Analiza wybranych właściwości fizykochemicznych i biologicznych modeli in vitro modyfikowanych cząstkami polistyrenowymi

Abstract

W ostatnich latach mikro- i nanocząstki polimerowe zyskały dużą uwagę badaczy ze względu na swoje unikalne właściwości oraz wszechstronne zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Jednocześnie ich obecność w środowisku wiąże się z poważnymi zagrożeniami dla zdrowia ludzkiego i ekosystemów. Brakuje jednak wystarczających danych naukowych dotyczących ich wpływu na organizmy. Dlatego kluczową rolę w badaniach odgrywają modele in vitro, które umożliwiają realizację eksperymentów w kontrolowanych warunkach. Podstawę niniejszej pracy doktorskiej stanowiły analizy z wykorzystaniem modeli in vitro: linii komórkowych (nowotworów ludzkich oraz pochodzenia szczurzego), elementów morfotycznych krwi świni (erytrocytów oraz trombocytów), a także mikroorganizmów (bakterii Gram-dodatnich, bakterii Gram-ujemnych i drożdżaków). Celem dysertacji była ocena wpływu cząstek polistyrenowych, uwzględniająca ich rozmiar, stężenie, funkcjonalizację powierzchni oraz czas oddziaływania na komórki, na właściwości fizykochemiczne i biologiczne modeli in vitro. Pierwsze przeprowadzone eksperymenty pozwoliły na określenie stabilności cząstek w zastosowanych roztworach; badania obejmowały charakterystykę struktury (technika FTIR) oraz rozmiaru (metoda DLS) polistyrenu. Kolejne badania dotyczyły wpływu cząstek polistyrenowych na właściwości modeli in vitro. Testy MTT (w przypadku linii komórkowych) oraz MIC i MBC (w przypadku mikroorganizmów) posłużyły do oceny cytotoksyczności cząstek wobec komórek. Metodę ELS wykorzystano podczas rejestracji wartości potencjału zeta. Ponadto, do zobrazowania zmian zachodzących w strukturze bakterii i drożdżaków poddanych działaniu polistyrenu zastosowano techniki mikroskopowe – AFM i SEM. Przeprowadzone w ramach rozprawy doktorskiej badania wykazały, że właściwości fizykochemiczne i biologiczne modeli in vitro ulegają zmianom zależnym od stężenia, rozmiaru, funkcjonalizacji powierzchni polistyrenu oraz czasu ekspozycji komórek na te cząstki. Interakcje cząstek z komórkami mogły obejmować niespecyficzne ścieżki, takie jak dyfuzja, kanały transbłonowe, siły hydratacyjne, siły van der Waalsa, oddziaływania elektrostatyczne czy międzycząsteczkowe. Uzyskane wyniki dostarczają informacji o wpływie cząstek polistyrenowych na procesy zachodzące w organizmach żywych. Mogą one znaleźć zastosowanie w opracowywaniu nowatorskich strategii terapeutycznych oraz w rozwijaniu metod gospodarowania odpadami z tworzyw polimerowych.

In recent years, polymeric micro- and nanoparticles have attracted significant attention from researchers due to their unique properties and versatile applications in various industrial sectors. Concurrently, their environmental presence poses serious risks to human health and ecosystems. However, sufficient scientific data regarding their impact on organisms is lacking. Therefore, in vitro models play a crucial role in research, enabling experiments to be conducted under controlled conditions. This doctoral dissertation was based on analyses performed using in vitro models: cell lines (human cancer cells and rat-derived cells), pig blood morphotic elements (erythrocytes and thrombocytes), as well as microorganisms (Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria, and yeasts). The dissertation aimed to evaluate the impact of polystyrene particles, considering their size, concentration, surface functionalization, and exposure time on cells, on the physicochemical and biological properties of selected in vitro models. The initial experiments determined the stability of the particles in the applied solutions, including the characterization of the polystyrene structure (using FTIR spectroscopy) and size (using the DLS method). Subsequent studies focused on the analysis of selected in vitro models. MTT assays (for cell lines) and MIC and MBC tests (for microorganisms) were employed to evaluate the cytotoxicity of the particles towards cells. The ELS method was utilized to record changes in the in vitro models' zeta potential after their polystyrene treatment. Furthermore, microscopic techniques- AFM and SEM- were applied to visualize the changes occurring in the structure of bacteria and yeasts subjected to polystyrene exposure. The research conducted as part of this doctoral dissertation demonstrated that the physicochemical and biological properties of in vitro models change depending on the concentration, size, surface functionalization of polystyrene particles, and duration of cellular exposure to these particles. Interactions between the particles and cells could involve nonspecific pathways such as diffusion, transmembrane channels, hydration forces, van der Waals forces, and electrostatic or intermolecular interactions. The obtained results provide information on the effects of polystyrene particles on processes occurring in living organisms. These findings could be applied in developing innovative therapeutic strategies and in advancing methods for managing plastic waste.