изазива забринутост у погледу њихове сигурности, не само за људска бића, већ и за животиње и животну средину. Бројна истраживања су потврдила да наночестице (НЧ) могу да испољавају токсичност, in vitro и in vivo, која зависи од њихове величине, облика, површине, хемијског састава површине, концентрације, степена дисперзије и агрегације, начина примене и многих других фактора. Сваки од њих је релевантан за очекивано биолошко својство одређене наноструктуре. Овај прегледни чланак приказује сажето главне аспекте нанотоксичности in vitro и in vivo и истиче битне тестове којима се доказује токсичност НЧ. Посебно се наглашава значај реактивних врста кисеоника, као главног покретачког фактора цитотоксичности и генотоксичности НЧ, које делују у сложеној међусобној интеракцији НЧ са ћелијским, односно геномским компонентама. Посебан аспект се односи на имунотоксична и имуномодулацијска својства НЧ, што је од велике важности за производњу мање имуногених наноструктура. На тај начин се може избећи нежељени имунски одговор и омогућити примена НЧ као специфичних нанотерапеутика за доставу лекова и развој нових стратегија вакцинације. На крају су приказани екотоксиколошки аспекти НЧ, указано је зашто су водени екосистеми најосетљивији када се разматра контаминација животне средине наночестицама и зашто су истраживања на воденим организмима важнa за област транслацијске нанотоксикологије.