나노기술 및 나노물질의 비약적인 발전화 함께 나노물질의 사용량 또한 전 세계적으로 빠르게 급증하고 있는 추세이다. 이 가운데 금속산화물나노입자의 경우 화학, 물리, 재료 및 의료분야 등 다양한 분야에 걸쳐 매우 중요한 역할을 하고 있다. 금속산화물 나노물질의 개발은 가속화 되고 있으며 이에 따라 금속산화물 나노물질의 환경 노출 및 인체로의 유입가능성은 더욱 증가되었다. 나노물질의 환경 및 생체로의 유입은 잠재적인 독성 유발 및 유해성에 대한 우려를 야기시키고 있으며, 이러한 나노물질의 환경 및 인체 중에서 발생될 문제점 파악 및 해결을 위해 노출 및 독성평가, 환경 거동 및 생물학적 거동, 잔류성, 변환 등 다양한 분야에 대해 연구가 진행 중에 있다. 그러나 나노물질의 독특한 물리·화학적 특성으로 인해 아직까지 나노물질의 독성 및 환경 거동에 대한 명확한 메커니즘은 정립되지 않고 있는 실정이다. 금속산화물 나노입자의 독성연구에 있어 기존 독성평가기법의 한계로 인해 많은 개선안들이 제시되고 있으며, 특히 생물학적 매질 중 나노입자의 변환 및 거동 특성에 대한 연구들이 주목 받고 있다. 세포배양액을 포함한 생체 매질에는 다양한 단백질들이 포함되어 있으며 이러한 환경에 노출된 나노입자는 단백질과의 상호작용으로 인해 ...
국문 초록
나노기술 및 나노물질의 비약적인 발전화 함께 나노물질의 사용량 또한 전 세계적으로 빠르게 급증하고 있는 추세이다. 이 가운데 금속산화물나노입자의 경우 화학, 물리, 재료 및 의료분야 등 다양한 분야에 걸쳐 매우 중요한 역할을 하고 있다. 금속산화물 나노물질의 개발은 가속화 되고 있으며 이에 따라 금속산화물 나노물질의 환경 노출 및 인체로의 유입가능성은 더욱 증가되었다. 나노물질의 환경 및 생체로의 유입은 잠재적인 독성 유발 및 유해성에 대한 우려를 야기시키고 있으며, 이러한 나노물질의 환경 및 인체 중에서 발생될 문제점 파악 및 해결을 위해 노출 및 독성평가, 환경 거동 및 생물학적 거동, 잔류성, 변환 등 다양한 분야에 대해 연구가 진행 중에 있다. 그러나 나노물질의 독특한 물리·화학적 특성으로 인해 아직까지 나노물질의 독성 및 환경 거동에 대한 명확한 메커니즘은 정립되지 않고 있는 실정이다. 금속산화물 나노입자의 독성연구에 있어 기존 독성평가기법의 한계로 인해 많은 개선안들이 제시되고 있으며, 특히 생물학적 매질 중 나노입자의 변환 및 거동 특성에 대한 연구들이 주목 받고 있다. 세포배양액을 포함한 생체 매질에는 다양한 단백질들이 포함되어 있으며 이러한 환경에 노출된 나노입자는 단백질과의 상호작용으로 인해 표면특성 변화 및 구조적 변화에 의해 전체적인 특성 변화를 초래할 수 있다. 또한 생체 환경 내 다양한 물리·화학적 인자에 의한 나노입자의 변성이 발생될 수 있다. 이에 따라 나노입자의 독성평가에 있어 생물학적 시스템을 고려한 물리·화학적 특성 평가 및 입자의 변환 특성에 대한 연구가 수반되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 금속산화물 나노입자 중 TiO2, SiO2, ZnO, CuO, Cu2O 나노입자에 대해 10% FBS가 함유된 MEM/F12 세포배양액에서의 변환 특성 분석 및 나노입자로부터 해리되는 금속이온에 대해 정량평가를 실시하였다. 나노입자의 특성분석은 TEM, DLS, Zeta potential, XRD, BET 분석을 통해 수행하였으며, 금속이온의 정량평가는 ICP-OES 및 ICP-MS를 이용하였다. 이와 같은 세포배양액 내 나노입자의 변환 특성뿐만 아니라 인간 신경종양세포주 (SH-SY5Y cell line)에서 위 5가지 나노입자에 대한 in-vitro 독성평가를 수행하였다. 독성평가에 있어 나노입자에 대한 평가뿐만 아니라 나노입자로부터 해리되는 금속이온에 의해 유발되는 독성까지 고려하였다. 5가지 나노입자 중 특히, 독성발현이 큰 것으로 알려진 ZnO 및 CuO 나노입자에 대해서는 cell viability를 포함하여 활성산소 발생 측정, 세포 apoptosis 및 necrosis 발현 분석을 수행하였으며, ROS, apoptosis, metallothionein 및 neurodegenerative disease관련 발현 유전자 정량분석을 실시하였다. 또한 ZnO, CuO 나노입자에 대해 microarray 분석을 통해 신경세포주에서 위 두 가지 나노입자에 의해 발현되는 전체 유전자 profiling을 수행하였다. 세포배양액에서 금속산화물 나노입자의 변환 특성을 분석한 결과 CuO 및 Cu2O 나노입자로부터 가장 많은 이온이 해리되는 것으로 나타났으며 특히, Cu2O 나노입자는 oxidation에 의해 결정구조의 변화가 발생된 것으로 나타났다. FBS가 존재한 상태에서는 대체적으로 나노입자의 응집이 발생된 것으로 관찰되었으며, FBS에 의해 모든 나노입자의 표면전하가 음전하를 띠게 되는 것으로 나타났다. 세포독성측정 결과 TiO2 및 SiO2는 독성발현이 나타나지 않았으나 ZnO, CuO, Cu2O의 경우 용량의존적으로 cell viability가 감소되는 경향을 나타내었다. 본 연구에서 나노입자에 의한 ROS발생은 크게 나타나지 않았으며, 발현 유전자 정량분석에서의 경우 ZnO 및 CuO 모두에서 metallothionein이 지수함수적으로 발현되었다. 변환 특성 분석 및 독성평가 결과 ZnO의 경우는 주로 ZnO 나노입자 자체에 의한 독성이 유발되는 것으로, CuO의 경우는 해리된 copper ion에 의해 독성이 유발되는 것으로 판단되었다. 앞으로 세포배양액을 비롯한 생물학적 매질 내에서 나노입자의 거동특성 메커니즘 규명이 요구되며, 이를 통해 더욱 명확한 나노입자의 독성 및 유해성이 해석될 수 있을 것이라 생각된다.
나노기술 및 나노물질의 비약적인 발전화 함께 나노물질의 사용량 또한 전 세계적으로 빠르게 급증하고 있는 추세이다. 이 가운데 금속산화물 나노입자의 경우 화학, 물리, 재료 및 의료분야 등 다양한 분야에 걸쳐 매우 중요한 역할을 하고 있다. 금속산화물 나노물질의 개발은 가속화 되고 있으며 이에 따라 금속산화물 나노물질의 환경 노출 및 인체로의 유입가능성은 더욱 증가되었다. 나노물질의 환경 및 생체로의 유입은 잠재적인 독성 유발 및 유해성에 대한 우려를 야기시키고 있으며, 이러한 나노물질의 환경 및 인체 중에서 발생될 문제점 파악 및 해결을 위해 노출 및 독성평가, 환경 거동 및 생물학적 거동, 잔류성, 변환 등 다양한 분야에 대해 연구가 진행 중에 있다. 그러나 나노물질의 독특한 물리·화학적 특성으로 인해 아직까지 나노물질의 독성 및 환경 거동에 대한 명확한 메커니즘은 정립되지 않고 있는 실정이다. 금속산화물 나노입자의 독성연구에 있어 기존 독성평가기법의 한계로 인해 많은 개선안들이 제시되고 있으며, 특히 생물학적 매질 중 나노입자의 변환 및 거동 특성에 대한 연구들이 주목 받고 있다. 세포배양액을 포함한 생체 매질에는 다양한 단백질들이 포함되어 있으며 이러한 환경에 노출된 나노입자는 단백질과의 상호작용으로 인해 표면특성 변화 및 구조적 변화에 의해 전체적인 특성 변화를 초래할 수 있다. 또한 생체 환경 내 다양한 물리·화학적 인자에 의한 나노입자의 변성이 발생될 수 있다. 이에 따라 나노입자의 독성평가에 있어 생물학적 시스템을 고려한 물리·화학적 특성 평가 및 입자의 변환 특성에 대한 연구가 수반되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 금속산화물 나노입자 중 TiO2, SiO2, ZnO, CuO, Cu2O 나노입자에 대해 10% FBS가 함유된 MEM/F12 세포배양액에서의 변환 특성 분석 및 나노입자로부터 해리되는 금속이온에 대해 정량평가를 실시하였다. 나노입자의 특성분석은 TEM, DLS, Zeta potential, XRD, BET 분석을 통해 수행하였으며, 금속이온의 정량평가는 ICP-OES 및 ICP-MS를 이용하였다. 이와 같은 세포배양액 내 나노입자의 변환 특성뿐만 아니라 인간 신경종양세포주 (SH-SY5Y cell line)에서 위 5가지 나노입자에 대한 in-vitro 독성평가를 수행하였다. 독성평가에 있어 나노입자에 대한 평가뿐만 아니라 나노입자로부터 해리되는 금속이온에 의해 유발되는 독성까지 고려하였다. 5가지 나노입자 중 특히, 독성발현이 큰 것으로 알려진 ZnO 및 CuO 나노입자에 대해서는 cell viability를 포함하여 활성산소 발생 측정, 세포 apoptosis 및 necrosis 발현 분석을 수행하였으며, ROS, apoptosis, metallothionein 및 neurodegenerative disease관련 발현 유전자 정량분석을 실시하였다. 또한 ZnO, CuO 나노입자에 대해 microarray 분석을 통해 신경세포주에서 위 두 가지 나노입자에 의해 발현되는 전체 유전자 profiling을 수행하였다. 세포배양액에서 금속산화물 나노입자의 변환 특성을 분석한 결과 CuO 및 Cu2O 나노입자로부터 가장 많은 이온이 해리되는 것으로 나타났으며 특히, Cu2O 나노입자는 oxidation에 의해 결정구조의 변화가 발생된 것으로 나타났다. FBS가 존재한 상태에서는 대체적으로 나노입자의 응집이 발생된 것으로 관찰되었으며, FBS에 의해 모든 나노입자의 표면전하가 음전하를 띠게 되는 것으로 나타났다. 세포독성측정 결과 TiO2 및 SiO2는 독성발현이 나타나지 않았으나 ZnO, CuO, Cu2O의 경우 용량의존적으로 cell viability가 감소되는 경향을 나타내었다. 본 연구에서 나노입자에 의한 ROS발생은 크게 나타나지 않았으며, 발현 유전자 정량분석에서의 경우 ZnO 및 CuO 모두에서 metallothionein이 지수함수적으로 발현되었다. 변환 특성 분석 및 독성평가 결과 ZnO의 경우는 주로 ZnO 나노입자 자체에 의한 독성이 유발되는 것으로, CuO의 경우는 해리된 copper ion에 의해 독성이 유발되는 것으로 판단되었다. 앞으로 세포배양액을 비롯한 생물학적 매질 내에서 나노입자의 거동특성 메커니즘 규명이 요구되며, 이를 통해 더욱 명확한 나노입자의 독성 및 유해성이 해석될 수 있을 것이라 생각된다.
The number of metal oxide nanoparticle-based consumer products has increased significantly over the past decade. With the increased production and the use of metal oxide nanomaterials, it is expected that their release into the environment and the exposure of living organisms to na...
Abstract
The number of metal oxide nanoparticle-based consumer products has increased significantly over the past decade. With the increased production and the use of metal oxide nanomaterials, it is expected that their release into the environment and the exposure of living organisms to nanomaterials are also going to increase. Information about the toxicity and environmental fate of metal oxide nanoparticles combined with the knowledge of unintentional human and environmental exposure will be necessary to determine the risk of nanoparticles. In biological environments, the presence of plasma proteins, salt composition, and pH value affect additionally morphology, surface chemistry, dissolution, and aggregation degree of nanoparticles. When suspended in biological fluids nanoparticles rapidly interact with proteins, peptides, and lipids thus formation a protein corona on the surface of nanoparticles. In addition, the change of physicochemical properties of the metal oxide nanoparticles (including size, shape, surface area, and surface charge) possibly causes different biological responses and thus an incorrect assessment of the toxicity of nanoparticles. In the past some studies have discussed that the interplay between nanoparticles and protein or various components in biological media is the important cause of the toxicity of nanoparticles. In particular, the change of physico-chemical properties of nanoparticles has a unique properties and fate in a cell culture medium supplemented with FBS. Therefore, understanding the interaction of nanoparticles with protein or components plays a key role to elucidate the nanotoxicological mechanism in in-vitro studies. The primary objectives of this study are 1) to characterize the physico-chemical properties that transformation of metal oxide nanoparticles in cell culture media supplemented with FBS, and 2) to assess the toxic effects of metal oxide nanoparticles in human neuroblastoma cell line. In this study, TiO2, SiO2, ZnO, CuO and Cu2O nanoparticles were studied as representative nanoparticles among the various metal oxide nanoparticles. The interaction of these metal oxide nanoparticles in cell culture media supplemented with FBS were investigated by TEM, DLS, Zeta potential, XRD and BET. Dissolved metal ions from zinc and copper nanoparticles were also determined by ICP-OES and ICP-MS. We tried to determine the released metal ion and nanoparticles in intracellular levels. We also investigated the in-vitro toxicity assessment for the metal oxide nanoparticles in human neuroblastoma cell line (SH-SY5Y). In the case of ZnO and CuO, we performed to assess ROS, apoptosis/necrosis and quantification of target genes such as apoptosis, ROS, metallothionein and neurodegenerative disease. In addition, we analyzed the profiling for the whole genome expression in SH-SY5Y cells by cDNA microarray analysis. The main results of this study are as follows: 1) In the case of crystal structure of nanoparticles, the some structures of SiO2 and Cu2O were changed in cell culture media. 2) In the presence of FBS in cell culture media, it was observed mostly that agglomeration of nanoparticles occurred, and it appeared that surface charge of all the nanoparticles changed to negative charge. 3) Copper ions dissolved from CuO and Cu2O nanoparticles in cell culture media. 4) In the case of ZnO, it was determined that toxicity is mainly caused by nanoparticles and, In the case of CuO, toxicity is caused by dissolved cooper ion. In the future, it is required to identify fate mechanisms of nanoparticles in biological fluid as well as cell culture medium, and it is expected that toxicity of nanoparticles can be more clearly interpreted through this.
Keywords: metal oxide nanoparticles, transformation, dissolved metal ions, in-vitro toxicity
Abstract
The number of metal oxide nanoparticle-based consumer products has increased significantly over the past decade. With the increased production and the use of metal oxide nanomaterials, it is expected that their release into the environment and the exposure of living organisms to nanomaterials are also going to increase. Information about the toxicity and environmental fate of metal oxide nanoparticles combined with the knowledge of unintentional human and environmental exposure will be necessary to determine the risk of nanoparticles. In biological environments, the presence of plasma proteins, salt composition, and pH value affect additionally morphology, surface chemistry, dissolution, and aggregation degree of nanoparticles. When suspended in biological fluids nanoparticles rapidly interact with proteins, peptides, and lipids thus formation a protein corona on the surface of nanoparticles. In addition, the change of physicochemical properties of the metal oxide nanoparticles (including size, shape, surface area, and surface charge) possibly causes different biological responses and thus an incorrect assessment of the toxicity of nanoparticles. In the past some studies have discussed that the interplay between nanoparticles and protein or various components in biological media is the important cause of the toxicity of nanoparticles. In particular, the change of physico-chemical properties of nanoparticles has a unique properties and fate in a cell culture medium supplemented with FBS. Therefore, understanding the interaction of nanoparticles with protein or components plays a key role to elucidate the nanotoxicological mechanism in in-vitro studies. The primary objectives of this study are 1) to characterize the physico-chemical properties that transformation of metal oxide nanoparticles in cell culture media supplemented with FBS, and 2) to assess the toxic effects of metal oxide nanoparticles in human neuroblastoma cell line. In this study, TiO2, SiO2, ZnO, CuO and Cu2O nanoparticles were studied as representative nanoparticles among the various metal oxide nanoparticles. The interaction of these metal oxide nanoparticles in cell culture media supplemented with FBS were investigated by TEM, DLS, Zeta potential, XRD and BET. Dissolved metal ions from zinc and copper nanoparticles were also determined by ICP-OES and ICP-MS. We tried to determine the released metal ion and nanoparticles in intracellular levels. We also investigated the in-vitro toxicity assessment for the metal oxide nanoparticles in human neuroblastoma cell line (SH-SY5Y). In the case of ZnO and CuO, we performed to assess ROS, apoptosis/necrosis and quantification of target genes such as apoptosis, ROS, metallothionein and neurodegenerative disease. In addition, we analyzed the profiling for the whole genome expression in SH-SY5Y cells by cDNA microarray analysis. The main results of this study are as follows: 1) In the case of crystal structure of nanoparticles, the some structures of SiO2 and Cu2O were changed in cell culture media. 2) In the presence of FBS in cell culture media, it was observed mostly that agglomeration of nanoparticles occurred, and it appeared that surface charge of all the nanoparticles changed to negative charge. 3) Copper ions dissolved from CuO and Cu2O nanoparticles in cell culture media. 4) In the case of ZnO, it was determined that toxicity is mainly caused by nanoparticles and, In the case of CuO, toxicity is caused by dissolved cooper ion. In the future, it is required to identify fate mechanisms of nanoparticles in biological fluid as well as cell culture medium, and it is expected that toxicity of nanoparticles can be more clearly interpreted through this.
Keywords: metal oxide nanoparticles, transformation, dissolved metal ions, in-vitro toxicity
Keyword
#metal oxide nanoparticles transformation dissolved metal ions in-vitro toxicity
학위논문 정보
저자
장석원
학위수여기관
경희대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
화학과
지도교수
양성익
발행연도
2016
총페이지
180 p.
키워드
metal oxide nanoparticles transformation dissolved metal ions in-vitro toxicity
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