Caratterizzazione chimica e quantificazione delle nanoparticelle metalliche (MNP) in prodotti a base di pesce: Esposizione alimentare e valutazione del rischio

The last decade has been characterized by a growing interest in the study of metallic nanoparticles (MNPs) for the various applications in many fields, as they exhibit new and better properties depending on their size, surface area, distribution and morphology. As a result, their increasing use has led to the release into the environment, especially the marine environment. Although nano-based applications have great potential, there are some concerns about the potential adverse effects of nanoparticles on human health and the environment. As a result, food is a potential vehicle for oral exposure to nanoparticles because they can be used directly in food as additives, migrate from packaging and sensors into the food matrix, and food can accumulate nanoparticles from the environment. This can lead to intentional and unintentional human exposure through food ingestion. To date, there is limited data on oral exposure, in vivo and in vitro toxicity studies are not always congruent, the fate of nanoparticles once they enter the gastrointestinal tract is unknown, and there are no provisional oral reference doses to protect consumer health. This work focuses on the investigation of three commonly used metallic nanoparticles, TiO2-NPs, Ag-NPs and ZnO-NPs and food additives E171 (TiO2) and E174 (Ag) in seafood. The main aspects of this work were: 1) the chemical characterization and quantification of TiO2-NPs, Ag-NPs and ZnO-NPs and dissolved elements in processed canned seafood (tuna, mackerel, anchovies and clams) using the new single particle inductively coupled plasma technique (spICP- MS) preceded by alkaline digestion; 2) the assessment of an estimated daily intake for adults and children according to the guidelines of EPA; 3) the evaluation of in-vitro cytotoxicity and genotoxicity in colon cancer cells HCT116 and Caco 2 induced by E171 compared to TiO2 NPs 60 nm; 4) the evaluation of the acute in-vivo toxicity of TiO2-NPs (60 nm), E171, Ag-NPs (40 nm), E174 and ZnO-NPs (30 nm) in zebrafish embryos using a fish embryo toxicity test (FET) (OECD Test Guideline 236); 5) the determination of the biopersistence rate of TiO2-NPs, Ag-NPs and ZnO-NPs in standards and seafood samples (tuna and shellfish) using an in vitro static digestion system. All the nanoparticles sought were found to be present in all seafood, indicating environmental contamination by these compounds and a potential risk for the environment and human health. Estimates of daily oral exposure to nanoparticles suggest that seafood may be an important route for ingestion of these metal compounds, especially for a vulnerable group such as children. The in-vitro study confirmed that food-grade TiO2 in anatase form (E171) may have stronger genotoxic effects than general TiO2 (60 nm), while in-vivo study showed that Ag-NPs (40 nm) are embryotoxic at a lethal concentration (LC50) of 9.604 mg/L, while TiO2 (60 nm), E171 and E174 showed no acute embryotoxicity at 100 mg/l. ZnO-NPs (30 nm), revealed a developmental delay at the end of 96 h post fertilization. The calculated biopersistence rates were always higher than the limit set by EFSA (12%), indicating that the metallic nanoparticles studied are stable under gastrointestinal conditions and cannot be considered as readily degradable and may be able to pass through the gastrointestinal epithelium and enter the bloodstream and other organs.  

L'ultimo decennio è stato caratterizzato da un crescente interesse nello studio delle nanoparticelle metalliche per le loro varie applicazioni in molti campi, in quanto presentano nuove e migliori proprietà a seconda di dimensioni, superficie, distribuzione e morfologia. L’incremento nella loro produzione ha portato inevitabilmente al rilascio nell'ambiente, in particolare nell'ambiente marino. Sebbene le applicazioni basate sulle nanoparticelle abbiano un grande potenziale, vi sono alcune preoccupazioni circa i potenziali effetti negativi delle nanoparticelle sulla salute dell’uomo e dell'ambiente. Il cibo è un potenziale veicolo per l'esposizione orale alle nanoparticelle poiché possono essere utilizzate direttamente negli alimenti come additivi, migrare da imballaggi e sensori nella matrice alimentare, o essere accumulate dall'ambiente. Questo può portare ad un'esposizione umana intenzionale e non intenzionale attraverso l'ingestione di cibo. Ad oggi, i dati sull'esposizione orale, gli studi in di tossicità in vitro e in vivo non sono sempre congruenti. Ad oggi il destino delle nanoparticelle una volta entrate nel tratto gastrointestinale è sconosciuto e non esistono dosi di riferimento tossicologico per proteggere la salute dei consumatori. Questo lavoro si concentra sullo studio di tre nanoparticelle metalliche comunemente utilizzate, TiO2, Ag e ZnO, e additivi alimentari E171 (TiO2) e E174 (Ag) nei prodotti ittici. Gli aspetti principali di questo lavoro sono stati: 1) la caratterizzazione chimica e la quantificazione di nanoparticelle di TiO2, Ag e ZnO e di elementi disciolti in prodotti ittici trasformati (tonno, sgombro, acciuga e vongola) mediante spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivamente abbinata ad un software per la determinazione delle singole nanoparticelle (spICP- MS), preceduta da una digestione alcalina dei campioni; 2) la valutazione di una dose di esposizione orale giornaliera stimata per adulti e bambini, secondo le linee guida dell'EPA; 3) la valutazione della citotossicità e della genotossicità in vitro indotta da E171 e TiO2 (60 nm) su linee cellulari tumorali del colon HCT116 e Caco 2; 4) la valutazione della tossicità acuta in vivo di TiO2 (60 nm), E171, Ag (40 nm), E174 e ZnO (30 nm) mediante un test di tossicità sugli embrioni di zebrafish (FET) (linea guida OCSE 236); 5) la determinazione del tasso di persistenza biologica delle nanoparticelle di TiO2, Ag e ZnO in soluzioni di standard e campioni di pesce (tonno e molluschi) tramite un modello statico di digestione in vitro. Le nanoparticelle ricercate sono risultate presenti in tutti i campioni di pesce, indicando una contaminazione ambientale da parte di questi composti e un potenziale rischio per l'ambiente e la salute umana. Le stime sull’ esposizione orale giornaliera alle nanoparticelle suggeriscono che i prodotti ittici trasformati possono essere una via importante per l'ingestione di questi composti metallici, specialmente per un gruppo vulnerabile come i bambini. Lo studio in vitro ha confermato che il TiO2 alimentare in forma di anatasio (E171) può avere effetti genotossici più forti del TiO2 (60 nm), mentre lo studio in vivo ha dimostrato che le nanoparticelle di Ag (40 nm) sono embriotossiche con una concentrazione letale (LC50) di 9,604 mg/L, mentre il TiO2 (60 nm), E171 e E174 non hanno mostrato tossicità acuta sugli embrioni ad una concentrazione di 100 mg/L. Infine, le nanoparticelle di ZnO (30 nm) hanno mostrato un rallentamento dello sviluppo dopo 96 ore dalla fecondazione. Le percentuali di biopersistenza calcolate sono sempre state superiori al limite fissato dall'EFSA (12%), indicando che le nanoparticelle metalliche studiate sono stabili in condizioni gastrointestinali e non possono essere considerate facilmente degradabili e possono pertanto essere in grado di passare attraverso l'epitelio gastrointestinale ed entrare nel flusso sanguigno e in altri organi.