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Cells Tissues Organs (2022). doi:10.1159/000525342, Published by Karger, Basel ; Freiburg [u.a.]

Einleitung: Zinkoxid (ZnO) ist eines der am häufigsten für industrielle Produktionen und Konsumgüter eingesetzten Nanomaterialien. Zytotoxizität von ZnO-Nanopartikeln (NP) war bereits Gegenstand einiger Studien, jedoch sind die molekularen Schädigungsmechanismen nicht gänzlich geklärt. Über genotoxische Eigenschaften, die bereits bei sub-zytotoxischen Dosen auftreten können, ist im Allgemeinen weniger bekannt. Ziel dieser Studie war die Erstellung eines umfassenden Toxizitätsprofils von ZnO-NP durch Einsatz multipler Testsysteme. Methoden: Neben der Plattenepithelkarzinom-Zelllinie FaDu wurden humane mesenchymale Knochenmarkstammzellen (BMSC) für unterschiedliche Zeiträume und Konzentrationen mit ZnO-NP behandelt. Zytotoxizität, Apoptoseinduktion und Zellzyklusalteration wurden durch MTT-Test, PCR und Durchflusszytometrie analysiert. Mit dem fpg-modifizierten Comet Assay wurden der Einfluss von oxidativem Stress auf das Gesamtausmaß der DNA-Schädigung untersucht. Ergebnisse: ZnO-NP führten im MTT-Test ab 8 µg/ml zu einer Reduktion der Vitalität in FaDu-Zellen. Durchflusszytometrisch wurden eine dosis- und zeitabhängige Zunahme von Apoptose sowie Veränderungen des Zellzyklus nachgewiesen. Im Comet Assay konnte nach Inkubation mit 5 µg/ml ZnO-NP eine signifikante DNA-Fragmentierung in BMSC nachgewiesen werden. Bei allen getesteten Konzentrationen wurde oxidativer Stress als wichtiger Einflussfaktor der Schädigung nachgewiesen. Diskussion: Vorliegende Studie liefert Hinweise dafür, dass ZnO-NP toxisch sind. Gegenwärtig ist eine definitive Aussage über das schädigende Potenzial von NP nicht zu treffen, da der Vergleich verschiedener Studien kaum möglich ist. Gerade die Verwendung von ZnO-NP als Bestandteil von Kosmetikprodukten, die repetitiv in geringen Mengen von Verbrauchern appliziert werden, sollte jedoch kritisch betrachtet werden., Introduction: Zinc oxide (ZnO) is among the most commonly used nanomaterials for consumer products. Cytotoxicity of ZnO-nanoparticles (ZnO-NP) has already been addressed in several studies; however, there is still a lack of knowledge concerning the molecular mechanisms of toxicity. As to genotoxicity, which can already occur at sub-toxic doses, data is generally rare. It was therefore the aim of this study to establish a broad profile of toxicity for ZnO-NP by applying multiple test systems. Methods: Besides the head and neck squamous cell carcinoma-derived cell line FaDu, primary human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSC) were treated with ZnO-NP with variable doses and for different time periods. Cytotoxicity, induction of apoptosis and cell cycle alteration were assessed by MTT-Test, PCR and flow cytometry. Fpg-modified Comet Assay was used to determine the influence of oxidative stress with regard to the total DNA-damage. Results: 8 µg/ml ZnO-NP reduced cell viability in FaDu cells in the MTT-Test. Dose- and time-dependent increase of apoptosis and alterations of the cell cycle were verified by flow cytometry. After incubation with 5 µg/ml ZnO-NP a significant DNA-fragmentation was measured in BMSC with the Comet Assay. In all tested concentrations oxidative stress could be identified as an important factor of cell damage. Discussion: This study provides evidence that ZnO-NP are toxic. At the current point a definite statement concerning the damaging potential of ZnO-NP is not to be made because the comparison between different studies is not possible. Yet especially the repetitive low-dose application of ZnO-NP as component of cosmetic products should be investigated toxicologically.

Radioresistance is an important cause of head and neck cancer therapy failure. Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NP) mediate tumor-selective toxic effects. The aim of this study was to evaluate the potential for radiosensitization of ZnO-NP. The dose-dependent cytotoxicity of ZnO-NP20 nm and ZnO-NP100 nm was investigated in FaDu and primary fibroblasts (FB) by an MTT assay. The clonogenic survival assay was used to evaluate the effects of ZnO-NP alone and in combination with irradiation on FB and FaDu. A formamidopyrimidine-DNA glycosylase (FPG)-modified single-cell microgel electrophoresis (comet) assay was applied to detect oxidative DNA damage in FB as a function of ZnO-NP and irradiation exposure. A significantly increased cytotoxicity after FaDu exposure to ZnO-NP20 nm or ZnO-NP100 nm was observed in a concentration of 10 &micro, g/mL or 1 &micro, g/mL respectively in 30 &micro, g/mL of ZnO-NP20 nm or 20 &micro, g/mL of ZnO-NP100 nm in FB. The addition of 1, 5, or 10 &micro, g/mL ZnO-NP20 nm or ZnO-NP100 nm significantly reduced the clonogenic survival of FaDu after irradiation. The sub-cytotoxic dosage of ZnO-NP100 nm increased the oxidative DNA damage compared to the irradiated control. This effect was not significant for ZnO-NP20 nm. ZnO-NP showed radiosensitizing properties in the sub-cytotoxic dosage. At least for the ZnO-NP100 nm, an increased level of oxidative stress is a possible mechanism of the radiosensitizing effect.

Einleitung: Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NP) finden Anwendung in Konsumprodukten und industriellen Prozessen. Teils werden in der Literatur zytotoxische Effekte von ZnO-NP beschrieben, die molekularen Mechanismen dieser Schädigung sind hierbei weitgehend unbekannt. Ziel der vorliegenden Studie ist die Charakterisierung möglicher Apoptosemechanismen durch ZnO-NP in humanen Zellen. Methoden: Die Plattenepithelkarzinom-Zelllinie FaDu wurde für Zeiträume zwischen einer und 24 Stunden mit ZnO-NP in Konzentrationen von 1–20 μg/ml inkubiert. Die Zellvitalität wurde mit dem MTT-Assay gemessen, die Apoptose mit der Annexin-V Propidiumiodid Durchflusszytometrie dargestellt. Die Aktivierung von Caspasen wurde mit der PCR gemessen, zur Untersuchung oxidativer DNA-Schäden diente der fpg-modifizierte Comet Assay Ergebnisse: Im MTT Test zeigte sich eine dosisabhängige Abnahme der Zellvitalität ab einer ZnO-NP Konzentration von 5 µg/ml nach 24-stündiger Exposition. Die Durchflusszytometrie ergab nach 12 stündiger Exposition eine Zunahme apoptotischer Zellen ab 8 μg/ml. Die zeitabhängige Untersuchung zeigte erste Apoptosen frühestens 12 Stunden mit steigender Tendenz nach 24 Stunden. Eine Aktivierung von Caspase 3 und 9 erfolgte bereits in den ersten Stunden. Im Comet Assay konnte nachgewiesen werden, dass DNA Schäden durch oxidativen Stress getriggert werden. Diskussion: Eine exakte chronologische Charakterisierung der ZnO-NP-assoziierten Zytotoxizität ist notwendig, um die teils widersprüchlichen Daten in der Literatur zum entsprechenden Risikoprofil zu klären. Die nachgewiesene Rolle von oxidativem Stress, der erst durch die Bildung von Sauerstoffradikalen DNA Schäden hervorruft, kann ein Erklärungsmodell für die zeitliche Verzögerung toxischer Effekte nach Expositionsbeginn sein. Der Erstautor gibt keinen Interessenkonflikt an., GMS Current Posters in Otorhinolaryngology - Head and Neck Surgery; 12:Doc081