Fate, kinetics and impact of small plastic particles after intestinal exposure
Projectomschrijving
Aanleiding
Het wordt steeds duidelijker dat de mens dagelijks wordt blootgesteld aan een grote variëteit van kleine tot zeer kleine plastic deeltjes via voedsel, drinkwater en cosmetica. Maar het is onduidelijk wat deze plastic deeltjes doen in de darm, en of ze bijvoorbeeld het immuunsysteem in de darm beïnvloeden. Ook is het onduidelijk of plastic deeltjes de darmbarrière kunnen overschrijden en via lymfe of bloed andere organen kunnen bereiken.
Doel
In dit project is onderzocht of micro- en nanoplastics (MNPs) worden opgenomen via het maagdarmstelsel en of ze het immuunsysteem van de darm beïnvloeden.
Onderzoeksopzet en resultaten
Er zijn in-vitro celkweekmethoden toegepast en in-vivo studies in muizen gedaan. Resultaten hebben uitgewezen dat MNPs, type polystyreen, over de darmwand het lichaam inkomen. Ze hebben een direct effect op de cellen die de darmwand vormen (epitheelcellen). Ze stimuleren namelijk de vorming van ontstekingsfactoren. Ook hebben de MNPs een stimulerend effect op specifieke immuun cellen, die ook wijzen op het aanzetten tot een zogenaamde T-cel reactie. De gevonden effecten zijn afhankelijk van de grootte van de deeltjes (kleinere deeltjes hebben meer effect en worden beter opgenomen). Deeltjes die eerst een tijd onder specifieke milieuomstandigheden (rivierwater, UV) hebben verkeerd, hebben een sterker effect, dat bovendien afhankelijk lijkt van microbiologische factoren.
Het uitgevoerde project was vooral gericht op het vaststellen van toxische effecten van MNPs, die duiden op een potentieel gevaar voor de gezondheid. Effecten waren acuut en werden gezien bij relatief hoge concentraties van MNPs. Het uiteindelijke risico van orale inname van MNPs voor de gezondheid hangt af van de daadwerkelijke blootstelling, waarbij de mate en de duur van blootstelling, maar ook het soort MNPs (type polymeer, grootte, aanhangende stoffen etc.) van belang zijn. De daadwerkelijke mate van blootstelling is nog niet bekend en is onderdeel van vervolgonderzoek.
Uitvoerende partijen
Dit project is uitgevoerd door Dr. J.J. Smit en collega’s van de Universiteit Utrecht, in samenwerking met A. D. Vethaak van Deltares
Verslagen
Eindverslag
Samenvatting van de aanvraag
Environmental plastic debris is recognized as an urgent issue for human health. This debris disintegrates and breaks up into small plastic particles of micro and even nano (<500nm) size. Neither the hazard nor the risk (including exposure) of plastic micro-and nanoparticles (M/NP) and their released additives to human health is properly investigated. At IRAS-Immunotoxicology, effects of various M/NP (including polystyrene particles) have been studied in relation to airway allergy by using in vivo and in vitro methods, in mice and in man. These studies indicate that M/NP can activate epithelial cells (e.g. by the production of IL-8), crucial immune cells (activation of e.g. macrophages and dendritic cells) and consequently specific T cells. These effects have been demonstrated to be M/NP-size-dependent. However, the effect of M/NP exposure on similar cells in the gastro-intestinal tract is largely unknown. Based on our, and other data it is expected that M/NP, similar to large protein aggregates, viruses and bacteria, are preferentially absorbed via specialized sampling sites in the intestine, including M cells overlaying the Peyer’s patches (PP). The general aim of this project is to investigate the fate, kinetics and impact of M/NP after intestinal exposure. This will be done by: 1) studying if, where, and how (mechanistically) M/NP are transferred across the epithelium along the gastro-intestinal tract, including PP (sub-aim 1). 2) investigating the effect of M/NP on epithelial and critical immune cells in the intestine, including dendritic cells (sub-aim 2). Despite the abundance in food, drinking water and consumer products, it is unclear if M/NP affect and/or activate the intestinal surface and the intestinal immune system. Importantly, it is unknown to what extent exposure via the oral route leads to systemic exposure to these particles, via the lymphatic or blood circulation. We hypothesize that 1) exposure to M/NP leads to intestinal uptake, which 2) causes local and systemic responses in epithelial and local and/or systemic immune cells. This project will use reference M/NP (<100µm) to provide a knowledge base for studying environmental relevant M/NP in subsequent phases of the project. These environmental relevant NP consist of a standardized test set of naturally weathered particles (in size ranges of 100 nm, 1 µm and 10 µm) as provided by co-applicant 3 and described below. The main objectives of this project are: 1. To assess the capacity of M/NP to be transferred along the epithelial lining of the intestine and to investigate the mechanisms of this transfer. Both reference and environmental M/NP will be applied in established models for intestinal exposure and epithelial transfer in vivo and in vitro. After exposure, blood, tissues (e.g. intestine/liver/spleen) and samples from in vitro cultures will be analysed for the presence of M/NP using methods described below. 2. To identify possible inflammatory responses (e.g. protein and RNA cytokine profiling) and (immuno)toxicity-related responses (e.g. AhR-, ER-, or NFkB-responsive genes) in the intestine (in vivo) or intestinal cells (in vitro) after exposure to M/NP. To our knowledge, this will be one of the first studies to 1) characterize and 2) quantify the possible route of intestinal transport of M/NP. This route of transport may include the PP and M-cells, an important route for transport of particulate matter in the intestine, which has not been explored in much detail before in relation to the exposure of M/NP. In addition, we will study the actual impact of environmental relevant M/NP on the intestinal barrier, epithelial health and consequent local and systemic immune responses. If M/NP indeed affect the intestinal health and function, our results will be an essential proof of principle that urges further research into relevant M/NP of different sizes and chemical composition. Confirmation of their inflammatory potential in the intestine would plead for avoidance strategies to prevent exposure and the potentially associated burden of disease. In addition, proof of transfer of M/NP via the intestinal barrier into the circulation (e.g. by PP mediated transport) may lead to new insights in the internal exposure to M/NP in health and disease. Additionally, the proposed research will improve and append current intestinal immunotoxicity testing strategies by integration and the comparison of in vivo and in vitro methods of intestinal transport and activation. This comparison will provide a translational test animal-free strategy to assess intestinal exposure and effects of M/NP. This work is linked to the ongoing lines of research at IRAS (immuno-toxicology in the intestine), UASU (organoids) and Deltares/VU-Amsterdam (impact of microplastics).