Loading…
Interaction of silver nanoparticles with human and porcine skin
Ahlberg, Sebastian
The rising number of antibiotic-resistant bacteria strains point to the need of new strategies dealing with this threat. One mayor outcome in modern biomedical engineering is the development of nano-sized silver particles (AgNP).With its high antibiotic potential AgNP became one of the fastest growing products in nanotechnology. The particles can be found, e.g., in coatings for all kinds of surgical instruments or implants, in textiles, room sprays, creams and in wound dressings. Regarding the prevention and treatment of bacterial infections the negative effect on mammalian cells cannot be ignored. This is way this dissertation will focus its current research on the matter.
The present study addresses the penetration of 70 nm-sized AgNP into the skin, the impact on skin cell viability and the induction of free radicals (ROS). The penetration of these non-fluorescent particles was explored by means of Raman microscopy and fluorescence lifetime imaging microscopy on porcine skin and transmission electron microscopy (TEM) as well as scanning transmission X-ray microscopy (STXM) on human excised skin. The experiments showed no uptake of the AgNP into the viable epidermis in intact skin. In terms of injured skin (e.g., wounds or burned skin) AgNP penetrate into the living tissue and come in contact with the cells, which is shown by TEM and STXM, and are taken-up and stored by the skin cells (HaCaT). The incubation with silver led to morphological changes of the nuclei and the cell membranes, which indicates cell death.
Furthermore it was demonstrated that the presence of AgNP led to a decreasing cell viability and the production of inflammatory cytokines, i.a. IL-1, IL-6 and IL-8. It was also shown by another method of AgNP-synthesis that the major impact to the cell viability is due to the presence of silver ions (Ag+). Particles produced and stored under air (with a high Ag+ ions content) were compared to those synthesized and stored under the inert gas argon (Ar) with a low Ag+ ions concentration. It was found that Ag+ ions released during particle storage are responsible for most of the AgNP related cytotoxic effects.
This was underlined by the detection of intracellular ROS induced in HaCaT cells incubated with the two AgNP types. ROS formation was investigated by means of electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. These experiments explored the high ROS induction by AgNP under oxygen in contrary to the particles under Ar. These results were also confirmed by investigations on one part of the antioxidant system i.e. measurement of the intracellular glutathione.
In conclusion, the present results indicate no dermal uptake of AgNP. In the specific cases of injured skin the AgNP interact with the living cells and cause toxic effects, which might lead to irritation and inflammation. This is associated with an increasing ROS production and therefore the damage on cellular membranes, DNA or proteins. The use of AgNP (Ar) avoid the presence of released Ag+ ions and allow exploiting the beneficial properties of NP i.e. slow and sustained release of Ag+ ions. These results highlight the complexity of silver toxicity in medical applications, which need to be thoroughly evaluated for safe use of these nanomaterials in dermatology and other fields.
Nanopartikel (NP) spielen eine immer größere Rolle im täglichen Leben. Sie besitzen spezielle Eigenschaften, die auf ihren vergrößerten Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis beruhen und sind z.B. besonders reaktiv. In dieser Arbeit werden NP auf ihre Interaktion mit Haut und Hautzellen untersucht. Vor allem Silbernanopartikel (AgNP), die sich auf Grund ihrer antibakteriellen Eigenschaften steigendem Interesse erfreuen, sind hier in den Fokus gerückt. Speziell in Beschichtungen für OP-Bestecke oder Implantaten, in Textilien, Raumsprays oder Wunddressings sind sie ein fester Bestandteil. Die hohe antibakterielle Wirkung ist eindeutig vorhanden, jedoch können auch Beeinträchtigungen von eukaryotischen Zellen nicht ausgeschlossen werden.
Diese Arbeit untersucht die Aufnahme von NP in die Haut, die Wechselwirkung mit Hautzellen und Induktion von oxidativem Stress. Die Untersuchung der Penetration von ungelabelten Partikeln ist kompliziert und wurde hier durch den Einsatz von Raman Mikroskopie, Fluoreszenzlebensdauer Mikroskopie, Röntgenmikroskopie und Elektronenmikroskopie an exzidierter Humanhaut und Schweinehaut realisiert. Solange eine intakte Hautbarriere vorhanden war, konnte keine Penetration in der lebenden Hautschichten beobachtet werden. Jedoch treten Schädigungen der Hautbarriere häufig auf (z.B. durch Wunden, Verbrennungen, Operationen), was wiederum die Penetration der NP ermöglicht. So kommt es zum Kontakt zwischen AgNP und Zellen. Diese Situationen wurden simuliert und die Aufnahme in die Zellen konnte nachgewiesen werden. Dies führte zu morphologischen Änderungen der Zelle, wie z.B. der Auflösung des Zellkerns.
Die Toxizität der AgNP auf Keratinozyten wurde untersucht und dabei sowohl eine AgNP-abhängige Verringerung der Zellviabilität als auch die Ausschüttung von inflammatorischen Mediatoren detektiert. Durch eine spezielle Synthesemethoden wurde AgNP bereitgestellt, welche eine hohe als auch eine niedrige Anzahl von Silberionen (Ag+) aufwiesen. Es wurde gezeigt, dass die Ag+ Ionen größtenteils die Verantwortung für die Toxizität tragen.
Diese Toxizität konnte mittels der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie auf oxidativen Stress zurückgeführt werden. Durch die Ag+ Ionen werden zum einen Membranen beschädigt und somit Radikale induziert, zum anderen inhibieren diese Ionen das antioxidative System der Zellen, welches für die oxidative Balance sorgt. Daraus entwickelt sich ein Überschuss an freien Radikalen, welcher letztendlich zum Zelltod führt.
Zusammenfassend dokumentiert diese Arbeit, dass die hier untersuchten NP eine intakte Hautbarriere nicht überwinden können. Hautschädigungen führen jedoch zu einem Durchbruch der NP und
zur Interaktion mit Hautzellen. Infolge verschiedener Kaskaden und Reaktionen wird das oxidative Gleichgewicht der Zellen gestört was zum Zelltod führt. Diese Effekte treten bei AgNP, die unter Argon (Ar) synthetisiert wurden verringert auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegt die Toxizität von AgNP aber auch mögliche Lösungen. Deshalb sollte die Forschung weitergeführt werden, um den Nutzen zu erhöhen und Risiken einzuschränken.
