Open Access

Carmen B. Schmitz

• The effects of engineered nanomaterials on human health are intensively studied in order to facilitate their safe application. However, relatively little is known how me-chanical strain (stretching), as induced in alveolar epithelial cells by breathing dynam-ics, modifies biological responses to nanoparticles. In this study, A549 cells as a model for human type II alveolar epithelial cells were exposed to 25 nm amorphous colloidal silica nanoparticles (Si25) under dynamic or static culture conditions. Gene array data, qPCR, and ELISA revealed that stretching, in order to mimic breathing, can amplify the inflammatory responses to nanoparticle exposure. Treatment of cells with either stretching or nanoparticles alone led to minor changes in gene expression or cytokine secretion. The amplifying effect from stretching was not influenced by nanoparticle size or an intensified stretching, but by varying fetal bovine sera for medium supple-mentation. The type of fetal bovine serum used as medium supplement determined the occurrence of the amplifying effect, affecting both baseline cytokine production, as well as cellular response to nanoparticles. Gene expression alterations induced by combined exposure to nanoparticles plus stretching showed a high similarity to those known to be induced by TNF and mediated by NFkB. However, translocation of NFkB-p65, NF-κB2-p100/p52, and NF-κB1-p105/p50 subunits upon Si25, stretch, or a combined treatment could not be observed. Confocal microscopy revealed that stretching did not lead to an increased internalization of nanoparticles in this simplified lung model, indicating that the observed response amplification was not caused secondary to an elevated intracellular nanoparticle accumulation. This study suggests that mechanical strain, which constantly affects lung epithe-lial cells in vivo, significantly determines cell response and should therefore be imple-mented in all in vitro models for pulmonary toxicity tests.
• Die Auswirkungen menschengemachter Nanopartikel sind im Fokus vieler wissenschaftlicher Studien, um zukünftig deren sichere Handhabung und Anwendung zu gewährleisten. Wenig ist bisher darüber bekannt, wie sich mechanische Belastung, die beispielsweise während der Atmung in unseren Lungen stattfindet, auf die zelluläre Reaktion gegenüber inhalierter Nanopartikel auswirkt. In dieser Arbeit wurden A549 Zellen als Modell für humane alveoläre Typ II Epithelzellen mit kolloidalen amorphen Siliziumdioxid-Nanopartikeln behandelt und währenddessen entweder mit oder ohne mechanische Dehnung kultiviert. Genexpressionsanalysen mittels Microarrays und quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) sowie Sekretionsanalysen durch Enzymimmunoassays (ELISA) zeigten, dass atmungssimulierende mechanische Dehnung in vitro die inflammatorische Zellantwort auf Nanopartikelexposition verstärken kann. Die Behandlung der Zellen mit entweder mechanischer Dehnung oder Nanopartikeln allein verursachte nur schwache Veränderungen der Genexpression und Sekretion bestimmter Zytokine. Der beobachtete verstärkende Effekt der mechanischen Dehnung auf die Zytokinexpression schien unabhängig von der Größe der eingesetzten Nanopartikel zu sein. Auch das Steigern der mechanischen Dehnung von 15% auf 25% Flächenexpansion veränderte den verstärkenden Effekt nicht. Jedoch führte die Verwendung eines anderen fötalen Kälberserums (FBS) in der Zellkultur zum Ausbleiben dieses Effekts von mechanischer Dehnung. Sowohl die grundlegende Zytokinproduktion, als auch die Reaktion auf die Nanopartikel waren vom Einfluss des FBS betroffen. Das durch Siliziumdioxid-Nanopartikel plus mechanische Dehnung veränderte Genexpressionsmuster der Zellen wies Ähnlichkeit mit der Zellantwort auf, die NFkB-abhängig durch den Tumornekrosefaktor (TNF) induziert wird. Mithilfe von Konfokalmikroskopie konnte die Translokation der NFkB-p65, NF-κB2-p100/p52 und NF-κB1-p105/p50 Untereinheiten durch Behandlung mit Nanopartikeln, Dehnung oder einer Kombination aus beidem nicht nachgewiesen werden. Die Vermutung, dass mechanische Dehnung die zelluläre Aufnahme von Siliziumdioxid-Nanopartikeln steigert und damit indirekt zu einer stärkeren inflammatorischen Reaktion führt, konnte für dieses Lungenmodell mithilfe von Konfokalmikroskopie widerlegt werden. Diese Arbeit bestätigt, dass mechanische Belastung ein integraler Bestandteil der in vivo Situation von alveolaren Epithelzellen ist und deren Zellantwort auf Nanopartikel signifikant beeinflusst. Mechanische Belastung sollte daher in allen in vitro-Modellen für Pneumotoxizitätstests implementiert werden.