Speciation-dependent cellular uptake and cytotoxicity of tri- and tetravalent lanthanides and actinides in/onto mammalian kidney cells
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war es, die Wirkung dreiwertiger Lanthanide (Ln) und Actinide auf Nierenzellen von Mensch und Ratte in vitro in Abhängigkeit von der Expositionszeit, der Metallkonzentration und der Ln-Speziation/Zusammensetzung des Mediums zu untersuchen. Dazu wurde die Zellvitalität von NRK-52E- und HEK-293 nach Exposition mit La, Ce, Eu und Yb in vier Zellkulturmedien mittels XTT-Assay bestimmt und Dosis-Wirkungskurven sowie EC50-Werte ermittelt. Alle Elemente weisen bei Konzentrationen > 10-5 M unterschiedlich starke Zytotoxizität, die mit der Expositionszeit zunimmt, auf. Leichte und schwere Ln wirken stärker als mittlere. Die stärksten Effekte traten bei Ce auf, höchstwahrscheinlich auf Grund der möglichen Existenz von Ce(IV) innerhalb einzelner Zellkompartimente. Auch die Zusammensetzung des Mediums, d. h. die Ln-Speziation hat einen großen Einfluss. So wurde gezeigt, dass die Löslichkeit der Ln über die Bindung an Serumprotein(e) vermittelt und ihre Zytotoxizität dadurch verringert wird. Demgegenüber konnte für Citrat kein signifikanter Einfluss ermittelt werden. Bei umweltrelevanten Konzentrationen wurde keine Schadwirkung der Ln festgestellt. Bei erhöhter Konzentration wirkt jedoch insbesondere Ce potentiell zytotoxisch auf Nierenzellen. Für das radioaktive Am-243 wurden ähnliche zeit- und konzentrationsabhängige Dosis-Wirkungskurven ermittelt und eine tendentiell stärkere Wirkung belegt. Die Kenntnisse von dreiwertigen Ln in biologischen Systemen sind somit auf dreiwertige Actinide übertragbar. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen der exponierten Zellen belegen signifikante morphologische Veränderungen wie reduzierte Zelldichte, Schrumpfung und Deformation der Zellen, Kondensation des Zellkerns und Verlust oder Zerstörung des Zytoskeletts nach Ln-Exposition. Dies ist in Übereinstimmung mit den Dosis-Wirkungskurven und deutet auf Apoptose als möglichen Wirkmechanismus der Ln-Zytotoxizität hin. Die Untersuchung der Ln-Speziation mittels Fluoreszenzspektroskopie und Massenspektrometrie in zellfreien Zellkulturmedien bestätigen den großen Einfluss des Serums. Es konnte gezeigt werden, dass die Ln je nach Zusammensetzung des Mediums an Serumprotein(e), Carbonat, Phosphat oder einen niedermolekularen Liganden binden und unterschiedliche, zu, Teil koexistierende Komplexspezies unterschiedlicher Löslichkeit bilden. Die Ergebnisse der Zellkulturexperimente sowie der chemischen Analyse sind in guter Übereinstimmung und bestätigen bzw. erklären einander. Das Projekt zeigt somit die synergistischen Effekte sowie die Notwendigkeit der Kombination verschiedener zellbiologischer, analytischer und spektroskopischer Methoden zur Klärung solch komplexer Fragestellungen auf.
Publications
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A. Heller, J. Wober
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A. Heller, A. Barkleit, F. Bok, M. Acker, J. Wober
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A. Heller, A. Pisarevskaja, N. Bölicke, A. Barkleit, F. Bok, J. Wober
(See online at https://doi.org/10.1016/j.tox.2021.152771)
