Interactions entre nanoparticules d'or et médicaments causant des lésions rénales aiguës chez la souris : étude de toxicité taille-dépendante

Résumé

Les nanomatériaux sont des matériaux innovants aux propriétés utiles, mais leurs effets sur les organismes vivants restent largement méconnus. Les nanoparticules d'or sont largement utilisées dans l'industrie en raison de leurs excellentes propriétés. Leur potentiel danger biologique étant inconnu, nous avons examiné les effets in vivo de nanoparticules d'or de 10, 50 et 100 nm de diamètre (GnP10, GnP50 et GnP100) et leurs interactions avec des médicaments chez la souris, afin d'évaluer leur sécurité chez les mammifères. Le cisplatine, le paraquat et l'acide 5-aminosalicylique provoquent des effets secondaires hépatiques et rénaux chez la souris. Aucune hépatotoxicité ni néphrotoxicité n'a été observée lors de l'administration seule de l'une quelconque des nanoparticules d'or par voie veineuse caudale. En revanche, la co-administration de GnP10 avec le cisplatine, le paraquat ou l'acide 5-aminosalicylique a entraîné des lésions rénales. Cela suggère que les nanoparticules d'or de 10 nm sont potentiellement néphrotoxiques en raison de leurs interactions avec des médicaments.

Introduction

La nanotechnologie joue un rôle croissant au XXIe siècle, les nanomatériaux sous-tendant ses progrès. Les développements récents dans la fabrication de nanoparticules ont favorisé l'utilisation mondiale de nanomatériaux innovants. Les nanomatériaux ont un diamètre de 100 nm ou moins ; on citera les nanoparticules d'or, d'argent, de silice, de platine, de dioxyde de titane, ainsi que les fullerènes et les nanotubes de carbone. Ces matériaux trouvent des applications dans le stockage électronique, la médecine régénérative/génique et les dispositifs électroniques, constituant les fondements de nouvelles industries. Cependant, des nanoparticules comme les PM2.5 causent une pollution environnementale grave, des maladies respiratoires (asthme) et des cardiopathies ischémiques. De plus, les particules diesel peuvent atteindre le cerveau et les organes reproducteurs, les fibres d'amiante induisent le mésothéliome, et les nanomatériaux fibreux industriels comme les nanotubes de carbone peuvent nuire à la santé humaine. De nombreuses inconnues persistent quant aux effets biologiques des nanoparticules.

L'or (Au) a une faible tendance à l'ionisation et une grande stabilité ; il est utilisé comme métal précieux depuis l'Antiquité. Les nanoparticules d'or récemment développées sont largement employées en médecine et en ingénierie grâce à leurs propriétés optiques caractéristiques, et leurs propriétés optoélectroniques excellentes les destinent aux cellules solaires organiques, sondes capteuses et matériaux conducteurs. Elles servent aussi de catalyseurs dans la synthèse de résines acryliques et présentent une activité catalytique supérieure à basse température pour l'oxydation du CO, surpassant les nanoparticules de platine, ce qui les rend utiles comme catalyseurs de purification des gaz d'échappement. D'autres applications sont attendues, mais peu de recherches ont porté sur la toxicité des nanoparticules d'or et leurs interactions potentielles avec des médicaments.

Le domaine de la nanotechnologie s'élargit alors que les chercheurs explorent la sécurité, la pharmacologie et la pharmacocinétique des nanoparticules. Les nanoparticules de silice provoquent cytotoxicité, hépatotoxicité et dommages placentaires, et les nanotubes de carbone peuvent induire un mésothéliome pulmonaire. Cependant, on connaît mal les effets pharmacologiques résultant d'interactions entre nanoparticules et médicaments. Dans cette étude, nous avons étudié la toxicité de particules d'or de 10, 50 et 100 nm (GnP10, GnP50, GnP100) chez la souris pour clarifier leur sécurité chez les mammifères. Nous avons également examiné leurs effets sur la toxicité du paraquat (PQ, hépatotoxique et néphrotoxique connu), du cisplatine (CDDP, agent antitumoral largement utilisé) et de l'acide 5-aminosalicylique (5-ASA, anti-inflammatoire courant).

Résultats et discussion

Nous avons d'abord mesuré la taille des nanoparticules d'or par analyse de Zetasizer, puis observé les particules par microscopie électronique à transmission (Fig. 1a, b, c). Les diamètres moyens des GnP10, GnP50 et GnP100 étaient respectivement de 15,7 ± 7,0, 53,3 ± 14,2 et 97,0 ± 27,1 nm (Fig. supplémentaire 1). Les nanoparticules d'or s'agrègent sous microscopie électronique mais pas après administration chez la souris. La concentration en ions or mesurée par ICP-MS était indétectable. Les surfaces étaient modifiées par l'acide citrique pour augmenter l'affinité pour l'eau, sans autre fonctionnalité.

Ultrastructures des nanoparticules d'or. Micrographies électroniques des nanoparticules GnP10 (a), GnP50 (b) et GnP100 (c).

Nous avons évalué l'hépatotoxicité et la néphrotoxicité en administrant une dose maximale de 4 mg/kg par voie veineuse caudale. Aucune hépatotoxicité ni néphrotoxicité n'a été observée avec les nanoparticules d'or seules (Fig. 2). Les valeurs d'ALT et d'AST chez les souris recevant GnP10, 50 et 100 seules étaient similaires aux témoins, de même que l'urée et la créatinine. Une administration unique n'a induit ni lésion hépatique, rénale, cardiaque, pulmonaire ni splénique (Fig. supplémentaire 2), indiquant que les nanoparticules d'or sont non toxiques administrées seules.

Effet des nanoparticules d'or sur la toxicité induite par le cisplatine. Les souris ont reçu une injection intrapéritonéale de cisplatine (CDDP) à 0 (barres ouvertes) ou 100 μmol/kg (barres pleines), conjointement à une injection IV de véhicule ou de nanoparticules d'or (4 mg/kg). À 24 h, les taux sériques d'ALT (a), d'AST (b), d'urée (c) et de créatinine (d) ont été dosés. Données : moyenne ± SEM (n = 4). Différence significative (*P < 0,05, **P < 0,01) entre groupes véhicule et CDDP.

Des lésions hépatiques et rénales ont été rapportées lors de la co-administration de nanoparticules de silice, d'argiles nanostratifiées ou de polystyrène avec des médicaments. Nous avons donc co-administré des nanoparticules d'or avec le PQ (toxique foie-rein) ou les médicaments CDDP ou 5-ASA (effets hépato-néphrotoxiques). La Fig. 2 montre l'interaction avec le CDDP. La co-administration de GnP10 ou GnP50 avec CDDP a augmenté l'ALT et induit des lésions hépatiques (Fig. 2a), tandis que GnP10 + CDDP a augmenté l'urée et la créatinine, induisant des lésions rénales (Fig. 2c, d). L'interaction avec le 5-ASA a montré que GnP10 ou GnP50 + CDDP augmentait l'ALT (Fig. 3a), alors que la co-administration avec 5-ASA augmentait l'urée et la créatinine (Fig. 3c, d). Avec le PQ, GnP10 + PQ augmentait l'urée et la créatinine (Fig. 4c, d) sans lésion hépatique (Fig. 4a, b). Les plus petites particules (GnP10) co-administrées avec CDDP, 5-ASA ou PQ ont donné les valeurs d'ALT, d'urée et de créatinine les plus élevées. Les particules 10× plus grosses (GnP100) n'ont causé aucune lésion hépatique ou rénale en co-administration. Ces résultats montrent que les GnP deviennent toxiques lorsque des particules < 100 nm sont co-administrées avec CDDP, 5-ASA ou PQ.

Effet des nanoparticules d'or sur la toxicité induite par l'acide 5-aminosalicylique. Souris injectées IP avec 5-ASA à 0 ou 500 mg/kg, plus IV véhicule ou nanoparticules d'or (4 mg/kg). À 24 h, dosage d'ALT (a), AST (b), urée (c), créatinine (d). Moyenne ± SEM (n = 4). *P < 0,05, **P < 0,01 vs groupe véhicule.

Effet des nanoparticules d'or sur la toxicité induite par le paraquat. Souris injectées IP avec PQ à 0 ou 50 mg/kg, plus IV véhicule ou nanoparticules d'or (4 mg/kg). À 24 h, dosage d'ALT (a), AST (b), urée (c), créatinine (d). Moyenne ± SEM (n = 4). *P < 0,05, **P < 0,01 vs groupe véhicule.

L'observation histologique (hématoxyline-éosine) après co-administration de GnP10 avec CDDP, 5-ASA ou PQ (Fig. 5) a montré des lésions tubulaires, suggérant une lésion rénale aiguë. Nous avons dosé l'IL-6 et le TNF-α sériques pour explorer la cause. La Fig. 6 montre les taux d'IL-6 à 3 h après co-administration de GnP10 avec CDDP, 5-ASA ou PQ. L'IL-6 n'était pas détectée avec GnP10 seule, mais augmentait en co-administration. Le TNF-α n'a été détecté dans aucun groupe. Cela suggère que l'IL-6 est impliquée dans la lésion rénale aiguë induite par GnP10 + CDDP, 5-ASA ou PQ.

Analyse histologique des tissus rénaux de souris traitées aux nanoparticules d'or. À 24 h post-administration IV de GnP10 seule (a), GnP10 + CDDP (b), GnP10 + 5-ASA (c), GnP10 + PQ (d), tissus fixés, coupés, colorés hématoxyline-éosine. Flèches : sites de lésions rénales.

Taux d'IL-6 sérique mesurés par ELISA. Souris recevant IV GnP10 avec CDDP, 5-ASA ou PQ. Cytokines dosées à 3 h. Moyenne ± ES (n = 4).

Nous avons étudié l'effet de la co-administration de nanoparticules d'or et de médicaments sur les effets secondaires (lésions hépatiques et rénales). La plus petite taille (GnP10) a induit des lésions rénales et hépatiques en co-administration avec CDDP, 5-ASA ou PQ. La co-administration de GnP10 avec paracétamol, streptomycine ou tétracycline n'a causé aucune lésion (données non montrées). Nous avions déjà rapporté que les nanoparticules de silice induisent des lésions hépatiques taille-dépendantes, et que les nanoparticules de polystyrène peuvent induire des lésions hépatiques en co-administration avec un médicament, selon la taille. Xia et al. ont rapporté que les nanoparticules d'or plus petites sont plus génotoxiques in vitro. Ensemble, ces résultats indiquent que les nanoparticules d'or deviennent hautement toxiques par interaction avec des médicaments à mesure que leur taille diminue.

La co-administration de GnP10 avec cisplatine, 5-ASA ou PQ a augmenté l'IL-6 (Fig. 6). L'IL-6 n'était pas élevée par GnP10 seule ni par CDDP, PQ ou 5-ASA seuls. L'IL-6 est connue pour être impliquée dans les lésions hépatiques et rénales aiguës. Nous pensons que GnP10 induit l'IL-6, qui à son tour induit les lésions hépatiques et rénales, mais le mécanisme reste obscur. Bauza et al. rapportent que l'IL-6 induit des lésions hépatiques via des facteurs de transcription dans les hépatocytes. Comprendre l'implication de facteurs de transcription cellulaires-spécifiques dans les lésions IL-6-dépendantes nécessitera d'autres expériences sur le mécanisme de cytotoxicité des nanoparticules d'or.

Récemment, les nanoparticules d'or attirent l'attention comme biomatériaux fonctionnels pour les systèmes d'administration de médicaments, et la recherche sur le traitement du cancer par nanoparticules d'or est active. Par exemple, Anselmo et al. ont rapporté que des nanoparticules silice-or PEGylées augmentent la température locale sous irradiation lumineuse et dissolvent thermiquement les tumeurs solides, montrant le potentiel des nanoparticules d'or en cancérologie. Cependant, nous avons trouvé que l'interaction entre le cisplatine (anticancéreux) et les nanoparticules d'or induit des lésions rénales (Fig. 2), suggérant que l'utilisation de nanoparticules d'or en cancérologie nécessite d'étudier leur sécurité en co-administration avec le médicament.

Conclusions

En résumé, GnP10 a causé des lésions rénales en co-administration avec CDDP, PQ ou 5-ASA. GnP50 a causé des lésions rénales seulement avec 5-ASA, tandis que GnP100 n'en a causé aucune. Nous avons démontré que les nanoparticules d'or peuvent causer des lésions rénales, effet exacerbé de manière synergique par interactions avec des chimiques ou médicaments. Des études supplémentaires basées sur ces données seront nécessaires pour élucider pleinement les profils toxicologiques des nanoparticules proposées pour usage diagnostique ou thérapeutique.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Suspensions de particules d'or capped citrate de 10, 50 et 100 nm obtenues de NANOCOMPOSIX, INC. (San Diego, CA, USA). Les distributions de taille ont été analysées par Zetasizer (Sysmex Co., Kobe, Japon) et microscopie électronique à transmission JEOL JEM-1011. Diamètres moyens : 15,7 ± 7,0 ; 53,3 ± 14,2 ; 87,0 ± 27,1 nm (Fig. 1, Fig. supplémentaire 1). Suspensions aqueuses (1 mg/mL) dispersées par sonication, diluées à l'eau. La présence d'or ionisé a été examinée par ICP-MS : aucun ion détecté. Volumes identiques injectés pour chaque expérience. Tailles géométriques caractérisées par MET. Paraquat (Sigma-Aldrich), cisplatine et acide 5-aminosalicylique (Wako Pure Chemical Industries) dissous dans le sérum physiologique, conservés à −20 °C. Réactifs grade recherche.

Animaux

Souris BALB/c mâles de 8 semaines (Funabashi Farm Co., Ltd., Chiba, Japon). Environnement contrôlé (23 ± 1,5 °C ; cycle 12 h jour/nuit) avec accès libre à la nourriture et l'eau. Acclimatation 1 semaine. Protocoles conformes aux directives éthiques de l'Université Teikyo Heisei, basées sur les lignes directrices de l'Association japonaise pour la science des animaux de laboratoire.

Analyses biochimiques

ALT, AST sériques, urée et créatinine plasmatiques dosées par kits commerciaux (Wako Pure Chemical Industries) selon protocoles fabricant. Brièvement, sérum (10 μL) + 1 mL réactif couleur A (uréase), incubation 37 °C 15 min ; + 1 mL réactif couleur B, incubation 37 °C 10 min. Absorbance à 570 nm. IL-6 et TNF-α par ELISA (BioSource International). Analyses selon instructions fabricant.

Analyse histologique

À 24 h post-administration, animaux sacrifiés, foies prélevés, fixés 4 % paraformaldéhyde. Après traitement et coupe, coloration hématoxyline-éosine pour observation histologique.

Analyse statistique

Analyses avec Statcel add-in forms, 3rd Excel Software (EMS publication Co., Ltd., Saitama, Japon). Données : moyennes ± SEM. Différences significatives entre contrôle et groupes expérimentaux par test de Dunnett ; P < 0,05 significatif.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

ALT :

Alanine aminotransférase

AST :

Aspartate aminotransférase

BUN :

Urémie (Blood urea nitrogen)

PQ :

Paraquat

Cr :

Créatinine