Nanotitaanidioksidin ja hiilinanoputkien tulehdusvaikutukset keuhkoissa -väitöskirjatyö

Tiivistelmä

Stipendin avulla perehdyn viimeisimpiin tutkimustuloksiin, kirjoitan väitöskirjani yhteenveto-osuuden ja lähetän väitöskirjani esitarkastukseen. Tulokset on jo julkaistu neljässä artikkelissa kansainvälisissä julkaisuissa ja väitöskirja kokonaisuudessaan on käytettävissä syksyllä 2016.
Väitöskirjani käsittelee nanotitaanidioksidin ja hiilinanoputkien tulehdusvaikutuksia keuhkoissa. Ongelmana nanokokoon siirryttäessä on, että tutunkin materiaalin ominaisuudet saattavat muuttua radikaalisti mikrokokoisista ja suuremmista hiukkasista. Titaanidioksidi on laajasti tunnettu ja käytetty materiaali. Tutkimuksissa vertasin erilaisia titaanidioksidilaatuja ja -kokoja. Lisäksi tutkin hiilinanoputkia, jotka on nähty uhkana niiden ja asbestikuitujen samankaltaisuuden vuoksi.
Materiaali pölytettiin kammioon, jossa altistin hiiriä erilaisille pitoisuuksille ja ajanjaksoille. Vaihtoehtoisesti hiiret altistettiin aspiraatiometodin avulla. Pitoisuudet ja altistusajat pyrkivät vastaamaan työpaikoilla esiintyviä olosuhteita. Eläinaltistuskokeiden lisäksi käytin ajoittain täydentävänä tutkimusmenetelmänä solualtistuskokeita.
Yleisimmin keräsin ja analysoin hiiristä seuraavat näytteet: veren seerumi vasta-aineanalyysia varten, keuhkohuuhtelunäyte solu- ja proteiinianalyysiä varten sekä keuhkokudos RNA-eristystä ja kudosanalyysia varten. RNA:sta tutkin polymeraasiketjureaktion avulla välittäjäaineiden lähetti-RNA tasoja.

Hankkeen vastuuhenkilö

Elina Rydman

Tiedote

Nanotitaanidioksidin ja hiilinanoputkien tulehdusvaikutukset keuhkoissa

Elina Rydman tutkii väitöskirjassaan nanokokoisia titaanidioksideja ja hiilinanoputkia, jotka ovat käytetyimpiä nanomateriaaleja. Tulokset tuovat lisätietoa hiukkasten aiheuttaman keuhkotulehduksen mekaniikkaan. Tieteellisissä julkaisuissa julkaistujen tulosten ohella tutkimus tuotti tietoa turvallisista työtavoista laboratorioissa ja nanomateriaalien punnituksessa

Materiaalit saavat uusia ominaisuuksia, kun niitä valmistetaan nanokokoisina. Samat ominaisuudet, jotka mahdollistavat uusia sovelluksia, ovat myös mahdollisia riskejä. Tiedeyhteisö ja media ovat huolissaan, sillä hiilinanomateriaalit ovat samankaltaisia kuin asbesti.

Titaanidioksidi altistutti, varsinkin muunneltuna

Rydman osoittaa titaanidioksidin altistuskokeilla, että neutraali materiaali voi nanokokoisena aiheuttaa tulehdusta. Jo materiaalin rakenteen pienet muutokset tai materiaalin päällystäminen voi suuresti muuttaa materiaalin luonnetta.

Altistuminen pääosalle nanokokoisista titaanidioksidihiukkasista aiheutti hiirten keuhkoissa korkeintaan lievän tulehduksen. Altistuminen piidioksidilla päällystetyille titaanidioksidihiukkasille taas aiheutti tulehduksen.

Nanohiukkasia löytyi runsaasti makrofagien eli syöjäsolujen sisältä niin keuhkokudoksessa kuin keuhkohuuhtelunäytteen soluissa.

Löydöksinä astma-apua ja uusi tulehdus

Rydman havaitsi hiiristä, että altistus niin nanokokoisille kuin muille titaanidioksidihiukkasille näytti lieventävän astman oireita. Rydman korostaa, että kun arvioidaan nanohiukkasten myrkyllisyyttä, on otettava huomioon ihmisväestön moninaisuus.

Kun hiiret altistettiin viikoksi pitkille, jäykille hiilinanoputkille, Rydman löysi uudentyyppisen eosinofiilisen tulehduksen. Sen kaikki oireet ovat samoja kuin tiedetyt astman oireet.

Vaikein tulehdus aiheutui jäykistä hiilinanoputkista. Seuraavaksi vakavin tulehdus seurasi asbestialtistumisesta ja heikoin tulehdus altistumisesta kippuraisille hiilinanoputkille.

Rydman päättelee, että tekniikan ja lääketieteen nanosovelluksissa tuotekehityksen pitää aina edetä yhdessä myrkyllisyyskokeiden kanssa. Näin voidaan varmistaa sekä uusien sovellusten että työntekijöiden turvallisuus.

Rydmanin väitöskirja tarkastetaan 15. lokakuuta 2016 Helsingin yliopistossa. Väitöskirja valmistui Työsuojelurahaston loppuunsaattamisstipendillä.

Toimittaja
Hannu Kaskinen

Aineisto

Elina M. Rossi, Lea Pylkkänen, Antti J. Koivisto, Minnamari Vippola, Keld A. Jensen, Mirella Miettinen, Kristiina Sirola, Heli Nykäsenoja, Piia Karisola, Tuula Stjernvall, Esa Vanhala, Mirja Kiilunen, Pertti Pasanen, Maija Mäkinen, Kaarle Hämeri, Jorma Joutsensaari, Timo Tuomi, Jorma Jokiniemi, Henrik Wolff, Kai Savolainen, Sampsa Matikainen and Harri Alenius. Airway exposure to silica coated TiO2 nanoparticles induces pulmonary neutrophilia in mice. Toxicological Sciences 113 (2), 422–433 (2010)

Elina M Rossi, Lea Pylkkänen, Antti J Koivisto, Heli Nykäsenoja, Henrik Wolff, Kai Savolainen, Harri Alenius. Inhalation exposure to nanosized and fine TiO2 particles inhibits features of allergic asthma in a murine model. Particle and Fibre Toxicology 7:35 (2010)

Elina M. Rydman*, Marit Ilves*, Antti J. Koivisto, Pia A. S. Kinaret, Vittorio Fortino, Terhi S. Savinko, Maili T. Lehto, Ville Pulkkinen, Minnamari Vippola, Kaarle J. Hämeri, Sampsa Matikainen, Henrik Wolff, Kai M. Savolainen, Dario Greco, Harri Alenius. Inhalation of Rod-Like Carbon Nanotubes Causes Unconventional Allergic Airway Inflammation. Particle and Fibre Toxicology 11:48 (2014) *Yhdenvertainen työpanos.

Elina M Rydman, Marit Ilves, Esa Vanhala, Minnamari Vippola, Maili Lehto, Pia A. S. Kinaret, Lea Pylkkänen, Mikko Happo, Maija-Riitta Hirvonen, Dario Greco, Kai Savolainen, Henrik Wolff and Harri Alenius. A Single Aspiration of Rod-like Carbon Nanotubes Induces Asbestos-like Pulmonary Inflammation Mediated in Part by the IL-1 Receptor. Toxicological Sciences 147 (1), 140-155 (2015)

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2433-3. https://helda.helsinki.fi/handle/10138/166835