Toxicidade in vitro e in vivo de nanopartículas de óxido de alumínio dependente da fase cristalina e avaliação de risco em ecossistemas aquáticos usando uma abordagem probabilística

Abstract

As nanopartículas de óxido de alumínio (NP Al2O3) podem ser encontradas em diferentes fases cristalinas e, com o surgimento da nanotecnologia, houve um rápido aumento na demanda por NP Al2O3 em diferentes áreas da engenharia, biomédica e alimentícia. No entanto, é necessária uma avaliação cuidadosa dos possíveis riscos ambientais e à saúde humana para avaliar as implicações da liberação das NP Al2O3 no meio ambiente. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar e comparar os possíveis efeitos toxicológicos in vitro e in vivo das NP Al2O3 com duas fases cristalinas distintas, NP a-Al2O3 (alfa) e NP ?-Al2O3 (eta), e determinar o potencial risco das NP Al2O3 com diferentes fases cristalinas para os ambientes aquáticos. Diferentes técnicas físico-químicas foram empregadas para a caracterização das NP Al2O3 e múltiplos endpoints toxicológicos foram utilizados para avaliar a toxicidade in vitro (linhagens celulares neuroblastoma (N2A) e epitélio Brônquico Humano (BEAS2B) e in vivo (microcrustáceo de água doce Daphnia magna). A distribuição probabilística de sensibilidade de espécies (PSSD) foi usada para estimar o risco das NP Al2O3 para os ambientes aquáticos. Com base nos resultados de caracterização as fases cristalinas das NP Al2O3 testadas possuem diferentes células unitárias, ou seja, distintos rearranjos atômicos, resultando em diferentes empacotamentos e formatos. Esses fatores influenciaram diretamente as propriedades físico-químicas finais, tal como menor estado de aglomeração, formato das partículas, maior área superficial e carga superficial positiva da NP ?-Al2O3, que promoveu uma maior interação com as células e D. magna, favorecendo a uma maior internalização e/ou ingestão, conforme evidenciado por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e quantificado por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplada (ICP-MS). Consequentemente os resultados dos múltiplos endpoints toxicológicos (in vitro e in vivo), revelaram diferenças nos resultados do potencial tóxico para as NP a-Al2O3 e ?-Al2O3, com um efeito mais pronunciado observado para as NP ?-Al2O3. No entanto, a avaliação de risco indica que, de acordo com a abordagem probabilística as NP a-Al2O3, NP ?-Al2O3 (gama), NP ?Al2O3 (teta), NP d-Al2O3 (delta) e NP ?-Al2O3 não representam ameaça direta aos organismos aquáticos. Uma vez que, as concentrações perigosas encontradas estão acima das concentrações ambientais previstas. Portanto, as NP Al2O3 devem ser consideradas como uma opção para substituir outros materiais com as mesmas propriedades ou, ainda, semelhantes e que atualmente apresentam alto potencial toxicológico em pequenas concentrações.

Abstract: The aluminum oxide nanoparticles (Al2O3 NPs) can be found in different crystalline phases and, with the emergence of nanotechnology, there was a rapid increase in the demand for NP Al2O3 in different areas of engineering, biomedical and food. However, a careful assessment of possible environmental and human health risks is necessary to assess the implications of the release of Al2O3 NPs in the environment. In this context, the objective of this work was to evaluate and compare the possible in vitro and in vivo toxicological effects of Al2O3 NPs with two distinct crystalline phases, a- Al2O3 NPs (alpha) and ?- Al2O3 NPs (eta), and to determine the potential risk of Al2O3 NPs with different crystalline phases for aquatic environments. Different physicochemical techniques were used for the characterization of Al2O3 NPs and multiple toxicological endpoints were used to assess toxicity in vitro (neuroblastoma cell lines (N2A) and human bronchial epithelium (BEAS-2B) and in vivo (freshwater microcrustacean Daphnia magna). The probabilistic species sensitivity distribution (PSSD) was used to estimate the risk of Al2O3 NPs to aquatic environments. Based on the characterization results, the crystalline phases of the Al2O3 NPs tested have different unit cells, that is, different atomic rearrangements, resulting in different packages and formats. Based on the characterization results, the crystalline phases of the Al2O3 NPs tested have different unit cells, that is, different atomic rearrangements, resulting in different packages and formats. These factors directly influenced the final physicochemical properties, such as lower agglomeration status, particle shape, greater surface area and positive surface charge of ?-Al2O3 NPs, which promoted greater interaction with cells and D. magna, favoring the greater internalization and/or ingestion, as evidenced by Transmission Electron Microscopy (TEM) and quantified by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Consequently, the results of multiple toxicological endpoints (in vitro and in vivo) revealed differences in the results of the toxic potential for a-Al2O3 NPs and ?-Al2O3 NPs, with a more pronounced effect observed for ?- Al2O3 NPs. However, the risk assessment indicates that, according to the probabilistic approach, a-Al2O3 NPs, ?Al2O3 NPs (gamma), ?-Al2O3 NPs (theta), d-Al2O3 NPs (delta) and ?-Al2O3 NPs pose no direct threat to aquatic organisms. Since, the dangerous concentrations found are well above the expected environmental concentrations. Therefore, Al2O3 NPs should be considered as an option to replace other materials with the same or similar properties and that currently have high toxicological potential in small concentrations.