The effects of ZnO nanoparticles on male germ cells

Abstract

Nowadays, a new concept of nanotechnology, “the nanomedicine” has been developed. Certain nanoparticles offer an exceptional set of characteristics that improve the diagnosis and treatment quality and efficacy on medicine. Zinc Oxide Nanoparticles (ZnO NPs) are a type of metal oxide nanoparticles with an extensive use, for example, in drug delivery systems, bioimaging and cancer therapy. Several authors have focused on biosafety studies of ZnO NPs, as their size and surface area favour the entrance and accumulation in organism, which can induce toxic effects. ZnO NPs have been identified, as a dose and time dependent cytotoxic inducer in testis and in some male germ cells, like spermatozoa and spermatocyte. In this way, it is important to understand the consequences of ZnO NPs exposure on the first cell stage of spermatogenesis, the spermatogonia. Thus, the aim of this work was to evaluate the effects of ZnO NPs on spermatogonia. GC-1 spg cell line derived from spermatogonia of mouse testes was treated with different concentrations of ZnO NPs, namely 0, 1, 5, 8, 10 and 20 μg/ml for 6 hours and 12 hours. The study was divided into two stages. Firstly, cytotoxicity resulting from exposure to ZnO NPs was evaluated through cell viability assays, intracellular ROS detection, progression of apoptosis/necrosis analysis and levels of DNA damage. At the end, cytoskeleton protein levels (acetylated α-tubulin, β-tubulin, β-actin and F-actin) and the nuclear intern protein Sun1 were assessed. According with results, higher concentrations of ZnO NPs have a toxic effect in GC-1: viability decreased, ROS intracellular levels production, DNA damage and cell death ratio increase. Further, at cytoskeleton and nucleoskeleton level, significant changes were verified. In conclusion, ZnO NPs induce cytotoxic effects on GC-1 cells in a time and dose-dependent manner. Short time exposure and low concentration of zinc oxide nanoparticles do not induce cytotoxicity on spermatogonia.

Atualmente, um novo conceito de nanotecnologia, “a nanomedicina” foi desenvolvido. Certas nanopartículas oferecem um conjunto excecional de características que melhoram a qualidade e a eficácia do diagnóstico e dos tratamentos na medicina. Nanopartículas de óxido de zinco (NPs de ZnO) são um tipo de nanopartículas de óxido de metal muito usadas, por exemplo, em sistemas de administração de fármacos, em bioimagem e no tratamento do cancro. Alguns autores têm-se concentrado no estudo da biossegurança das NPs de ZnO, uma vez que o seu tamanho e área de superfície permitema entrada e acumulação no organismo, o que pode induzir efeitos tóxicos. As NPs de ZnO foram identificadas, como indutoras de citotoxicidade dependente da dose e do tempo de exposição no testículo e em algumas células germinativas masculinas como os espermatozóides e os espermatócitos. Desta forma é importante conhecer as consequências da exposição a NPs de ZnO no primeiro estadio celular da espermatogénese, a espermatogónia. Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos das NPs de ZnO na espermatogónia. A linha celular GC-1 spg derivada das espermatogónias de testículos de ratinho foi tratada com diferentes concentrações de ZnO NPs, nomeadamente 0, 1, 5, 8, 10 e 20 μg/ml durante 6 horas e 12 horas. O estudo foi dividido em duas etapas. Inicialmente, a citotoxicidade resultante da exposição a NPs de ZnO foi avaliada através de ensaios de viabilidade, deteção intracelular de ROS, análise da progressão da apoptose/necrose e os níveis de dano no DNA. No final, foram avaliados os níveis de proteínas do citoesqueleto (α-tubulina acetilada, β-tubulina, β-actina e F-actina) e da proteína nuclear interna Sun1. De acordo com os resultados, concentrações elevadas de NPs de ZnO têm um efeito tóxico em GC-1: a viabilidade decresce, a produção intracelular de ROS, o dano no DNA e os níveis de apoptose e necrose aumentam. Também ao nível do citoesqueleto e do nucleoesqueleto foram verificadas alterações significativas. Em suma, as NPs de ZnO induzem efeitos citotóxicos em células GC-1 de modo dependente da dose e do tempo. Curtos períodos de exposição e baixas concentrações de NPs de ZnO não induzem citotoxicidade em espermatogónias.