A multidisciplinary and functional approach to neurotoxicity: the case of Quantum Dots

I cosiddetti nanomateriali stanno acquistando un grande interesse nel campo delle scienze biomediche grazie alle innumerevoli possibili applicazioni che vanno dalla diagnostica alle applicazioni terapeutiche. Ciononostante, il loro utilizzo a scopo diagnostico è grandemente limitato dalla necessità di valutare esaustivamente la loro biocompatibilità e sicurezza. Tra le nanoparticelle utilizzate per applicazioni biomediche i Quantum Dots (QDs) richiamano particolare interesse grazie alle loro proprietà come nanocristalli semiconduttori fluorescenti, che li rendono un promettente strumento per l'imaging in vivo, in vitro ed ex vivo. Il lavoro descritto nella presente tesi è focalizzato sulla caratterizzazione funzionale della presenza nell'organismo di QTracker® 800 in un modello murino. Abbiamo recentemente osservato come i QDs tendano non solo ad accumularsi nei tessuti, ma anche a superare la barriera ematoencefalica e rimanere dunque nei vari organi (incluso il cervello) per almeno 3 settimane. Il nostro obbiettivo è quello di esaminare il pattern di distribuzione dei QDs e la loro persistenza nei tessuti nel tempo, investigando inoltre l'eventuale risposta infiammatoria. Inoltre, siamo interessati a valutare il comportamento e i parametri elettrofisiologici (EEG) in modo da identificare possibili effetti secondari della presenza di tali nanoparticelle sul sistema nervoso centrale. Infine, ci siamo chiesti se i QDs fossero in grado di indurre alterazioni nell'eccitabilità neurale in condizioni fisiologiche e patologiche. I nostri dati indicano che dopo 3 settimane da una singola iniezione, i QDs permangono in circolazione nel sangue. Inoltre sono emerse alterazioni nella concentrazione di alcune citochine nel fegato e nell'ippocampo di animali trattati con QDs. Non sono state identificate alterazioni nel comportamento e nei ritmi EEG. Tuttavia, i QDs sembrano esacerbare l'effetto di processi infiammatori già presenti nell'organismo e l'azione di agenti proconvulsivanti. Per concludere i dati presentati in questa tesi suggeriscono che i QDs sono in grado di innescare una risposta infiammatoria a livello sistemico, anche a causa del loro accumularsi nei tessuti, e influenzare quindi l'eccitabilità neurale. I nostri dati suggeriscono inoltre che i convenzionali test comunemente utilizzati in tossicologia per gli studi in vivo, potrebbero non essere sufficienti per evidenziare le possibili alterazioni funzionali, che coinvolgono anche il cervello, causate dai QDs.

Nanosized materials are gaining a large interest in biomedical sciences for the wide range of possible applications, from diagnostic to therapeutic purposes. However, the assessment of biocompatibility and biosafety of nanoparticles (NPs) is a critical issue for further applications as diagnostic and imaging tools on humans. Among the NPs used for biomedical applications Quantum Dots (QDs) are of particular interest because of their properties as fluorescent semiconductor nanocrystals, which make them a promising tool for in vivo, in vitro and ex vivo imaging. The study described in this thesis focuses on long-term functional characterization of persistence in the organism of a single dose of non-modified QTracker® 800 QDs in a murine model. We recently reported that QDs accumulate in tissues and cross the BBB, remaining in the organs, including the brain for at least 3 weeks. Our purpose is to investigate persistence of QDs in the tissues and distribution pattern over time, along with possible pro-inflammatory effects of these NPs. Moreover, we were interesting in evaluating behavioural and electrophysiological parameters in order to identify possible secondary effects on the central nervous system (CNS). Lastly, we asked whether QDs were able to induce alterations in neuronal excitability in physiological and pathological conditions. Our data indicate that, 3 weeks after a single intravenous injection, QDs are still circulating in the bloodstream. Moreover, alterations in pro-inflammatory cytokines were found, in the liver and hippocampus. No alterations in behaviour and in the electroenphalographic rhythms of the QDs treated animals were identified. However, QDs seems to exacerbate the effect of unrelated inflammatory conditions and pro-convulsive agents in the brain. To conclude, the data presented in this thesis suggest that due to long term accumulation QDs may induce systemic inflammation, influencing neuronal excitability. Moreover, the results suggest that conventional in vivo tests used as first screening tools in toxicology, may not be enough to highlight NPs possible functional alterations involving the brain.