In vivo toxiciteitsbeoordeling van gebiosynthetiseerde koper- en zinkoxide-nanodeeltjes toegediend via intraperitoneale en intraveneuze routes in ratten

Samenvatting

Koper (Cu) en zinkoxide (ZnO) nanodeeltjes (NPs) worden breed toegepast als antimicrobiële middelen in cosmetica, voedingsadditieven en geneeskunde. Hun potentiële toxiciteit voor mens en ecosysteem blijft echter een kritieke zorg. Deze studie onderzocht het in-vivo lot en veiligheidsprofiel van gebiosynthetiseerde CuNPs (Bio-CuNPs) en ZnONPs (Bio-ZnONPs) in mannelijke Wistar-ratten, toegediend via intraperitoneaal (i.p.) of intraveneuze (i.v.) routes. Doses varieerden van 6,1–19,82 µg kg⁻¹ voor Bio-CuNPs en 11,14–30,3 µg kg⁻¹ voor Bio-ZnONPs, wat concentraties weerspiegelt die in antibacteriële studies gebruikt worden. Over 28 dagen monitoren we sterfte, lichaamsgewicht, gedrag, hematologie, serum-biochemie (creatinine, ALT, AST, ALP), orgaangewichten en histopathologie van lever, nieren, milt en hersenen. Geen doden in beide groepen. Bio-ZnONPs, ongeacht de route, veranderden lever- of nierbiomarkers niet, en lichaamsgewichtsveranderingen waren minimaal. In tegenstelling tot Bio-CuNPs bij 9,5–11,7 µg kg⁻¹ (i.v.) produceerden milde tot matige verhogingen in serum ALT, AST en ALP die tot dag 28 aanhielden, vergezeld door verlaagde milt- en leverindices en histologische bewijzen van hepatische vacuolisatie en niertubulaire schade. De i.p.-route verzachte deze effecten. Over het algemeen vertoonden Bio-ZnONPs een gunstiger veiligheidsprofiel, wat hun potentiële geschiktheid voor intraveneuze biomedische toepassingen suggereert.

Achtergrond

Koper en zink zijn essentiële sporelementen, doch overmatige blootstelling aan hun nanodeeltjesvormen kan hemolyse, gastro-intestinale irritatie en orgaan-toxiciteit activeren. Met de snelle expansie van metaal-gebaseerde nanodeeltjes in consumenten- en medische producten is het begrijpen van hun biologische interacties en potentiële gevaren van vitaal belang geworden. Eerdere in-vivo studies hebben intranasale, intratracheale en orale blootstelling aan CuNPs en ZnONPs onderzocht, maar data over systemische routes—intraveneus (i.v.) en intraperitoneaal (i.p.)—blijven schaars. Dit werk vult die leemte door de toxicokinetiek en orgaan-niveau effecten van 16–96 nm gebiosynthetiseerde CuNPs en ZnONPs in mannelijke Wistar-ratten te evalueren, met dosisbereiken afgestemd op antibacteriële effectiviteitsstudies.

Methoden

Biosynthese

CuNPs en ZnONPs werden extracellulair geproduceerd met niet-pathogene Enterococcus faecalis supernatant, wat sferische deeltjes van 12–90 nm voor CuNPs en 16–96 nm voor ZnONPs opleverde (FeSEM en TEM bevestiging).

Dierstudie-ontwerp

16- tot 17-wekelijke mannelijke Wistar-ratten (160–200 g) werden geacclimatiseerd gedurende één week voor dosering. Ratten werden willekeurig toegewezen aan zes groepen per route (i.p. en i.v.), elk met zes dieren. Doses werden bereid in steriel water (50 mg mL⁻¹ stock) en gedilueerd tot finale concentraties van 6,1–19,82 µg kg⁻¹ (CuNPs) en 11,14–30,3 µg kg⁻¹ (ZnONPs). Controlegroepen ontvingen gedestilleerd water. Alle procedures volgden Good Laboratory Practice en werden goedgekeurd door de institutionele Dierethische Commissie (Goedkeuring nr. 346/CPCSEA).

Observaties

Klinische tekenen werden dagelijks vastgelegd; voedsel- en waterinname, lichaamsgewicht en gedrag werden elke twee dagen gemonitord. Hematologie (RBC, WBC, hemoglobine, trombocyten) en serum-biochemie (creatinine, ALT, AST, ALP) werden gemeten op dagen 14 en 28. Orgaangewichten werden post-mortem verkregen, en orgaanindices berekend als: O_X = (orgaan-gewicht/dier-gewicht) / (controle-orgaan-gewicht/controle-dier-gewicht). Histologische coupes van lever, nieren, milt en hersenen werden gekleurd met H&E en microscopisch onderzocht.

Statistische analyse

Data worden uitgedrukt als gemiddelde ± SD (N = 6 per groep). Statistische significantie werd beoordeeld via ANOVA met post-hoc toetsen; p < 0,05 werd als significant beschouwd.

Resultaten en Discussie

Lichaamsgewicht en klinische observaties

Alle ratten overleefden de 28-daagse periode. Lichaamsgewichtsreducties were bescheiden (<5 %) en tijdelijk voor beide nanodeeltjestypes. Bio-ZnONPs produceerden de kleinste gewichtsveranderingen, terwijl Bio-CuNPs bij de hoogste i.v.-dosis (11,7 µg kg⁻¹) een statistisch significante daling vertoonden op dag 28 (p < 0,05).

Hematologie

Dag 14 hematologie onthulde lichte, niet-significante dalingen in RBC, WBC en trombocytaantallen voor Bio-CuNPs (i.v.) bij IC₅₀ en TLC. Op dag 28 keerden hematologische parameters terug naar basislijn, wat duidt op geen persistente hematopoïetische toxiciteit. Bio-ZnONPs veranderden geen hematologische indices bij enige dosis of route.

Serum-biochemie

Creatinine-niveaus bleven binnen normale grenzen voor alle groepen. Bio-CuNPs (i.v.) veroorzaakten bescheidene verhogingen in ALT (tot 67,7 mg dL⁻¹), AST (70 IU L⁻¹) en ALP (128 IU L⁻¹) die tot dag 28 aanhielden, wat hepatocellulaire en cholestatische schade reflecteert. In tegenstelling tot Bio-ZnONPs (zowel i.v. als i.p.) veranderden ALT, AST of ALP niet significant bij enige dosis. De i.p.-route verzachte de leverenzymverhogingen voor Bio-CuNPs, wat routafhankelijke toxiciteit benadrukt.

Orgaanindices en histopathologie

Orgaanindices voor lever en milt waren significant verlaagd in Bio-CuNPs (i.v.) bij IC₅₀ en TLC (p < 0,05), terwijl Bio-ZnONPs geen detecteerbare veranderingen produceerden. Histologie bevestigde deze bevindingen: Bio-CuNPs (i.v.) induceerden hepatische cytoplasmatische vacuolisatie, centrale vene congestie en niertubulaire necrose, terwijl Bio-ZnONPs normale architectuur behielden. Miltcoupes van Bio-CuNPs (i.v.) vertoonden verminderde rode pulpcellulariteit, terwijl miltstructuur intact bleef na Bio-ZnONPs blootstelling.

Route-afhankelijke toxiciteit

Intraveneuze toediening induceerde consequent grotere biochemische en histologische veranderingen voor Bio-CuNPs vergeleken met intraperitoneale toediening. Bio-ZnONPs waren goed verdraagzaam via beide routes, met alleen kleine, reversibele gewichtsveranderingen en geen orgaanschade.

Conclusie

Deze uitgebreide in-vivo beoordeling toont aan dat gebiosynthetiseerde ZnONPs een superieur veiligheidsprofiel vertonen ten opzichte van CuNPs bij systemische toediening aan ratten. Terwijl CuNPs dosis-afhankelijke hepatotoxiciteit en nierschade induceerden—vooral via de i.v.-route—veroorzaakten ZnONPs verwaarloosbare nadelige effecten bij vergelijkbare concentraties. Deze resultaten ondersteunen verdere verkenning van intraveneuze ZnONPs voor biomedische toepassingen, met CuNPs die zorgvuldige dosis- en route-optimalisatie vereisen om orgaantoxiciteit te mitigeren.

Afkortingen

ALT

Alanine aminotransferase

AST

Aspartate aminotransferase

ALP

Alkalische fosfatase

Bio‑CuNPs

Biogene koper-nanodeeltjes

Bio‑ZnONPs

Biogene zinkoxide-nanodeeltjes

IC₅₀

Inhibitorische concentratie 50%

NOAEC

Geen observeerbare nadelige effectconcentratie

TLC

Totale letale concentratie

i/p

Intraperitoneale route

i/v

Intraveneuze route