Advanced

Effects of gold- and silver nanoparticles on the retina

Bauer, Patrik Maximilian LU (2017)
Abstract (Swedish)
Att silver har en bakteriedödande effekt har varit känt sedan många århundraden. Historien om silver sträcker sig ända tillbaka till 4000 år före Kristus då de antika Kaldeérna använde silver och det var på den tiden en av mest använda metallerna tillsammans med guld och koppar. Persiska kungar föredrog att dricka vatten endast från bägare gjorda av silver för att vattnet kunde bevaras friskt och rent i flera år. Silver var viktigt för samhället, speciellt i krig och konflikter då friskt vatten inte fanns tillgängligt. Man använde även silver i flera medicinska tillstånd, mest på måfå och långt innan man hade en aning om att det faktiskt var mikrober som orsakade infektioner.
När sedan antibiotikan uppfanns och började användas omkring... (More)
Att silver har en bakteriedödande effekt har varit känt sedan många århundraden. Historien om silver sträcker sig ända tillbaka till 4000 år före Kristus då de antika Kaldeérna använde silver och det var på den tiden en av mest använda metallerna tillsammans med guld och koppar. Persiska kungar föredrog att dricka vatten endast från bägare gjorda av silver för att vattnet kunde bevaras friskt och rent i flera år. Silver var viktigt för samhället, speciellt i krig och konflikter då friskt vatten inte fanns tillgängligt. Man använde även silver i flera medicinska tillstånd, mest på måfå och långt innan man hade en aning om att det faktiskt var mikrober som orsakade infektioner.
När sedan antibiotikan uppfanns och började användas omkring andra världskriget så minskades användningen av silver som ett bakteriedödande ämne. Men, snabbt efter upptäckten av antibiotikan så började man hitta resistensta bakteriestammar som t.ex. CA-MRSA och HA-MRSA. Idag är det välkänt att resistensen hos bakterierna ökar i en okontrollerad takt och det finns en mängd kända resistenta stammar. Detta gjorde emellertid att silver fick uppmärksamheten tillbaka i den vetenskapliga världen.
Med nya vetenskapliga framgångar och upptäckten av elektronmikroskop så öppnade sig en ny värld, ”nanovärlden”. Den lite smått obegripliga definitionen ”en miljarddels meter” är ofta svår att greppa, men man kan föreställa sig att en nanopartikel är stor som en fotboll och jämföra den med jordklotet där själva jordklotet är fotbollen! Nanoteknologin öppnar upp många nya möjligheter inom medicin och läkemedel. Först och främst så kan nanopartiklar ta sig igenom alla barriärer och röra sig obehindrat inne i kroppen. De har också en mycket större yta per volym i förhållande till större partiklar vilket leder till hög biotillgänglighet med hög precision, det vill säga förmågan att leverera läkemedel där det behövs som mest. Detta är ett vanligt problem inom cellgiftsbehandling där den låga precisionen ofta leder till negativa och oönskade bieffekter. Ett bra exempel på detta är cancerläkemedel som binder in till tumörer. Dessa läkemedel är vanligtvis extremt giftiga och då är det extra viktigt med hög precision. Nanopartiklar har potentiellt större precision men även mindre interaktion med själva läkemedlet i sig vilket leder till mindre kontakt med andra läkemedel som tas simultant.

The eye is a part of the sensitive central nervous system. The retina, which is located in the back of the eye, is a complex organized structure and contains sensory neurons that are highly responsible for our visual sight. These neurons are very vulnerable for damage and any disturbance can cause visual loss. The ocular research is spending enormous resources to investigate the use of nanomaterials for therapeutic applications, including nanoparticles.
Ögat är en del av det känsliga centrala nervsystemet. Näthinnan, som finns längst bak i ögat är en komplext organiserad struktur och som innehåller sensoriska nerver som är väldigt viktiga för vår synförmåga. Dessa nerver är mycket känsliga för skada eller annan yttre påverkan och detta kan leda till förlorad syn. Den okulära forskningen spenderar enorma resurser för att ta reda på huruvida nano material kan tillämpas inom ögon terapi och detta inkluderar även nanopartiklar.
I denna studie fokuserar vi på två av de vanligaste metalliska nanopartiklarna som används inom medicinsk forskning, silver och guld. Silver, som också är det vanligaste materialet i kommersiella produkter är även relativt enkelt att tillverka samt har en välkänd antibakteriell förmåga. Guld, har en förmåga att hettas upp av energin från infrarött ljus, vilket kan används inom diagnostik eller som terapi t.ex. kemoterapi när guldnanopartiklar används för att nå tumören och sedan hettas upp för att förstöra tumörcellerna vilket är mycket enklare än dagens kirurgi. Fördelarna med den nya nanoteknologin är många, men det innebär även att man måste titta på eventuella bieffekter för att kunna tillverka säkra läkemedel inom medicinsk forskning.
Ögat och dess näthinna är en väldigt känslig del av kroppen…
Vi karakteriserar och undersöker vad som händer med nanopartiklarna när de exponeras för en biologisk omgivning (Artikel 1). Runt partiklarna bildas det ett lager med protein, så kallad protein corona, från den biologiska omgivningen. Vi fann även att nanopartiklarna kan transporteras genom näthinnevävnaden och kan hittas i alla olika delar i cellerna. I en annan studie så undersöker vi hur immunförsvaret reagerar på en artificiell infektion med fokus på mikroglia cellerna som är de vanligaste immuncellerna i centrala nervsystemet (artikel 2). Immuncellerna visar en tydlig reaktion genom ett ”inflammationssvar” i form av att både föröka sig och bli mer aktiva. Till sist så tillsätter vi nanopartiklar till samma system och undersöker hur immunsystemet reagerar på dessa (artikel 3). Här ser vi en lite starkare reaktion från immunförsvaret och speciellt då vi tillsätter silverjoner som till och med förstör vävnaden i näthinnan. Vi fann även att exponering av silver och guldpartiklar leder till nervcellsdöd i näthinnan.
Sammantaget visar resultaten i denna avhandling att silver- och guldnanopartiklar är väldigt skadliga för näthinnan och detta bevisas genom den ökade aktiviteten i immunförsvaret samt att nervceller dör. Med dessa resultat som grund kan man uppmana till försiktighet, och grundliga undersökningar innan man börjar använda nanopartiklar i produkter som ska appliceras på eller i ögat.
(Less)
Abstract
Over the past decade, a massive increase in the use of nanomaterials and nanoparticles (NPs) in both commercial and medical applications has occurred. Medical applications include advanced drug delivery vehicles, imaging and hyper thermic therapies. In retinal research, several nanomaterials have been explored in novel treatment approaches, ranging from metals, carbon, polymers and silica to biological materials such as lipids or lactic acid. NPs, especially, gain much attention as novel drug delivery vehicles due to their ability to cross the barriers of the eye including the cornea, conjunctiva and the blood-retinal barrier (BRB). This thesis focus on the two most commonly used nanomaterials; gold- and silver nanoparticles (AuNPs and... (More)
Over the past decade, a massive increase in the use of nanomaterials and nanoparticles (NPs) in both commercial and medical applications has occurred. Medical applications include advanced drug delivery vehicles, imaging and hyper thermic therapies. In retinal research, several nanomaterials have been explored in novel treatment approaches, ranging from metals, carbon, polymers and silica to biological materials such as lipids or lactic acid. NPs, especially, gain much attention as novel drug delivery vehicles due to their ability to cross the barriers of the eye including the cornea, conjunctiva and the blood-retinal barrier (BRB). This thesis focus on the two most commonly used nanomaterials; gold- and silver nanoparticles (AuNPs and AgNPs, respectively), both commonly used as the active component or as a carrier for a functional agent. AuNPs have desirable properties such as high chemical stability, well-controlled size and are easy to modify with various surface functionalization. AgNPs due to their antibacterial effects are often applied in wound disinfection, coatings of medical devices and prosthesis but also in many commercial products such as textiles, cosmetics and household gods. However, the literature is yet limited on the effect of AuNPs and AgNPs on the mammalian retina. Therefore, here we investigated the effect of AuNPs and AgNPs on the rodent retina using an ex vivo retina model. The retina is a well-organized laminar neural structure located at the back of the eye bulb. Sensory neurons, i.e. the photoreceptors, located in the outer nuclear layer of the retina, convert light to an electric signal that is transmitted through the bipolar cells and further to the retinal ganglion cells, which axons form the optic nerve that send the information from the retina to the brain for visual processing. All the neurons participating in this process are highly vulnerable to mechanical damage, changed levels of oxygen and nutrients as well as exposure to foreign factors. The immune cells of the central nervous system, also known as microglia cells, are located inside the retina and have the responsibility to sense pathological changes in their microenvironment. Any disturbances in the normal homeostasis will activate these cells which include increased proliferation, migration, phagocytosis and release of bioactive molecules.Here we characterized 20 nm and 80 nm of Ag- and AuNPs nanoparticles and show that the particles gain a defined protein corona upon entering a biological environment, here the explanted retina model system (Paper 1). With electron transmission microscope we further demonstrated that all NP types are able to translocate into all retinal neuronal layers unhindered. Moreover, we showed that the explanted retina model is a reliable and useful model for testing early prediction of NP-toxicity in the retina and report that low concentrations of 20 nm and 80 nm of Ag- and Au NPs have significant adverse effects on the retina (Paper 3). These effects were compared to the neurotoxicological effects induced by lipopolysaccharide administration, which is the most common way to mimic a bacterial infection (Paper 2). A range of typical pathological hallmarks were included in the analysis; micro- and macro morphological changes, macroglial activation, changes in microglia behavior, apoptosis and oxidative stress (Papers 2 & 3).Taken together, our results show that exposure to low doses of Au-and AgNPs causes neurotoxicity, similar to a LPS-induced pathological response in the retina. Our results, thus, suggest a careful assessment of candidate nanoparticles of any material to be used in neural systems, for therapeutic or other purposes. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Associate Professor Karlsson, Hanna, Institute of Environmental Medicine (IMM), Biochemical toxicology, Karolinska Institutet, Stockholm
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Microglia, Retina, In vitro, Nanoparticles
pages
58 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Biology
defense location
Lecture Hall A, Biology building A, Sölvegatan 35, Lund
defense date
2017-12-20 09:00
ISBN
978-91-7753-475-4
978-91-7753-476-1
language
English
LU publication?
yes
id
68c2981d-3850-420d-9aea-1d6151751322
date added to LUP
2017-11-28 16:06:35
date last changed
2017-12-15 09:53:32
@phdthesis{68c2981d-3850-420d-9aea-1d6151751322,
  abstract     = {Over the past decade, a massive increase in the use of nanomaterials and nanoparticles (NPs) in both commercial and medical applications has occurred. Medical applications include advanced drug delivery vehicles, imaging and hyper thermic therapies. In retinal research, several nanomaterials have been explored in novel treatment approaches, ranging from metals, carbon, polymers and silica to biological materials such as lipids or lactic acid. NPs, especially, gain much attention as novel drug delivery vehicles due to their ability to cross the barriers of the eye including the cornea, conjunctiva and the blood-retinal barrier (BRB). This thesis focus on the two most commonly used nanomaterials; gold- and silver nanoparticles (AuNPs and AgNPs, respectively), both commonly used as the active component or as a carrier for a functional agent. AuNPs have desirable properties such as high chemical stability, well-controlled size and are easy to modify with various surface functionalization. AgNPs due to their antibacterial effects are often applied in wound disinfection, coatings of medical devices and prosthesis but also in many commercial products such as textiles, cosmetics and household gods. However, the literature is yet limited on the effect of AuNPs and AgNPs on the mammalian retina. Therefore, here we investigated the effect of AuNPs and AgNPs on the rodent retina using an ex vivo retina model. The retina is a well-organized laminar neural structure located at the back of the eye bulb. Sensory neurons, i.e. the photoreceptors, located in the outer nuclear layer of the retina, convert light to an electric signal that is transmitted through the bipolar cells and further to the retinal ganglion cells, which axons form the optic nerve that send the information from the retina to the brain for visual processing. All the neurons participating in this process are highly vulnerable to mechanical damage, changed levels of oxygen and nutrients as well as exposure to foreign factors. The immune cells of the central nervous system, also known as microglia cells, are located inside the retina and have the responsibility to sense pathological changes in their microenvironment. Any disturbances in the normal homeostasis will activate these cells which include increased proliferation, migration, phagocytosis and release of bioactive molecules.Here we characterized 20 nm and 80 nm of Ag- and AuNPs nanoparticles and show that the particles gain a defined protein corona upon entering a biological environment, here the explanted retina model system (Paper 1). With electron transmission microscope we further demonstrated that all NP types are able to translocate into all retinal neuronal layers unhindered. Moreover, we showed that the explanted retina model is a reliable and useful model for testing early prediction of NP-toxicity in the retina and report that low concentrations of 20 nm and 80 nm of Ag- and Au NPs have significant adverse effects on the retina (Paper 3). These effects were compared to the neurotoxicological effects induced by lipopolysaccharide administration, which is the most common way to mimic a bacterial infection (Paper 2). A range of typical pathological hallmarks were included in the analysis; micro- and macro morphological changes, macroglial activation, changes in microglia behavior, apoptosis and oxidative stress (Papers 2 & 3).Taken together, our results show that exposure to low doses of Au-and AgNPs causes neurotoxicity, similar to a LPS-induced pathological response in the retina. Our results, thus, suggest a careful assessment of candidate nanoparticles of any material to be used in neural systems, for therapeutic or other purposes.},
  author       = {Bauer, Patrik Maximilian},
  isbn         = {978-91-7753-475-4},
  keyword      = {Microglia,Retina,In vitro,Nanoparticles},
  language     = {eng},
  pages        = {58},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Biology},
  school       = {Lund University},
  title        = {Effects of gold- and silver nanoparticles on the retina},
  year         = {2017},
}