In-vivo-Toxizitätsbewertung von biosynthetisierten Kupfer- und Zinkoxid-Nanopartikeln nach intraperitonealer und intravenöser Verabreichung an Ratten

Zusammenfassung

Kupfer (Cu) und Zinkoxid (ZnO) Nanopartikel (NPs) werden weitläufig als antimikrobielle Mittel in Kosmetika, Lebensmittelzusatzstoffen und Medizin eingesetzt. Ihre potenzielle Toxizität für Mensch und Ökosysteme bleibt jedoch ein kritisches Anliegen. Diese Studie untersuchte das in-vivo-Schicksal und Sicherheitsprofil von biosynthetisierten CuNPs (Bio-CuNPs) und ZnONPs (Bio-ZnONPs) an männlichen Wistar-Ratten, verabreicht entweder intraperitoneale (i.p.) oder intravenös (i.v.). Dosen reichten von 6,1–19,82 µg kg⁻¹ für Bio-CuNPs und 11,14–30,3 µg kg⁻¹ für Bio-ZnONPs, reflektierend Konzentrationen, die in antibakteriellen Studien verwendet werden. Über 28 Tage überwachten wir Mortalität, Körpergewicht, Verhalten, Hämatologie, Serum-Biochemie (Kreatinin, ALT, AST, ALP), Organgewichte und Histopathologie von Leber, Niere, Milz und Gehirn. Es traten keine Todesfälle in keiner Gruppe auf. Bio-ZnONPs, unabhängig vom Verabreichungsweg, veränderten weder Leber- noch Nierenbiomarker, und Körpergewichtsänderungen waren minimal. Im Gegensatz dazu verursachten Bio-CuNPs bei 9,5–11,7 µg kg⁻¹ (i.v.) leichte bis moderate Erhöhungen der Serum-ALT, AST und ALP, die bis Tag 28 persistierten, begleitet von reduzierten Milz- und Leberindizes und histologischen Anzeichen von hepatischer Vakuolisierung und renaler Tubulus-Schädigung. Der i.p.-Weg milderte diese Effekte. Insgesamt zeigten Bio-ZnONPs ein günstigeres Sicherheitsprofil, was ihre potenzielle Eignung für intravenöse biomedizinische Anwendungen nahelegt.

Hintergrund

Kupfer und Zink sind essenzielle Spurenelemente, doch übermäßige Exposition gegenüber ihren nanopartikulären Formen kann Hämolyse, gastrointestinale Reizung und Organtoxizität auslösen. Mit der raschen Expansion metallbasierter Nanopartikel in Verbraucher- und Medizinprodukten ist das Verständnis ihrer biologischen Interaktionen und potenziellen Gefahren von größter Bedeutung. Frühere In-vivo-Studien untersuchten intranasale, intratracheale und orale Exposition gegenüber CuNPs und ZnONPs, aber Daten zu systemischen Verabreichungswegen – intravenös (i.v.) und intraperitoneale (i.p.) – bleiben spärlich. Diese Arbeit schließt diese Lücke, indem sie die Toxikokinetik und Organeffekte von 16–96 nm biosynthetisierten CuNPs und ZnONPs an männlichen Wistar-Ratten bewertet, wobei Dosisbereiche verwendet werden, die auf antibakteriellen Wirksamkeitsstudien basieren.

Methoden

Biosynthese

CuNPs und ZnONPs wurden extrazellulär mit nicht-pathogenem Enterococcus faecalis-Überstand hergestellt, wodurch kugelförmige Partikel von 12–90 nm für CuNPs und 16–96 nm für ZnONPs entstanden (FeSEM- und TEM-Bestätigung).

Tierversuchsdesign

16- bis 17-wöchige männliche Wistar-Ratten (160–200 g) wurden eine Woche akklimatisiert vor der Dosierung. Ratten wurden zufällig sechs Gruppen pro Verabreichungsweg (i.p. und i.v.) zugeteilt, jede mit sechs Tieren. Dosen wurden in sterilen Wasser (50 mg ml⁻¹ Stock) hergestellt und auf Endkonzentrationen von 6,1–19,82 µg kg⁻¹ (CuNPs) und 11,14–30,3 µg kg⁻¹ (ZnONPs) verdünnt. Fahrzeugkontrollen erhielten destilliertes Wasser. Alle Verfahren folgten Good Laboratory Practice und wurden vom institutionellen Tierschutzausschuss genehmigt (Genehmigung Nr. 346/CPCSEA).

Beobachtungen

Klinische Zeichen wurden täglich erfasst; Futter- und Wasseraufnahme, Körpergewicht und Verhalten wurden alle zwei Tage überwacht. Hämatologie (Erythrozyten, Leukozyte, Hämoglobin, Thrombozyten) und Serum-Biochemie (Kreatinin, ALT, AST, ALP) wurden an Tag 14 und 28 gemessen. Organgewichte wurden postmortem ermittelt, und Organindizes berechnet als: O_X = (Organgewicht/Tiergewicht) / (Kontrollorgangewicht/Kontrolltiergewicht). Histologische Schnitte von Leber, Niere, Milz und Gehirn wurden mit H&E gefärbt und mikroskopisch untersucht.

Statistische Analyse

Daten werden als Mittelwert ± SD (N = 6 pro Gruppe) ausgedrückt. Statistische Signifikanz wurde durch ANOVA mit Post-hoc-Tests bewertet; p < 0,05 wurde als signifikant betrachtet.

Ergebnisse und Diskussion

Körpergewicht und klinische Beobachtungen

Alle Ratten überlebten den 28-Tage-Zeitraum. Körpergewichtsreduktionen waren gering (<5 %) und transient für beide Nanopartikelarten. Bio-ZnONPs verursachten die kleinsten Gewichtsänderungen, während Bio-CuNPs bei der höchsten i.v.-Dosis (11,7 µg kg⁻¹) einen statistisch signifikanten Rückgang bis Tag 28 zeigten (p < 0,05).

Hämatologie

Tag-14-Hämatologie zeigte leichte, nicht-signifikante Abnahmen von Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten für Bio-CuNPs (i.v.) bei IC₅₀ und TLC. Bis Tag 28 normalisierten sich hämatologische Parameter, was auf keine persistierende hämatopoetische Toxizität hindeutet. Bio-ZnONPs veränderten keine hämatologischen Indizes bei irgendeiner Dosis oder Verabreichungsweg.

Serum-Biochemie

Kreatinin-Werte blieben für alle Gruppen im Normalbereich. Bio-CuNPs (i.v.) verursachten moderate Erhöhungen von ALT (bis 67,7 mg dl⁻¹), AST (70 U l⁻¹) und ALP (128 U l⁻¹), die bis Tag 28 persistierten und auf hepatocelluläre und cholestatische Schädigung hinweisen. Im Gegensatz dazu veränderten Bio-ZnONPs (sowohl i.v. als auch i.p.) ALT, AST oder ALP bei keiner Dosis signifikant. Der i.p.-Weg milderte die Leberenzym-Erhöhungen bei Bio-CuNPs, was die verlagsabhängige Toxizität unterstreicht.

Organindizes und Histopathologie

Organindizes für Leber und Milz waren bei Bio-CuNPs (i.v.) bei IC₅₀ und TLC signifikant reduziert (p < 0,05), während Bio-ZnONPs keine nachweisbaren Änderungen verursachten. Histologie bestätigte diese Befunde: Bio-CuNPs (i.v.) induzierten hepatische zytoplasmatische Vakuolisierung, Zentralvenenstauung und renale Tubulusnekrose, während Bio-ZnONPs normale Architektur bewahrten. Milzschnitte von Bio-CuNPs (i.v.) zeigten reduzierte rote Pulpa-Zellularität, während die splenische Struktur nach Bio-ZnONPs-Exposition intakt blieb.

Verabreichungsweg-abhängige Toxizität

Intravenöse Verabreichung löste konsistent größere biochemische und histologische Veränderungen für Bio-CuNPs im Vergleich zur intraperitonealen Gabe aus. Bio-ZnONPs wurden über beide Wege gut vertragen, mit nur geringfügigen, reversiblen Gewichtsänderungen und ohne Organschäden.

Schlussfolgerung

Diese umfassende In-vivo-Bewertung zeigt, dass biosynthetisierte ZnONPs ein überlegenes Sicherheitsprofil gegenüber CuNPs aufweisen, wenn sie systemisch an Ratten verabreicht werden. Während CuNPs dosisabhängige Hepato- und Nephrotoxizität induzierten – insbesondere über den i.v.-Weg – verursachten ZnONPs vernachlässigbare Nebenwirkungen bei vergleichbaren Konzentrationen. Diese Ergebnisse unterstützen die weitere Erforschung intravenöser ZnONPs für biomedizinische Anwendungen, wobei CuNPs sorgfältige Dosis- und Verabreichungsweg-Optimierung erfordern, um Organtoxizität zu mindern.

Abkürzungen

ALT

Alanin-Aminotransferase

AST

Aspartat-Aminotransferase

ALP

Alkalische Phosphatase

Bio-CuNPs

Biogene Kupfernanopartikel

Bio-ZnONPs

Biogene Zinkoxid-Nanopartikel

IC₅₀

Inhibitorische Konzentration 50 %

NOAEC

Keine beobachtbare nachteilige Effektkonzentration

TLC

Gesamt letale Konzentration

i.p.

Intraperitonealer Verabreichungsweg

i.v.

Intravenöser Verabreichungsweg