Abstract. Due to their novel physicochemical properties, nanoparticles (NPs) have gained a prominent position in a wide variety of industrial applications, and have sparked particular interest as novel mechanisms for enhanced pulmonary drug delivery. As the lungs represent an excellent entry portal for aerosolized NPs due to their high surface area, thin epithelial barriers and extensive vasculature, the ability of NPs to translocate into the systemic circulation may be promising for numerous medical purposes. However, nanomedicine and nanotoxicology currently lack precise information about the actual deposited dose after NP inhalation, their fate in the human body and their ability to generate oxidative stress. The aim of this thesis was to better understand the fate of inhaled NPs and their oxidative stress effects in healthy, non-smoking volunteers by implementing a controlled human inhalation study.
Phase one of this thesis focused on medical NPs, in which a novel human exposure system to inhaled NPs was developed and validated, and a review of potential NPs for application in the study was conducted. A superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPION)-based medicine (tradename: Rienso) was selected and characterized. We found that aerosolized Rienso particle concentration increased linearly with increasing suspension concentration, and the aerodynamic diameter remained stable at around 75 nm. Following preliminary approval of our clinical trial application, Rienso was suddenly withdrawn from the Swiss market, forcing the unforeseen end of phase one. Nevertheless, data obtained in this phase marked the first known independent characterization of aerosolized Rienso and provided critical knowledge for the use of SPIONs in controlled human inhalation studies, as well as for pulmonary drug delivery applications.
Phase two of this study focused on unintentionally produced NPs, specifically Tungsten Inert Gas (TIG) welding fume NPs. The controlled human inhalation was conducted with healthy, non-smoking male welding apprentices (N=20), exposed to TIG welding fume for 60-minutes in a controlled and well-ventilated exposure cabin. Exhaled breath condensate (EBC), blood and urine were collected before exposure, immediately after exposure, 1hr and 3hrs post exposure. Volunteers participated in a control day to account for oxidative stress fluctuations due to circadian rhythm. Biological liquids were assessed for total reducing capacity, hydrogen peroxide (H2O2), malondialdehyde (MDA), and 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG) concentrations at each time point. A preliminary investigation of NP content within biological samples was conducted and NP deposition was modelled to better understand inhaled dose. Our results showed a 24% increase in plasma-H2O2 concentrations (p= 0.01); a 91% increase in urinary-H2O2 concentrations (p= 0.04); a 14% increase in plasma-8-OHdG concentrations (p= 0.049); and a 45% increase in urinary-8-OHdG concentrations (p= 0.03) at 3hrs post exposure. We showed that doubling particle number concentration (PNC) exposure would induce a 22% increase of plasma-8-OHdG concentrations at 3 hrs post exposure (p=0.01). Preliminary data of Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) analysis show promising results for assessing the inhaled NP distribution in systemic circulation and urine.
Findings from this phase are the first to show that even short-term exposures to TIG welding fume may result in acute oxidative stress reactions in healthy, non-smoking individuals. Considering our controlled and well-ventilated experimental setting, given the realities of welding workplaces that may lack appropriate ventilation, and beliefs among welders that TIG welding represents a cleaner and safer welding process, it is recommended that the awareness concerning the potential toxicity of TIG welding fumes is increased among welding populations. Our finding of an exposure dose-response association between PNC and plasma-8-OHdG concentrations provides evidence of the reactivity of inhaled TIG welding fume NPs and their propensity for inducing acute oxidative stress effects in human circulation. As TIG welding fumes generate negligible mass, we recommend that occupational exposure assessments take into consideration additional metrics, such as PNC. These findings may provide guidance for regulatory policies that aim to better protect the health of workers exposed to TIG welding fumes in Switzerland and worldwide.
Résumé. Le développement des nanoparticules (NPs) (particules ayant une dimension < 100 nm) manufacturées représente un marché qui devient très important tant du point de vue économique que des possibilités techniques qu'elles peuvent favoriser. La production des NPs suscite beaucoup d'intérêt pour de nouvelles applications thérapeutiques, en particulier pour l'administration de médicaments pulmonaires. Le poumon représente l'organe principal d'entrée dans le corps pour toute une gamme de composés gazeux ou particulaires. Sa surface étendue et la faible épaisseur des parois alvéolaires permettent un transfert élevé (translocation) de ces composés dans la circulation systémique (sang). En effet, leur capacité de translocation (due à leur très petite taille) ainsi que leur réactivité élevée (due à leur grande surface spécifique) peuvent induire des effets biologiques. L'évaluation de l'exposition à ces particules ainsi que leurs effets biologiques possibles sont donc nécessaires pour permettre une estimation des risques posés par les nanoparticules. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre le devenir et l'effet biologique des NPs inhalées chez des volontaires humains.
La première partie de cette thèse porte sur les NPs médicales, sur lesquelles un système d'exposition a été développé et validé, tandis qu'une revue de littérature pour déterminer les NPs potentiellement utilisables pour cette étude a été réalisée. Nous avons sélectionné et caractérisé des SPIONs médicaux (nom commercial: Rienso) pour être utilisées dans l'étude. Nos résultats ont montré que la concentration de particules de Rienso en aérosol augmente linéairement avec l'augmentation de concentration de la suspension, et le diamètre aérodynamique est resté stable à environ 75 nm. Suite à l'approbation préliminaire de notre application d'essai clinique, SwissMedic à retiré Rienso du marché suisse, forçant la fin imprévue de la première phase. Néanmoins, les données obtenues représente la première caractérisation indépendante de Rienso aérosolisés et fournit des connaissances essentielles quant aux applications de suspensions de SPIONs pour les études d'inhalation, ainsi que pour des applications thérapeutiques potentielles.
La deuxième partie de cette thèse se concentre sur les NPs dans les fumées de soudage TIG (Tungsten Inert Gas). L'étude d'inhalation contrôlée a été menée avec des apprentis soudeurs, tous sains, non-fumeurs (n = 20), et pas exposés de façon chronique à la fumée de soudage. Le condensat d'air expiré, le sang et l'urine ont été recueillis avant l'exposition, immédiatement après l'exposition, 1h puis 3h après l'exposition. Les apprentis ont participé à une journée de contrôle pour tenir compte des fluctuations du stress oxydatif en raison du rythme circadien. La concentration des liquides biologiques en peroxyde d'hydrogène (H2O2), malondialdéhyde (MDA), et 8-hydroxy-2'-désoxyguanosine (8-OHdG) ainsi que leur capacité réductrice totale ont été testées à chaque pas de temps. L'évaluation de l'exposition a été réalisée séparément pour chaque apprenti, et les variables d'exposition ont été adaptées à l'évolution du stress oxydatif. Une enquête préliminaire de la mesure des NPs dans les échantillons biologiques a été réalisée et le dépôt dans les poumons des NPs a été modélisé pour mieux comprendre la dose inhalée. Nos résultats ont montré une augmentation de 24% des concentrations plasmatiques-H2O2 (p=0,01); une augmentation de 91% des concentrations urinaires-H2O2 (p=0,04); une augmentation de 14% des concentrations plasmatiques-8-OHdG (p =0,049); et une augmentation de 45% des concentrations-8-OHdG urinaires (p = 0,03), 3 heures après l'exposition. Nous avons montré que le doublement du nombre de particules induisait une augmentation de 22% de la concentration plasmatique-8-OHdG 3 heures après l'exposition (p=0,01). Les résultats préliminaires de l'analyse des ICPMS (Inductively coupled plasma mass spectrometry) montrent des résultats prometteurs pour la compréhension de la biocinétique de la distribution des NPs inhalées à travers la circulation systémique.
Les résultats sont les premiers à montrer que les expositions à court terme aux fumées de soudage peuvent entraîner des réactions aiguës de stress oxydatif chez les individus sains, non-fumeurs et pas chroniquement exposés aux fumées de soudage. Considérant que la chambre expérimentale avait été bien ventilée, contrairement à une situation de soudage réelle qui peut ne pas présenter une ventilation appropriée et des croyances chez les soudeurs que le TIG représente un soudage plus propre et plus sûr, il est recommandé que la prise de conscience concernant la toxicité potentielle des fumées de TIG soit augmentée chez les populations de soudeur et dans les centres de formation de soudeurs. Nos résultats montrent une corrélation significative entre la concentration de particules et les effets du stress oxydatif, contrairement à une faible corrélation pour la masse gravimétrique. Ainsi, ils fournissent des preuves pour l'application de la mesure de la concentration de particules dans les évaluations de risques professionnels des milieux de la soudure au TIG. Ces résultats fournissent des orientations pour les politiques réglementaires qui visent à mieux protéger la santé des travailleurs exposés aux fumées de soudage TIG en Suisse et dans le monde.