Controlling the toxicity of zinc oxide nanowires in vitro skin models

par Chrysovalanto Louka

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Laurent Charlet, Thierry Maffeis et de Martin Clift.

Le président du jury était Michel Sève.

Le jury était composé de Benjamin Gilbert, Donia Movia.

Les rapporteurs étaient Alexandra Porter, Karl Hawkins.

  • Titre traduit

    Contrôler la toxicité des nanofils d'oxyde de zinc dans des modèles de peau


  • Résumé

    Les nanofils d'oxyde de zinc (ZnONW) attirent beaucoup d'attention scientifique en raison de leurs propriétés optoélectriques, piézoélectriques et semi-conductrices, qui en font un bon candidat pour les capteurs et l'électronique intégrées dans les textiles. Ces applications augmentent les risques d'exposition cutanée, de qui rend l’étude de leur toxicité cruciale, d'autant plus que les études récentes démontrent une toxicité liée aux ions de zinc due à la dissolution. Malheureusement, la compréhension de l'impact des ZnONWs sur la peau est limitée. Par conséquent, l'objectif de ce projet est d'acquérir une compréhension approfondie du danger potentiel des ZnONWs sur la peau (humaine) in vitro et de la façon dont leurs propriétés physicochimiques sont liées à cela.Ici, une caractérisation physico-chimique étendue des ZnONWs a été effectuée dans des milieux de cultures de cellules (GlutaMAX) avec et sans sérum, et dans des suspensions milli Q eau (mQ H2O). Les résultats ont montré que la dissolution de la suspension stock, où les deux nanomatériaux ZnO (ZnONM) sont dans mQ H2O, a atteint une concentration en ions zinc à l'équilibre de 15 µg / mL immédiatement, tandis que les études de dimensions ont montré une forte agrégation dans GlutaMAX sans sérum et une agrégation réduite dans les milieux GlutaMAX avec du sérum . Il a été démontré que les conditions de stockage de l'incubateur à 5% de CO2 et à 37 ° C ont un impact sur la dissolution en abaissant le pH de la suspension aqueuse milli Q et en formant éventuellement des complexes de carbonate de zinc dans les milieux.L'examen de la cytotoxicité des ZnONW dans la monoculture cutanée et la comparaison avec les nanoparticules de ZnO (ZnONP) et le chlorure de zinc (ZnCl2) a montré que les ZnONM induisaient une cytotoxicité et une baisse de viabilité cellulaire significatives à partir de 40,2 µg / mL d'équivalent zinc, avec moins de 40% de cellules viables. La comparaison avec le ZnCl2 a montré une association claire entre la dissolution et la cytotoxicité cellulaire.Pour évaluer davantage l'impact réel des ZnONW dans la peau, un système de co-culture dans l'interface air-liquide (ALI) composé d'épiderme et de cellules cutanées du derme a été développé après uneoptimisation en monoculture de chaque type de cellule. Le système de modèle de peau 3D a été exposé aux ZnONPs, ZnONWs et ZnCl2. Pour empêcher la dissolution des ZnONW, une couche de dioxyde de titane (TiO2) de 5,75 ± SD 1,06 nm a été déposée par dépôt de couche atomique (ALD) sur les ZnONWs. Les ZnONWs recouverts de TiO2 ont également été testés pour leur toxicité sur le système de co-culture.Les résultats des expositions ont montré une mort cellulaire significative avec seulement 20% de cellules vivantes, après traitement aux ZnONMs et au ZnCl2 à 80,4 µg tandis que le traitement aux ZnONW revêtus de TiO2 maintenait au moins 75% de viabilité cellulaire même à 80,4 µg. Cependant, un examen plus approfondi des médiateurs (pro-) inflammatoires après le traitement a montré que les ZnONW revêtus de TiO2 augmentaient les niveaux d'interleukine (IL) 8 et 6 (pro-) inflammatoires par rapport aux ZnONW sans couche de TiO2. Cela pourrait soulever d'autres problèmes de toxicité.


  • Résumé

    Zinc oxide nanowires (ZnONWs) are attracting a lot of scientific attention due to their optoelectrical, piezoelectrical and semiconducting properties, which make them a good candidate for sensors and wearable electronics. These applications increase the chance of skin exposure, hence the investigation of their safety is crucial, especially since studies on ZnONWs show a zinc ion related toxicity due to their dissolution. Unfortunately, understanding of ZnONWs impact on skin is limited. Therefore, it is the objective of this project to gain an insightful understanding of the potential hazard of ZnONWs upon (human) skin in vitro and how their physicochemical properties are related to this.Herein, an extensive ZnONWs physicochemical characterisation was performed in media with and without serum, and in milli Q water (mQ H2O) suspensions. Results showed the stock dissolution, where both ZnO nanomaterials (ZnONMs) are in mQ H2O, reached a zinc ion concentration at equilibrium of 15 µg/mL immediately, while size studies showed high aggregation in GlutaMAX without serum and reduced aggregation in GlutaMAX media with serum. Incubator storing conditions of 5% CO2 and 37oC were shown to have an impact on the dissolution by lowering the pH of the milli Q water suspension and possibly forming zinc carbonate complexes in media.Examining the cytotoxicity of ZnONWs in skin monoculture and comparing it to ZnO nanoparticles (ZnONPs) and zinc chloride (ZnCl2), showed that ZnONMs induced a significant cytotoxicity and cell death from 40.2 µg/mL zinc equivalent, with less than 40% viable cells. Comparison with the ZnCl2 showed a clear association between dissolution and cell cytotoxicity.To assess further the actual impact of ZnONWs in the skin, a co-culture system in Air-Liquid-Interface (ALI) consisting of epidermis and dermis skin cells was developed after monoculture optimisation of each cell type. The 3D skin model system was exposed to ZnONPs, ZnONWs and ZnCl2. To prevent the dissolution of ZnONWs, a 5.75±SD 1.06 nm Titanium dioxide (TiO2) shell was deposited via Atomic layer deposition (ALD) on the ZnONWs. The TiO2 coated ZnONWs were also tested for their toxicity on the co-culture system.Results of the exposures showed a significant cell death with only 20% alive cells, after ZnONMs and ZnCl2 treatment at 80.4 µg whilst the TiO2 coated ZnONWs treatment maintained at least 75% cell viability even at 80.4 µg. However, further examination of (pro-) inflammatory mediators after treatment showed that TiO2 coated ZnONWs increased levels of (pro-)inflammatory Interleukin (IL) 8 and 6 compared to bare ZnONWs. This could raise further safety issues.

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