Zmiany strukturalne i funkcjonalne błon erytrocytów człowieka oraz białka modelowego albuminy narażonych na działanie nanocząstek polistyrenu o różnych średnicach (in vitro)

Abstract

Plastics present in the environment undergo gradual degradation under the influence of physical and chemical factors into particles of increasingly smaller sizes, including microplastics with a diameter of < 5000 µm, and subsequently nanoparticles with a diameter of < 0.1 µm. These particles represent a significant source of exposure for living organisms. In recent years, an increasing amount of data has confirmed the presence of plastic particles in the human body, including in the blood, indicating the need to determine their potential impact on specific components of this tissue. Of particular importance is polystyrene, one of the most widely used plastics, whose particles have also been detected in human blood. The aim of this doctoral dissertation was to evaluate the effect of non-functionalized polystyrene nanoparticles (PS-NPs) of various diameters (~30 nm, ~45 nm, and ~70 nm) on the structure and function of the human erythrocyte membrane and albumin, the primary plasma protein. The results showed that PS-NPs, even at concentrations observed in the human body, interact directly with erythrocytes, leading to cell membrane stiffening and alterations in their rheological properties, while at a higher concentration of 100 µg/mL they also induce hemolysis. At the same time, the tested nanoparticles were not found to enhance the production of reactive oxygen species, induce oxidative stress, or activate erythroptosis, i.e., programmed erythrocyte death. Furthermore, the formation of a hard protein corona on the surface of the tested PS-NPs and changes in the secondary structure of human albumin were demonstrated. These observations suggest that polystyrene nanoparticles may affect the physiological functions of plasma albumin, and that modified albumin may indirectly exacerbate disturbances in the rheological properties of erythrocytes and potentiate the effects of PS-NPs under in vivo conditions.

Tworzywa sztuczne obecne w środowisku ulegają pod wpływem czynników fizycznych i chemicznych stopniowej degradacji do cząstek o coraz mniejszych rozmiarach, w tym mikroplastików o średnicy < 5000 µm, a następnie nanocząstek o średnicy < 0,1 µm. Cząstki te stanowią istotny czynnik narażenia organizmów żywych. W ostatnich latach coraz więcej danych potwierdza obecność cząstek plastiku w organizmie człowieka, również we krwi, co wskazuje na konieczność określenia ich potencjalnego wpływu na poszczególne składniki tej tkanki. Szczególne znaczenie ma polistyren, należący do najpowszechniej stosowanych tworzyw sztucznych, którego cząstki wykryto także we krwi człowieka. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej była ocena wpływu niefunkcjonalizowanych nanocząstek polistyrenu (PS-NPs) o różnych średnicach (~30 nm, ~45 nm i ~70 nm) na strukturę i funkcję błony erytrocytów człowieka oraz albuminy, będącej głównym białkiem osocza. Uzyskane wyniki wykazały, że PS-NPs już w zakresie stężeń obserwowanych w organizmie człowieka oddziałują bezpośrednio z erytrocytami, prowadząc do usztywnienia błony komórkowej oraz zaburzeń ich właściwości reologicznych, natomiast przy wyższym stężeniu 100 µg/mL wywołują także hemolizę. Jednocześnie nie stwierdzono, aby badane nanocząstki nasilały wytwarzanie reaktywnych form tlenu, indukowały stres oksydacyjny lub aktywowały eryptozę, czyli programowaną śmierć erytrocytów. Ponadto wykazano tworzenie się twardej korony białkowej na powierzchni badanych PS-NPs oraz zmiany w strukturze drugorzędowej albuminy ludzkiej. Obserwacje te sugerują, że nanocząstki polistyrenu mogą wpływać na fizjologiczne funkcje albuminy osocza, a zmodyfikowana albumina może pośrednio nasilać zaburzenia właściwości reologicznych erytrocytów oraz potęgować skutki działania PS-NPs w warunkach in vivo.