Does size matter? A study on the in vivo effects of inorganic and organic nanoparticles in Schmidtea mediterranea.

Abstract

Nanomaterials are omnipresent in our daily lives and can be defined as materials of which 50% or more of the constituent particles have one or more external diameters in the size range 1 – 100 nanometres. As the particle size decreases, the number of atoms on the particle surface increases. This leads to an increased chemical reactivity, making these materials promising tools for many applications. On the other hand, this also increases their potential toxicity. In this thesis I address this issue by making use of an aquatic model organism. Planarians play an important role in freshwater ecosystems and are important bioindicators for the benthic regions. The highly regenerative planarian Schmidtea mediterranea has a large pool of pluripotent stem cells, enabling it to regenerate any damaged or amputated tissue, including the entire nervous system. This makes them ideal model organisms to study the effects of nanoparticles on tissue development and stem cell dynamics, in vivo. In addition, the ability to study them whole-mount or sectioned, provides opportunities for the study of particle uptake and distribution in their tissues. This work contributes to addressing the current knowledge gaps on the toxic potential of four omnipresent nanoparticles (NPs): silver, titanium dioxide and silica nanoparticles and nanoplastics. Firstly, I aimed to study uptake routes of these particles and secondly, I focused on alterations of the planarian’s regenerative capacity during NP exposure, as a proxy for potential developmental effects. Both aspects were linked to determine the toxic potential of the NPs. In chapter 1, I compared the effects of silver nanoparticles (Ag-NPs) on intact and regenerating planarians. In addition, the effect of nanoparticle coating was assessed. Ag-NPs were taken up into planarian tissue and epidermal cells. The strongest effects were observed in regenerating animals, where NPs interfered with stem cell dynamics and (neuro)regeneration, while no effects were observed in intact organisms. Ag-NP coating influenced variation in subcellular effects such as the severity of DNA damage and it changed the particle characteristics changed during exposure, preventing the formation of agglomerates and subsequent sedimentation. In chapter 2, the responses of Schmidtea mediterranea to titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs) were studied. TiO2 particles were observed in both epidermis and gut, from where they entered the planarian tissue. Planarians exposed to TiO2-NPs showed damage at the dorsal epidermis and respond with an increased mucus production. In addition, TiO2-NPs exposure delayed neuroregeneration of the anterior commissure, which was probably caused by a decline in stem cell proliferation. In chapter 3, I studied the influence of particle size and exposure route, using polystyrene (PS) particles. All three PS micro- and nanoplastics (MNPCs) were taken up through the epidermis and intestinal epithelium. The effects on stem cell dynamics varied in function of exposure concentration. Whereas lower concentrations mostly interfered with stem cell migration and differentiation, higher exposure concentrations negatively affected tissue regeneration and proliferation. Finally, in chapter 4, preliminary results of the silica nanoparticles (SiO2-NPs) study are presented. Both synthetic and synthesised SiO2-NPs with various particle sizes were used, to study effects on regeneration and particle uptake. SiO2-NPs mainly induced size-dependent skin irritation in planarians, expressed by an increased mucus production. Further research must perform further hazard identification to understand the risks of organismal exposure to SiO2-NPs. In summary, the data presented in this thesis show that Ag-NPs, TiO2-NPs, polystyrene particles and SiO2-NPs induce various effects in planarians. This indicates that the toxic potential of nanoparticles depends mostly on the chemical composition of the NPs, where alterations in NP coating, size and concentration induced different pathways. NPs clearly interfere with the regenerative potential of planarians, indicating higher risks of NP exposure for developing tissues and organisms. Finally, their agglomeration state and stability in the exposure medium appears to be an important factor regarding their availability for uptake and tissue distribution. This underlines the importance of NP characterisation, in order to compare results between studies.

Nanomaterialen worden overal in ons dagelijks leven gebruikt en worden omschreven als materialen die bestaan uit deeltjes waarvan minimaal 50% een diameter heeft tussen de 1 en 100 nanometer. Wanneer de grootte van een partikel afneemt, verhoogt het aantal atomen dat zich aan het oppervlak bevindt. Dit leidt tot een verhoogde chemische reactiviteit en dus ook efficiëntie van het materiaal, wat het gebruik in allerlei toepassingen veelbelovend maakt. Een nadeel is dat deze verhoogde reactiviteit en efficiëntie het een partikel ook toxischer kan maken. In deze thesis ga ik in op dit probleem met behulp van een aquatisch modelorganisme. Platwormen hebben een belangrijke rol in zoetwater ecosystemen en zijn belangrijke bio-indicatoren voor de bentische zones (op de bodem). Schmidtea mediterranea is een platworm met een enorme regeneratie capaciteit. Door de grote hoeveelheid stamcellen in zijn lichaam, kan dit dier elke wonde of weefselamputatie herstellen, inclusief zijn volledig zenuwstelsel. Dit maakt het een ideaal modelorganisme om de effecten van nanopartikels (NPs) op de ontwikkeling en stamcellen in vivo te bestuderen. Bovendien kan het dier volledig of in secties te bestudeerd worden, wat mogelijkheden biedt voor het bestuderen van de NP opname in hun weefsel. Het doel van dit doctoraat was om bij te dragen aan de huidige kennis rond de toxiciteit van vier alomtegenwoordige nanodeeltjes: zilver, titaniumdioxide en silica NPs en nanoplastics. Enerzijds bestudeerde ik de opname van deze partikels, en anderzijds onderzocht ik eventuele veranderingen in de regeneratiecapaciteit van platwormen als reactie op blootstelling aan NPs. Beide aspecten werden gelinkt om de toxiciteit van de NPs te bepalen. In hoofdstuk 1 werden de effecten van zilver nanodeeltjes (Ag-NPs) op adulte en regenererende platwormen vergeleken. Hiernaast werd ook het mogelijke effect van een partikel coating bestudeerd. De coating van Ag-NPs had invloed op enkele subcellulaire effecten zoals de ernst van de DNA-schade, en ook veranderde het de eigenschappen van het partikel, waardoor de vorming van agglomeraten en bijgevolg sedimentatie vermeden werd. Ondanks dat Ag-NPs werden opgenomen in het weefsel van zowel regenererende als adulte platwormen, was er vooral effect op de ontwikkelende dieren, waar de stamceldynamiek en (neuro)regeneratie werd verstoord. In hoofdstuk 2 bestudeerde ik de reactie van Schmidtea mediterranea op blootstelling aan titaniumdioxide nanopartikels (TiO2-NPs). TiO2-NPs werden zowel op de epidermis als in de darm waargenomen, vanwaar partikels verder werden opgenomen in het weefsel. De partikels op de epidermis veroorzaakten een verhoogde slijmproductie en schade aan de dorsale epidermis van de platwormen. Opgenomen partikels beïnvloedden de stamceldeling, wat leidde tot een verstoorde regeneratie van het zenuwstelsel. In hoofdstuk 3 onderzocht ik de invloed van partikel grootte en blootstellingsroute m.b.v. polystyreen (PS) partikels. Alle drie PS micro- en nanoplastics (PS-MNPCs) werden opgenomen door de epidermis en het darmepitheel. De effecten op de stamceldynamiek waren afhankelijk van de gebruikte concentratie. Lagere concentraties aan PS-NPCs hadden invloed op stamcelmigratie en ontwikkeling, terwijl hogere concentraties de weefselregeneratie en stamcelproliferatie negatief beïnvloedden. Tot slot worden in hoofdstuk 4 de voorlopige resultaten getoond van de experimenten met silica nanopartikels (SiO2-NPs). Hiervoor werden zowel aangekochte als eigen gesynthetiseerde fluorescente SiO2-NPs met verschillende groottes gebruikt. Blootstelling aan SiO2-NPs veroorzaakte vooral huidirritatie, waarop de platwormen reageerden met een verhoogde slijmproductie. Verder onderzoek moet de gevaren van SiO2-NPs verder aantonen, voordat we de eventuele risico’s van blootstelling aan SiO2-NPs kunnen begrijpen. Samengevat tonen de data in deze thesis dat Ag-NPs, TiO2-NPs, polystyreen partikels en SiO2-NPs verschillende effecten veroorzaken in platwormen. Dit betekent dat hun toxiciteit vooral afhangt van het NP-materiaal, waarbij de schadelijke effecten zich anders manifesteren na een verandering in coating, concentratie of grootte van het partikel. Ook toont de verstoorde regeneratie dat NPs voor ontwikkelende organismen een groter risico vormen, in vergelijking met volgroeide organismen, wat het belang aantoont van een gescheiden risicoanalyse. Tot slot, de agglomeratie en stabiliteit van de partikels in het blootstellingsmedium lijken een belangrijke factor te zijn in hun opname en verspreiding in de weefsels. Dit toont het belang van een goede partikelkarakterisatie, om verschillende studies met elkaar te kunnen vergelijken.