Evaluación de la toxicidad de los óxidos metálicos TiO2, TiO2-Ag y TiO2-Fe+3, nanoestructurados IN VITRO e IN VIVO

Abstract

RESÚMEN La “Nano-tecnología” es la ciencia que se encarga de estudiar y aplicar materiales que poseen al menos una de sus tres dimensiones en el rango nano-métrico (1-100 nm). El TiO2 es uno de los principales compuestos utilizados debido a sus propiedades fisicoquímicas. La foto-catálisis del TiO2, ocurre dentro del rango de luz UV que, al doparlo con metales como plata o cationes como hierro disminuye su ancho de banda prohibida. Lo anterior conlleva a una foto-catálisis heterogénea bajo luz visible. Debido al aumento en las aplicaciones del TiO2-NPs y al dopaje de este, es de suma importancia realizar estudios toxicológicos evaluando la influencia de los iones que se pueden lixiviar en solución, en el carácter tóxico del nano-material. Varias investigaciones in vivo han demostrado que tras la administración de TiO2 a través de diferentes vías, éste puede ser acumulado en diferentes órganos mostrando una mayor concentración en hígado produciendo respuesta inflamatoria, aumento en la actividad enzimática, daño mitocondrial expresión de citocinas, aumento en la producción de especies reactivas de oxígeno y daño al ADN. Se evaluó la toxicidad de TiO2, TiO2-Ag y TiO2-Fe+3 a través de pruebas in vivo e in vitro. Los análisis por SEM, TEM, EDX, XRD mostraron NPs esféricas de ~10nm, radio hidrodinámico ~700 nm, baja estabilidad en SSF (sólo TiO2 Sigma-Aldrich, TiO2-Fe+3 3% y TiO2-Ag 0.5% fueron estables en SSF), carga positiva y disminución de la cristalinidad conforme se aumenta el dopaje de TiO2 con Ag. In vitro las NPs de TiO2 sintetizado por nuestro grupo de investigación presentaron menor actividad hemolítica que TiO2 comercial (eritrocitos lavados); TiO2 y TiO2-Fe+3 no causaron hemólisis en sangre completa al contrario que los NMs de TiO2-Ag los cuales causaron actividad hemolítica a bajas concentraciones presentando lixiviación de iones en solución. In vivo, los NMs produjeron daño temprano al hígado, cambios morfológicos asociados a respuesta de lesión reversible y activación de la respuesta inmune sistémica. Los resultados sugieren que la toxicidad de NPs de TiO2 y TiO2 dopadas está determinada por sus propiedades fisicoquímicas y la disolución de los iones Ag+ en solución. Así también una exposición crónica puede llevar al daño irreversible en hígado y a una baja regulación de la respuesta inflamatoria la cual juega un papel crucial en la defensa del organismo y su baja regulación puede aumentar el daño al hígado y otros órganos.

ABSTRACT Engineered nanomaterials (NMs) are defined as having one or more dimensions in the 1–100 nm range. TiO2 has been widely used in many applications because of its strong oxidizing capabilities, chemical stability, long durability, non-toxicity and low cost. The photocatalytic properties of TiO2 occurs upon the absorption of ultraviolet (UV) light, because of this, the doping of TiO2 with noble metals such as silver and cations such as iron, have showed to effectively decrease TiO2 band gap making the heterogeneous photocatalytic activity of TiO2 under visible light. Evaluation of the toxicity of TiO2 is a fundamental task relating to its extremely small size, high surface area and increased surface reactivity as compared to larger materials. In the same way, the doping with silver or iron would increase the risk of TiO2 due their properties as well the dissolution of ions. In vivo studies have been shown that TiO2 can be accumulated in the liver, kidney, spleen, lung, heart and brain showing a highest concentration in the liver generating various inflammatory responses, promote enzymatic activities, damage to mitochondria, the mRNA expression of cytokines during proinflammatory responses produce reactive oxygen species and, cause DNA cleavage in cells. The objective of this research was to assess in vitro e in vivo toxicity of TiO2 and TiO2 doped with silver (TiO2-Ag) and trivalent iron (TiO2-Fe+3) at different percentages (Ti/Mmol%). To elucidate the structure of NMs, microscopic and spectroscopic characterization techniques were applied. Results showed spherical particles with average particle size of about 10 nm (SEM), crystalline phase of anatase, which decreases as the doping of silver increases (XRS). The zeta potential exhibited an absolute positive charge and particle agglomeration. TiO2 Sigma-Aldrich, TiO2-Fe+3 3% and TiO2-Ag 0.5% showed stability in SSF. In vitro studies showed that commercial TiO2 induce higher hemolytic activity in red blood cells that the TiO2 synthesized by our research group. In contrast, using whole blood TiO2 caused no hemolytic activity as well TiO2-Fe+3. With respect to TiO2-Ag NMs no difference was observed in the hemolytic activity using red blood cells or whole blood. The atomic absorption spectroscopy analysis indicated no presence of Iron ions in solution, whereas Ag ions were found. In vivo acute and sub-acute toxicity of NMs were investigated through biochemical, immunological and histopathological analysis. The results from acute studies showed histopathological changes and hepatocytes necrosis of mice liver mainly in mice under treatment with TiO2-Ag. In contrast the results of the sub-acute analysis showed no difference with respect to the control until day 56 of treatment in the groups treated with TiO2 or TiO2-Fe+3. Our results showed that the toxicity of TiO2 depend of its physicochemical properties, the metal doping the titania, and the release of ions from the NMs. Our results also implied that the inflammatory responses induced by TiO2 and TiO2-Fe+3 may be involved in liver toxicity.