The effect of silver nanoparticles: a chronic in vivo study for the evaluation of hepatic mitochondrial toxicity

Abstract

Manufactured nanomaterials have been of extreme importance due to the beneficial physicochemical properties they possess compared to bulk parental materials. However, the properties that make them so attractive are also the same that can cause harm both to humans and environment. Over the last years there has been a rapid development of the nanotechnology industry and the inevitable human exposure tends rapidly to expand, accompanied by potential for adverse health effects. Among all used nanoparticles (NPs), silver nanoparticles (AgNPs) have the highest level of commercialization. Silver has been used for decades in medical healthcare due to its known antibacterial properties. One can also observe AgNPs in products used daily such as cosmetics, lotions, toothpastes, soaps, sunscreen, clothing and electronics. Over the last years, nanoparticles have been the subject of intense research for use in biomedicine, namely as biosensors, drug-delivery agents and imaging contrast agents, which take advantage of their unique optical properties. Human exposure to AgNPs can occur through different ways: inhalation, ingestion, injection and dermal contact. As a major organ of detoxification, the liver is one of the most important targets after AgNPs exposure. The main toxicological concern is the fact that AgNPs preferentially accumulate in mitochondria. Since mitochondria have an essential bioenergetic function, impairment of mitochondria by nanoparticles may have drastic consequences on cellular function. The mechanism by which AgNPs cause toxicity is still subject to uncertainty. However, oxidative stress has been related with the AgNPs toxicity. Therefore, antioxidant therapy might be a viable strategy for attenuating this toxicity. In this work, we evaluated the toxicity of silver nanoparticles (10- and 75 nm) and their effects in rat liver mitochondrial bioenergetics. In vivo exposure to AgNPs was capable of increasing plasmatic aspartate aminotransferase (AST) and lactate dehydrogenase (LDH) activities, suggesting hepatocellular injury. Mitochondria isolated from animals treated with both AgNPs sizes showed a significant increase on reactive oxygen species (ROS) generation. Moreover, AgNPs caused impairment of rat liver mitochondrial function, mainly due to alterations of mitochondrial membrane permeability leading to an uncoupling effect on the oxidative phosphorylation system. AgNPs also compromised the electron transfer along the electron transport chain byaffecting the activity of complexes II and IV of the respiratory chain and interfered with the mitochondrial permeability transition (MPT) induction. We found that most of the effects caused by AgNPs exposure were prevented by pretreatment with N-acetylcysteine (NAC). This antioxidant agent efficiently prevented the structural damage in the inner mitochondrial membrane as well as damage to mitochondrial electron transport chain complexes. Oxidative phosphorylation and calcium retention capacities of hepatic mitochondria were also improved by NAC treatment. The preventive effect of NAC efficiency was higher in 75 nm- than 10 nm-AgNPs, suggesting that smaller NPs have higher cytotoxicity than larger NPs. In summary, our results indicate that the liver is a target of AgNPs exposure leading to alteration in hepatic mitochondria functions. Thus, the mitochondrial toxicity may have a central role in the toxicity resulting from exposure to silver nanoparticles. The efficiency of NAC administration against AgNPs toxicity suggests that ROS are involved in the mitochondrial toxicity caused by AgNPs treatment.

Os nanomateriais manufacturados têm sido de extrema importância devido às características físico-químicas benéficas que possuem comparados com os mesmos materiais de maiores dimensões. Contudo, as propriedades que os tornam tão atraentes são as mesmas que podem causar dano ao ser humano e ao meio ambiente. Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um rápido desenvolvimento da indústria de nanotecnologia, e a inevitável exposição humana tende a aumentar rapidamente, acompanhada por potenciais efeitos adversos para a saúde. Das diversas nanoparticulas utilizadas (NPs), as nanoparticulas de prata (AgNPs) têm o maior grau de comercialização. A prata tem sido utilizada ao longo de décadas em cuidados de saúde devido as suas propriedades antibacterianas. Podemos também observar a presença de AgNPs em produtos utilizados no quotidiano tais como, cosméticos, loções, pasta dentífrica, sabonetes, protector solar, vestuário e electrodomésticos. Ao longo dos últimos anos, as nanopartículas têm sido objecto de intensa pesquisa para aplicação em biomedicina, nomeadamente como biosensores, agentes de entrega de fármacos e agentes de contraste de imagem, tirando partido das suas propriedades ópticas únicas. A exposição humana a AgNPs pode acorrer de várias formas: inalação, ingestão, injeção ou via transdérmica. Como principal órgão de desintoxicação, o fígado é um dos alvos mais importantes após a exposição a AgNPs. A principal preocupação toxicológica é o facto de as AgNPs se acumularem preferencialmente nas mitocôndrias. Uma vez que as mitocôndrias possuem uma função bioenergética essencial, danos nas mitocôndrias causados pelas nanoparticulas podem acarretar consequências drásticas na função celular. O mecanismo através do qual as AgNPs causam toxicidade é ainda incerto. No entanto, o stress oxidativo tem sido associado à toxicidade provocada pelas AgNPs. Desta forma, a terapêutica antioxidante pode revelar-se uma estratégia viável para atenuar essa toxicidade. Neste trabalho avaliámos a toxicidade de nanopartículas de prata (10 e 75 nm) e os seus efeitos na bioenergética mitocondrial do fígado de rato. Exposição in vivo a AgNPs revelou-se capaz de aumentar as actividades plasmáticas da aspartato aminotransferase(AST) e da lactato desidrogenase (LDH), sugerindo dano hepatocelular. Mitocôndrias isoladas de fígado de animais tratados com AgNPs de ambos os tamanhos demonstraram um aumento significativo na geração de espécies reactivas de oxigénio (ROS). Além disso, as AgNPs causaram danos na função mitocondrial principalmente devido a alterações na permeabilidade da membrana, provocando um efeito desacoplador no sistema de fosforilação oxidativa. As AgNPs comprometem também a transferência de eletrões ao longo da cadeia transportadora devido ao facto de afetarem as atividades dos complexos II e IV da cadeia respiratória e interferirem também com a indução da transição de permeabilidade mitocondrial (MPT). Demonstramos que a maioria dos efeitos causados pela exposição as AgNPs podem foram prevenidos pelo pré-tratamento com N-acetilcisteína (NAC). Este agente antioxidante impediu eficientemente a grande maioria dos efeitos das AgNPs nas mitocôndrias hepáticas. A fosforilação oxidativa e a capacidade de retenção de cálcio das mitocôndrias hepáticas foram também melhoradas através do tratamento com NAC. O efeito preventivo do NAC foi maior nas AgNPs de 75 nm do que nas de 10nm, sugerindo que NPs mais pequenas apresentam maior citotoxicidade quando comparadas com NPs de maiores dimensões. Em suma, os nossos resultados demonstram que o fígado é um alvo da exposição a AgNPs conduzindo a alterações na função das mitocôndrias hepáticas. Desta forma, a toxicidade mitocondrial pode desempenhar um papel fulcral na toxicidade resultante da exposição a nanopartículas de prata. A eficácia da administração do NAC contra a toxicidade das AgNPs sugere que os ROS estão envolvidos na toxicidade mitocondrial provocada pela exposição às AgNPs.