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2011
Report
Titel
Genotoxic mode of action of fine and ultrafine dusts in lungs
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Research project F 2135
Abstract
This project aimed at studying local genotoxicity of fine and ultrafine particles in lung epithelial cells by evaluating the current literature and by using an immunohistochemical approach on existing lung tissue samples from (nano)particle-exposed animals. Local genotoxicity was assessed by applying immunhistochemical detection and subsequent quantification of different markers for DNA damage in lung tissue samples from a study previously conducted at Fraunhofer ITEM. In this study rats were exposed intratracheally for 3 months to 3 x 2 mg crystalline silica (DQ12, 1300 nm), 3 x 2 mg amorphous silica (Aerosil® 150, 14 nm), or 3 x 6 mg carbon black (PRINTEX® 90, 14 nm). Furthermore, a carcinogenicity study with intratracheal instillation of the same particles (but different particle doses) was available at Fraunhofer ITEM. In parallel, 3-month data concerning bronchoalveolar lavage (BAL) and histological data on inflammation existed allowing correlation of genotoxicity marker expression with the outcome of this carcinogenicity study and with alterations in the lung after 3 month of exposure, respectively. The following genotoxicity markers were selected: Poly(ADP-Ribose) (PAR), phosphorylated H2AX (γ-H2AX), 8-hydroxy-2´-deoxyguanosine (8-OH-dG), and 8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1). PAR indicates early cellular reaction to DNA damage, γ-H2AX DNA double strand breaks (DSB), 8- OH-dG a specific oxidative DNA-base modification (one of several existing), and OGG1 repair capacity related to oxidative damage. For quartz DQ12 all biomarkers gave statistically significant positive results, indicating profound genotoxic stress, occurrence of DSB, and oxidative DNA damage with subsequent repair activity. The response was less pronounced for PRINTEX® 90 (carbon black), but significant increase in DSB, 8-OH-dG, and OGG1-positive cytoplasm were detected. Finally, for Aerosil® 150 (amorphous silica), only 8-OH-dG levels and repair activity of oxidative DNA damage, as represented by OGG1 expression in the cytoplasm, were statistically significant. The marker which was most sensitive, differentiated best between the three particles, and correlated well with the carcinogenicity data was γ-H2AX. 8-OH-dG correlated best with the inflammation score. The findings also generally correlated with positive or negative results in the in vitro and in vivo literature data on genotoxicity of these three particles and with carcinogenicity data. In conclusion, this study demonstrated that using immunohistochemical detection and quantification of different genotoxicity markers in lung tissue samples could be a promising approach for testing local genotoxicity and the genotoxic modes of action of particles in the lung.
Im vorliegenden Projekt wurde die lokale Gentoxizität von Fein- und Ultrafeinstäuben in Lungenepithelzellen untersucht. Nach Literaturauswertung wurde experimentell ein immunohistochemischer Ansatz gewählt, um vorhandene Lungengewebsproben von (nano)partikelexponierten Tieren aus einer Fraunhofer ITEM-Studie bezüglich lokaler Gentoxizität analysieren zu können. Die lokale Gentoxizität wurde durch immunohistochemische Detektion und nachfolgende Quantifizierung von verschiedenen DNA-Schädigungs-Marker im Lungengewebe untersucht. In der Originalstudie wurden die Ratten intratracheal über 3 Monate mit 3 x 2 mg kristallinem Siliziumdioxid (DQ12, 1300 nm), 3 x 2 mg amorphem Siliziumdioxid (Aerosil® 150, 14 nm), oder 3 x 6 mg Testruß (PRINTEX® 90, 14 nm) behandelt. Außerdem standen die Ergebnisse einer Kanzerogenitätsstudie mit intratrachealer Instillation derselben Partikeln (jedoch unterschiedlichen Partikeldosen) im ITEM zur Verfügung und es lagen 3-Monats-Daten bezüglich bronchoalveolärer Lavage (BAL) und Histologie zur Entzündungsreaktion vor, die eine Korrelation der Gentoxizitätsmarker-Expression mit den Ergebnissen der Kanzerogenitätsstudie und mit den Lungenbefunden nach 3 Monaten Exposition ermöglichten. Die folgenden Marker wurden ausgewählt: Poly(ADP-Ribose) (PAR), phosphoryliertes H2AX (γ-H2AX), 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin (8-OH-dG) und 8-Oxoguanin-DNA-Glycosylase (OGG1). PAR zeigt frühe Zellreaktionen bei DNS-Schäden an, γ-H2AX primär DNA Doppelstrangbrüche (DSB), 8-OH-dG eine häufige, prämutagene oxidative DNA-Basenmodifikation und OGG1 die Reparaturkapazität bezüglich oxidativer Schäden. Bei Quarz DQ12 ergaben alle Biomarker statistisch signifikante positive Ergebnisse, die prägnanten gentoxischen Stress, das Entstehen von DSB und oxidativen DNS-Schäden mit korrespondierender Reparaturaktivität anzeigten. Die gentoxische Antwort auf Partikelexposition war bei PRINTEX® 90 (Testruß) weniger deutlich ausgeprägt, aber es wurden dennoch signifikante Erhöhungen an DSB und 8-OH-dG positiven Kernen und OGG1-positivem Zytoplasma detektiert. Bei Aerosil® 150 (amorphes Siliziumdioxid) waren nur die 8-OH-dG-Werte und die OGG-1 abhängige Reparaturaktivität (angezeigt durch die OGG1-Expression im Zytoplasma) statistisch signifikant erhöht. γ-H2AX war der Marker mit der größten Sensitivität und Differenzierfähigkeiten und korrelierte gut mit den Kanzerogenitätsdaten. 8-OH-dG korrelierte am besten mit dem Entzündungsgrad nach 3 Monaten Exposition. Die Ergebnisse korrelierten generell mit positiven oder negativen Ergebnissen aus der in vitro und in vivo Literatur zur Gentoxizität dieser drei Partikeltypen und mit entsprechenden Kanzerogenitätsdaten. Die immunohistochemische Detektion und Quantifizierung verschiedener Gentoxizitätsmarker in Lungengewebsproben könnte ein vielversprechender Ansatz zur Analyse auf Gentoxizität und gentoxische Mechanismen in der Lunge sein.
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