Drosophila as a versatile in vivo testbed for nanomaterial toxicity assessment.

Abstract

Dramatic advances in nanomaterials synthesis and characterization provide promising possibilities for biomedical applications. Consequently, there is a growing demand for well- characterized, low cost toxicity assays for the validation of nanomaterials. Hence, we propose the use of the fruit fly, Drosophila, as a cost-effective model organism for the validation of novel nanomaterials. We conducted a product-specific science-based nanomaterial assessment using nanomaterial for biomedical applications at concentrations with practical relevance and at predicted environmental concentrations (PEC). We tested 8 nanomaterials at different concentrations: single-wall carbon nanotubes (SWCNT) and multi-wall carbon nanotubes (MWCNT); silver, gold, and titanium dioxide nanoparticles; and iron oxide (IO) nanoparticles (a) synthesized by co-precipitation coated with aminopropylsilane (APS) (Cop-IO-APS-Alexa- Biotin), (b) synthesized by co-precipitation coated with APS and carboxymethyldextran (CMDx) (Cop-IO-APS-CMDx), and (c) synthesized by thermo-decomposition coated with CMDx (Thermo-IO-CMDx). Our assessment allows us to test two different interaction routes; (1) direct microtransfer of nanomaterials into target tissues, and (2) direct contact-exposure in the developing embryo. The direct micro transfer route is based on simple developmental morphological milestones in Drosophila allowing for overall mortality quantification and identification of specific stage of mortality. The smallest concentrations were calculated based on PEC in water. In every case except for MWCNT these initial treatments presented no statistically relevant increase in toxic effect when compared to the control. The direct contact- exposure route serves as an assessment of nanomaterial transport across biological membranes. The results yielded are expected to lead to improvements in the design of nanostructures, the establishment of standardized regulations for characterization, handling and disposal of nanomaterials, and maximum allowable concentrations (MAC) in the environment. Furthermore, our cost-effective assessment has possibility of being conducted as a high-throughput screening methodology of nanomaterials amenable at every stage of R & D, and could be further developed to establish more specific molecular interactions.

Importantes avances en la síntesis y caracterización de nanomateriales ofrecen posibilidades prometedoras para aplicaciones biomédicas. Debido a esto, existe una alta demanda de ensayos de toxicidad costo efectivos y bien caracterizados para la validación de nanomateriales. En respuesta a esta necesidad, proponemos la utilización de la mosca frutera, Drosophila como organismo modelo costoefectivo para la evaluación de nuevos nanomateriales. Evaluamos nanomaterials con posibles applicaciones biomédicas a concentraciones con relevancia práctica y concentraciones ambientales previstas. Probamos 8 nanomateriales en diferentes concentraciones: “single-wall carbon nanotubes” (SWCNT), “multi-wall carbon nanotubes” (MWCNT), nanopartículas de plata, oro y dióxido de titanio. Además de nanopartículas de magnetita (IO) (a) sintetizadas por coprecipitación y recubiertas con aminopropilsilano (APS) (Cop-IO-APS-Alexa-Biotin), (b) sintetizadas por coprecipitación y recubiertas con APS y carboximetildextrán (CMDX) (Cop-IO-APS-CMDx) y (c) sintetizado por descomposición térmica recubiertas con CMDx (Termo-IO-CMDX). Nuestro método nos permite probar dos posibles rutas de interacción; (1) microtransferencia en tegidos específicos y (2) exposición por contacto directo. La interacción por microtransferencia nos permite quantificar la mortalidad e identificar lase tapas especificas del desarrollo en donde ocurre la mortalidad. Las concentraciones más pequeñas fueron calculadas a base de PEC en agua. En todos los casos excepto para MWCNT, los tratamientos iniciales no presentan aumento estadísticamente relevante en efecto de toxicidad cuando se les comparan con el control. La interacción por contacto directo permite el análisis de transporte de nanomateriales a través de membranas biológicas. Se espera que estos hallazgos lleven a mejoras en el diseño de nanomateriales, el establecimiento de regulaciones sobre la caracterización, el manejo y desecho de nanomateriales, además de el establecimiento de concentración máxima permitida en el medio ambiente. Este trabajo presenta una experimentación costo efectiva con la posibilidad de llevarse a cabo como una metodología “high-throughput” para validación de nanomateriales, que puede utilizarse en todas las etapas del diseño y desarrollo de nanomateriales. Además que podría ser desarrollada aún más para establecer las interacciones moleculares envueltas.