Analyse der Effekte von Mikroplastikpartikeln auf zellulärer Ebene

Titelangaben

Jasinski, Julia:
Analyse der Effekte von Mikroplastikpartikeln auf zellulärer Ebene.
Bayreuth , 2024 . - 202 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007441

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Abstract

Plastik ist aus unserer heutigen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Ob elektronische Technik, Autoreifen, Kleidung oder Verpackungsmaterial, überall sind Kunststoffe enthalten. Dabei ist seit einigen Jahrzehnten nicht nur das Problem der Umweltverschmutzung mit Makroplastik, sondern auch Mikroplastik bekannt. Mikroplastik kann dabei aus Abrieb oder Bewitterung durch Umwelteinflüsse von größeren Plastikfragmenten entstehen. Über die Nahrung oder die Atemluft können Mikroplastikpartikel in den Organismus gelangen. Verschiedene Studien zeigten bereits eine Akkumulation von Mikroplastikpartikeln in diversen Organen, wobei nach wie vor nicht klar ist, wie lange Polymerpartikel im Körper verbleiben, unter welchen Voraussetzungen sie wieder ausgeschieden werden können und welche Effekte sie im Organismus hervorrufen. Da Mikroplastik sehr komplex ist, konnten die Auswirkungen noch nicht vollständig erfasst werden. Es ist bekannt, dass eine Aufnahme und daraus resultierende Effekte von der Form (Sphären vs. Fasern vs. Fragmente), der Zusammensetzung (reines Polymer vs. dem Vorhandensein von Additiven), oder auch dem Vorhandensein einer Eco-Corona abhängig sein können. Insbesondere Bakterien, organische Materialien, oder auch Umweltgifte können an der Mikroplastikoberfläche adsorbieren und somit in den Organismus gelangen, wo sie unterschiedliche, bis heute nicht geklärte Effekte auslösen können.
Um die Auswirkungen von Mikroplastik abbilden zu können, sind derzeit noch Modelle notwendig. Dafür wurden in der vorliegenden Arbeit sphärische Polymerpartikel und murine Zelllinien verwendet. In diesem Zusammenhang wurden Modellpartikel, namentlich Celluloseacetat (CA) und fluoreszierende Polystyrol (PS) selbst hergestellt, andere zugekauft.
In einer ersten Studie wurden die Interaktionen von murinen Makrophagen (J774A.1, ImKC) und Epithelzellen (STC-1, BNL CL.2) mit gut charakterisierten PS Partikeln unterschiedlicher Größe (0,2- 6,0 µm) untersucht. Es wurde erwartet, dass Makrophagen die Partikel aktiv aufnehmen, was in dieser Studie bestätigt werden konnte. Epithelzellen beider untersuchter Zelllinien nahmen Mikropartikel nicht in signifikanter Zahl auf. Anzeichen für zellulären Stress sowie Auswirkungen auf die Zellproliferation wurden bei Zellpopulationen mit hoher Partikel-Zellinteraktion beobachtet.
In einer zweiten Studie lag der Fokus auf der Ausbildung einer Protein-Corona unter definierten Laborbedingungen an PS Partikeln, um den Einfluss dieser auf Partikel-Zellinteraktionen und die Aufnahme in zwei Epithelzelllinien zu untersuchen. Um die Bildung einer Protein-Corona zu steuern, wurden die Partikel mit Modellproteinen vorbeschichtet und anschließend in serumhaltigem Zellmedium inkubiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Partikelhistorie einen signifikanten Einfluss auf die Zusammensetzung der Protein-Corona und damit auf die Interaktion der Partikel mit Zellen hat.
In einer dritten Studie wurden die Oberflächeneigenschaften und die chemische Zusammensetzung von zwei handelsüblichen, nominell identischen PS Mikropartikeln, die häufig in Effektstudien verwendet werden, charakterisiert. Es ließen sich deutliche Unterschiede im Monomergehalt, dem Zeta-Potential und der Oberflächenladungsdichten identifizieren. Zellen, die Partikeln ausgesetzt waren, die ein stärker ausgeprägtes Zeta-Potenzial und einen höheren Monomergehalt aufwiesen, zeigten eine höhere Partikelinteraktion und daraus folgend einen Rückgang des Zellstoffwechsels und der Proliferation, insbesondere bei höheren Partikelkonzentrationen.
In einer vierten Studie wurden Mikropartikel aus konventionellen Polymeren wie PS, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und biologisch basierten Polymeren wie Polymilchsäure (PLA) und CA verwendet, um die Aufnahme verschiedener Polymerpartikel und deren zellulären Effekte auf Makrophagen und Epithelzellen zu analysieren. Die Mikropartikel wiesen eine geringe Differenz im Durchmesser auf, was einen Vergleich der zellulären Wirkungen in Abhängigkeit vom Polymertyp ermöglicht. Trotz der unterschiedlichen Partikeleigenschaften wurde die Aufnahme von Polymerpartikeln durch Makrophagen beobachtet, während Epithelzellen nur PS Partikel aufnahmen. Dabei spielte insbesondere für Makrophagen das Zeta-Potential der Mikropartikel und die daraus resultierende Zusammensetzung der Protein-Corona eine entscheidende Rolle für die Aufnahme.
In einer fünften Studie lag der Fokus auf der Verteilung von PS Partikeln während der Zellteilung in murinen Makrophagen und der Analyse der Exkretion der Partikel. Die Verteilung während der Zellteilung scheint zufällig zu sein und es wurde keine aktive Exkretion von Partikeln beobachtet. Um den intrazellulären Verbleib der Partikel zu analysieren wurden bestimmte Organelle auf eine Ko-Lokalisation untersucht. Während alle Partikel, unabhängig von ihrer Größe, eine Ko-Lokalisation mit dem Zytoplasma zeigten, wurden kleinere Partikel in Verbindung mit Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum gefunden.
In einer letzten Teilarbeit sollten Leberzellsphäroide angezüchtet, sowie deren Interaktion mit PS Partikeln untersucht werden. Hierbei sollten zusätzlich neue PS Partikel für die Verwendung in verschiedenen Zellkulturmodellen etabliert werden. Bezüglich der Oberflächeneigenschaften und der Partikel-Zellinteraktion wurden Unterschiede zu den kommerziell erwerbbaren Partikeln festgestellt. Dabei zeigte sich auch eine Translokation der Mikropartikel in den Sphäroiden, was die Notwendigkeit der Verwendung von 3D Zellmodellen in der Mikroplastikforschung unterstreicht.

Abstract in weiterer Sprache

It is impossible to imagine today's society without plastic. Whether electronic technology, car tyres, clothing or packaging material, plastics are everywhere. For several decades, not only the problem of environmental pollution with macroplastics but also microplastics has been known. Microplastics can result from larger plastic fragments by abrasion or weathering due to environmental influences. Microplastic particles can enter the organism through food or the air we breathe. Various studies have shown an accumulation of microplastic particles in various organs, although it is still not clear how long polymer particles remain in the body, under what conditions they can be excreted again, and what effects they cause in the organism. Since microplastics are very complex, it has not yet been possible to fully assess their effects. It is known that uptake and effects can depend on the shape (spheres vs. fibers vs. fragments), the composition (pure polymer vs. the presence of additives), or even the presence of an eco-corona. In particular, bacteria, organic materials, or environmental toxins can adsorb on the microplastic surface and thus enter the organism, where they can trigger various effects that have not yet been clarified.
To be able to depict the effects of microplastics, models are currently still necessary. For this purpose, spherical polymer particles and murine cell lines were used in the present thesis. Some model particles, namely cellulose acetate (CA) and fluorescent polystyrene (PS) were directly produced, others purchased.
In a first study, the interactions of murine macrophages (J774A.1, ImKC) and epithelial cells (STC-1, BNL CL.2) with well-characterized PS particles of different sizes (0.2- 6.0 µm) were investigated. Macrophages were expected to actively engulf the particles, which was confirmed in this study. Epithelial cells of both investigated cell lines did not take up microparticles in significant numbers. Indications of cellular stress as well as effects on cell proliferation were observed in cell populations with high particle-cell interaction.
In a second study, the focus was on the formation of a protein corona under defined laboratory conditions on PS particles to investigate its influence on particle-cell interactions and uptake in two epithelial cell lines. To control the formation of a protein corona, the particles were pre-coated with model proteins and then incubated in a serum-containing cell medium. It was shown that particle history has a significant influence on the composition of the protein corona and thus on the interaction of the particles with cells.
In a third study, the surface properties and chemical composition of two commercially available, nominally identical PS microparticles, which are frequently used in effect studies, were characterized. Significant differences in monomer content, zeta-potential, and surface charge density could be identified. Cells exposed to particles that had a more pronounced zeta-potential and higher monomer content showed higher particle interactions and consequent decrease in cell metabolism and proliferation, especially at higher particle concentrations.
In a fourth study, microparticles of conventional polymers such as PS, polyethylene (PE), poly(vinyl chloride) (PVC), and biologically based polymers such as poly(lactic acid) (PLA) and CA were used to analyze the uptake of different polymer particles and their cellular effects on macrophages and epithelial cells. The microparticles have a narrow size range, which allows a comparison of cellular effects depending on the polymer type. Despite the different particle properties, the uptake of polymer particles by macrophages was observed, whereas epithelial cells only took up PS particles. Especially for macrophages, the zeta-potential and the resulting protein corona composition of the microparticles played a decisive role in the uptake.
In a fifth study, the focus was on the distribution of PS particles during cell division in murine macrophages and the analysis of the excretion of the particles. The distribution during cell division appears to be random, and no active excretion of particles was observed. To analyze the intracellular fate of the particles, specific organelles were examined regarding co-localization. While all particles, regardless of size, showed co-localization with the cytoplasm, smaller particles were found associated with endosomes and the endoplasmic reticulum.
In a sixth project, liver cell spheroids were grown and the interaction with PS particles was investigated. In addition, new PS particles should be developed for use in various cell culture models. With regard to surface properties and particle-cell interactions, differences were found compared to commercially available particles. A translocation of the microparticles in the spheroids was observed, which underlines the necessity of using 3D cell models in microplastic research.