Diverse Responses of Neurons and Monocytes to Titanium Dioxide Nanoparticle Exposure

Titanyum Dioksit Nanopartikül Maruziyetinde Nöron ve Monositlerin Farklı Yanıtları

Abstract

Introduction: The toxicity of titanium dioxide nanoparticles ($TiO_2$NPs) in neurons occurs by glutamate signalingvia N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors. Although cellular uptake of $TiO_2$NPs may lead to oxidative stress inmacrophages, it is not known whether $TiO_2$NPs have toxic effects on U937 monocytic cell line.Material and Methods: Human neuroblastoma (SH-SY5Y) and U937 human monocytic cell lines were exposed to25nm and 10nm $TiO_2$NPs, in medium with or without fetal bovine serum (FBS). Mitochondrial metabolic activitywas assessed using the MTT-assay before and after treatment with 15 mM N-acetylcysteine (NAC) and 0.1µM or10µM neopterin.Results: $TiO_2$NPs displayed no toxicity on SH-SY5Y and U937 cells in FBS-free medium. The addition of FBSresulted in a significant reduction in cell viability with both sizes of $TiO_2$NPs on SH-SY5Y and U937 cells. In FBScontaining medium, NAC pretreatment significantly increased cell viability of SH-SY5Y cells in comparison to U937cells. Both neopterin doses enhanced cell viability of $TiO_2$NPs-exposed SH-SY5Y cells for all concentrations. Only alimited increase in the cell viability was achieved in 10nm $TiO_2$NPs-exposed neurons by pretreatment with neopterin.Whereas, neopterin could not provide a constant amelioration for both 25nm and 10nm sized $TiO_2$NPs-exposedU937 monocytic cells. $TiO_2$NPs displayed size-dependent neuronal toxicity. In FBS-containing medium, both sizes of$TiO_2$NPs caused reduction in cell viability of both cell lines.Conclusion: While toxicity of $TiO_2$NPs emerged via NMDA and AMPA receptors in SH SY5Y cells, U937 cells weremost probably activated by AMPA receptors only. Unlike SHSY5Y cells, NADPH oxidase complex inhibition was noteffective in $TiO_2$NPs exposed U937 cells.

Özet

Giriş: Titanyum dioksit nanopartiküllerinin (TiO₂NP) toksisitesi nöronlarda N-metil-D-aspartat (NMDA) reseptörleri aracılığıyla glutamat sinyal iletimi ile meydana gelir. TiO₂NP makrofajlar tarafından hücre içine alınması oksidatif strese neden olmakla birlikte, U937 monositik hücreleri üzerine TiO₂NP toksik etki gösterip göstermediği bilinmemektedir. Gereç ve Yöntemler: İnsan nöroblastoma (SH-SY5Y) ve U937 insan monositik hücre hatları 25nm ve 10nm TiO₂NP ile fetal sığır serumu (FBS) varlığında ya da yokluğunda inkübe edildi. Mitokondriyal metabolik aktivite 15 mM N-asetil sistein (NAC) ve 0.1µM veya 10µM neopterin uygulanmadan önce ve sonra MTT ile tayin edildi. Bulgular: TiO₂NP, FBS içermeyen besi yerinde SH-SY5Y ve U937 hücrelerinde canlılıkları değiştirmedi. Her iki boyuttaki TiO₂NP için de ortama FBS eklenmesi SH-SY5Y ve U937 hücrelerinin canlılıklarının anlamlı olarak azalmasına neden oldu. FBS içeren besi yerinde NAC ile önceden muamele, SH-SY5Y hücre canlılıklarını U937’lere göre anlamlı olarak artırdı. Her iki neopterin dozu da bütün TiO₂NP konsantrasyonları için SH-SY5Y hücrelerinin canlılıklarında artışa neden oldu. 10nm TiO₂NP’e maruz kalan SH-SY5Y hücrelerinin canlılığı neopterin ile kısıtlı miktarda düzeltilebildi. Ancak, neopterin ilavesi, 10nm ve 25nm TiO₂NP maruz kalan U937 monositik hücrelerinin canlılıkları üzerine etkili olamadı. TiO₂NP nörotoksisitesi partikül büyüklüğü bağımlıdır. FBS içeren besi yerlerinde her iki hücre hattının da canlılığı TiO₂NP ile azalmıştır. Sonuç: TiO₂NP toksisitesine SH-SY5Y hücrelerinde hem NMDA hem de AMPA reseptörleri aracılık ederken, U937 hücrelerinde büyük olasılıkla sadece AMPA reseptörleri görev almaktadır. SH-SY5Y hücrelerinin aksine U937 hücrelerinde NADPH oksidaz kompleksinin inhibisyonu TiO₂NP toksisitesi üzerine etkili olmamıştır.