Un mecanismo sinérgico propuesto para la fiebre de humos metálicos que involucra nanopartículas de ZnO y Fe3O4 | Beijing AgileLift Ventures Group Co., Ltd.

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15643 (2022) Citar este artículo

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La fiebre por vapores metálicos (FMF) es una condición inflamatoria, cuyo mecanismo aún no está claro, asociada con la inhalación de vapores metálicos, particularmente zinc. En este estudio investigamos experimentalmente la hipótesis de un mecanismo de dos pasos de inicio de MFF: (1) la producción fotocatalítica de peróxido de hidrógeno en el aire (H2O2) a través de ZnO y (2) la producción de radicales hidroxilo (HOׄ) a través de la reacción de Fenton a través de magnetita. (Fe3O4) nanopartículas. Los productos de fotocatálisis y reacción de Fenton se midieron utilizando un dispositivo de absorbancia mejorado por dispersión múltiple y evaluando la degradación del azul de bromofenol con fotometría de microplaca, respectivamente. Observamos que en presencia de UV, ZnO produce de 3 a 4 veces más H2O2 que UV solo o que ZnO no irradiado con UV. En presencia de ligandos biológicamente relevantes, también medimos una reacción de Fenton a pH fisiológico con nanopartículas de Fe(II), Fe(III) o Fe3O4. Nuestros resultados apoyan la hipótesis de un mecanismo de aparición de MFF en dos pasos, en el que la presencia previa de Fe en los pulmones exacerba el estrés oxidativo, desencadenado por la fotocatálisis de ZnO, situación que podría ocurrir al soldar acero galvanizado. En términos más generales, esto plantea la cuestión del papel del mecanismo de Fenton en la exposición respiratoria a partículas metálicas y su posible contribución a otras enfermedades pulmonares.

La fiebre por humos metálicos (FMF) es una enfermedad ocupacional declarada en soldadores y caracterizada por síntomas agudos e inespecíficos como síntomas gripales, fiebre, escalofríos, dolor de cabeza, mialgias, malestar general, tos y náuseas1. El inicio de los síntomas generalmente ocurre de 4 a 10 horas después del cese de la exposición a los vapores que contienen metales. Los hallazgos clínicos iniciales son mínimos, siendo normales la frecuencia respiratoria, el examen pulmonar y la oximetría de pulso2,3. Con la exposición continua a humos metálicos durante una semana, a menudo se observa taquifilaxia, con los síntomas más graves después de un período sin exposición (por ejemplo, un fin de semana) y una mejoría de los síntomas durante el transcurso de la semana laboral. En una revisión retrospectiva de casos, el día más frecuente de manifestación de síntomas fue el lunes con una disminución constante de la frecuencia durante los siguientes días de la semana1. La radiografía de tórax inicial suele ser normal; la mayoría de las veces, los estudios de laboratorio no son necesarios, pero pueden mostrar una leucocitosis con desviación hacia la izquierda y una elevación de los marcadores inflamatorios. Las pruebas de función pulmonar durante la fase aguda pueden demostrar una disminución de la capacidad vital, que se normaliza con la recuperación. El tratamiento de la MFF es de apoyo y el pronóstico es bueno con una recuperación rápida y total entre 12 y 48 horas después del cese de la exposición en la mayoría de los casos3. Las secuelas a largo plazo son muy inusuales. Si bien los casos graves de MFF son raros, los casos benignos son comunes. En 2006, la prevalencia de MFF en los EE. UU. se estimó en 1500–2500 casos por año2.

La soldadura involucra la generación de un arco eléctrico como una poderosa fuente de energía capaz de hacer que los metales se fundan, con una radiación espectral de emisión amplia que cubre el dominio UV4,5. La producción de partículas de óxido de metal fino/ultrafino mediante el proceso de soldadura por vaporización-condensación también está bien establecida. Durante la soldadura de acero inoxidable, los vapores metálicos de la masa fundida y del electrodo forman, en condiciones de enfriamiento y oxidación, nanocristales y partículas finas de magnetita6. En el caso del acero inoxidable galvanizado, el aerosol generado se enriquece aún más con partículas de ZnO. A pesar de la coexistencia de radiación de alta energía y partículas de óxido metálico que pueden comportarse como semiconductores, los mecanismos actuales propuestos para MFF no consideran los rayos UV y sus posibles interacciones con partículas metálicas como variables causales, sino que se centran principalmente en escenarios de inhalación de partículas. Se sugirió que el MFF fuera inducido por la inhalación de partículas metálicas como las emitidas durante la soldadura. De hecho, el tamaño de estas partículas, típicamente en el rango micro y nanométrico, puede alcanzar fácilmente la región pulmonar alveolar. Se ha aceptado que la exposición a concentraciones tan altas como 77–600 mg Zn/m3 induce MFF7. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que una exposición a 2 mg/m3 durante 1 h es suficiente para inducir un aumento en el nivel de marcadores hematológicos8, mientras que no se han observado efectos hematológicos o cardiovasculares en sujetos expuestos a 0,5 mg/m3 de ZnO durante 2h9.

Si bien aún se desconoce la fisiopatología precisa de la MFF, se sospecha que, una vez que las partículas de los humos de soldadura se han depositado en las regiones bronquiolar y alveolar, el ZnO contenido induce la formación local de especies radicales de oxígeno (ROS). Estos ROS estimulan, a través de una vía de señalización celular, la liberación de citocinas proinflamatorias (incluido el factor de necrosis tumoral (TNF), interlecina-6 (IL-6) y -8 (IL8)) por los macrófagos pulmonares11, lo que da como resultado el desarrollo de síntomas como los observados en MFF10. Los estudios epidemiológicos en soldadores han respaldado la relación de tiempo y dosis-respuesta entre la exposición y la concentración de TNF, IL-6 e IL-8 en el lavado broncoalveolar. Sin embargo, aunque se controló la liberación de citocinas proinflamatorias en la población expuesta ocupacionalmente11,12, según nuestro conocimiento, no se realizaron estudios sobre la inducción de ROS por los vapores metálicos.

Por el contrario, se demostró que las ROS exógenas fueron generadas13 por partículas que contenían metal emitidas por fuentes de combustión como el tráfico vehicular, la quema de incienso, el humo del cigarrillo o la cocción a gas (Ver, Wang14. En particular, se ha encontrado una correlación positiva significativa entre Mn , contenido de V y Zn de estas partículas y las concentraciones de ROS Aún más, la fracción de metal soluble en agua de las partículas finas ambientales se asoció con la producción de ROS15.

La naturaleza nanométrica de las partículas no es suficiente para explicar la aparición de MFF en soldadores o su particular relación con el ZnO como se ha demostrado recientemente8. Si consideramos, por un lado, las propiedades fotocatalíticas del ZnO y, por otro lado, la capacidad de los metales de transición para producir HOׄ a través de las llamadas reacciones redox de Fenton 16, se pueden considerar otros mecanismos.

Recientemente, Lenzen et al. informó un escenario de estrés oxidativo original en el que el peróxido de hidrógeno actúa como una especie pro-radical capaz de distribuir el radical hidroxilo en las células a través de reacciones tipo Fenton localizadas en el sitio17. De manera similar, planteamos la hipótesis de que los factores ambientales (UV, humedad relativa) y la presencia de nanopartículas de ZnO y Fe3O4 permiten la producción de radicales hidroxilo, a través de la producción de peróxido de hidrógeno gaseoso, que contribuyen a exacerbar la respuesta inflamatoria al ZnO, lo que explica la carácter muy circunstancial de la aparición de MFF. Específicamente, queremos evaluar si una combinación de nanopartículas de ZnO y Fe3O4 activadas por UV induce una vía de estrés oxidativo fotohabilitada en las células del epitelio, de acuerdo con un escenario de dos pasos:

El ZnO, en forma de capa de revestimiento de acero o nanopartículas producidas por calor, expuesto a la luz ultravioleta produce primero peróxido de hidrógeno gaseoso mediante fotocatálisis;

El peróxido de hidrógeno inhalado desencadena la generación in situ de radicales hidroxilo mediante una reacción heterogénea similar a la de Fenton con las nanopartículas de Fe3O4 depositadas previamente en los pulmones.

Si se establecen, estos mecanismos respaldarían la teoría del mecanismo ROS en el inicio de la MFF y podrían explicar por qué se asocia con frecuencia con la soldadura de acero galvanizado, que involucra luz ultravioleta, así como nanopartículas de Fe3O4 y una capa de ZnO.

La hipótesis de un mecanismo de activación de dos pasos de la MFF después de la exposición a los humos de soldadura se basa en una suposición doble como se esquematiza en la Fig. 1: (1) durante la soldadura de acero galvanizado, la capa de ZnO, así como el ZnO NP generado por calor en el aire – se somete a fotocatálisis UV en las proximidades del arco de soldadura produciendo H2O2 en fase gaseosa; (2) Cuando entra en contacto con Fe3O4 NP estabilizado con ligando depositado previamente en el tracto respiratorio (exposición aguda/crónica), el H2O2 inhalado (exposición aguda) desencadena una reacción de Fenton in situ con producción de radicales hidroxilo.

Esquemas de la hipótesis del mecanismo MFF de 2 pasos que se basa en condiciones específicas en las que la exposición crónica a nanopartículas de magnetita eventualmente estabilizada con ligandos biológicos en las vías respiratorias sufre una reacción de Fenton a pH fisiológico desencadenada por la exposición aguda a H2O2 en fase gaseosa generada a través de la fotocatálisis ZnO-UV .

Centrándose en la fotocatálisis de ZnO, la configuración experimental representada en la Fig. 2 tenía como objetivo imitar el escenario de soldadura de acero galvanizado cerca de la superficie soldada, donde las partículas de ZnO están expuestas a la luz ultravioleta (254 nm) en presencia de aire. En resumen, la corriente de aire (2 l/min) conduce el H2O2 producido fotocatalíticamente a partir de la capa de ZnO NP al borboteador de recolección lleno de agua ultrapura, para su análisis. Los resultados obtenidos a diferentes niveles de humedad relativa (HR) muestran claramente el efecto de la radiación UV en la generación de H2O2 catalizada por ZnO (Fig. 3). De manera similar a lo que ya se observó para el TiO2, el comportamiento semiconductor del ZnO irradiado con UV permite una oxidación rápida de las moléculas de agua en la superficie a través de la formación de ē/h+18. Curiosamente, la producción de H2O2 en el aire es mayor en condiciones de HR moderada (56 %) a 12,3 pmol/guarida que en rangos de HR más bajos (12 %) y más altos (82 %), ambos con un valor de alrededor de 8,3 pmol/guarida. El análisis comparativo de los experimentos de control correspondientes, ZnO/UV(-) y ZnO(-)/UV, destaca la formación de H2O2 procedente de la reactividad cruzada del oxígeno singulete ·O1 de generación UV con agua, la máxima reactividad del aire— 5,1 pmol/guarida, que se alcanza con una HR alta. El cálculo de los rendimientos fotocatalíticos completos que abarcan las contribuciones de ZnO y aire proporciona valores comprendidos por 3.4, 4.0 y 3.2 correspondientes respectivamente a condiciones de HR baja, suave y alta. En estas condiciones experimentales se consigue un rendimiento fotocatalítico máximo de 3,4 a HR suave específicamente para ZnO, descartando la reactividad aire-UV.

Vista esquemática de la configuración experimental para la exposición de la capa depositada de nanopartículas de ZnO a la radiación UV (254 nm) y la posterior determinación cuantitativa del H2O2 en el aire producido fotocatalíticamente.

Potencial oxidativo del H2O2 en el aire (pmol/Lair) producido fotocatalíticamente después de la exposición a la radiación UV (254 nm), para tres condiciones experimentales: UV solo, ZnO solo, UV y ZnO.

Además de la generación fotocatalítica de H2O2 en fase gaseosa, primera suposición de nuestra hipótesis mecanicista, se estudió la posibilidad de que ocurra una reacción de Fenton con Fe3O4 NP a pH fisiológico. Además, se llevaron a cabo experimentos comparativos con Fe(II) y Fe(III) ya que la disolución de Fe3O4 NP hace plausible la coexistencia de reacciones Fe(II)/Fenton y Fe(III)/Fenton. Sin embargo, la reacción de Fenton de hierro cerovalente (ZVI/Fenton) no es probable que suceda ya que la condensación/oxidación de los vapores de Fe(0) predominantemente da lugar a la formación de nanocristales de magnetita6.

De manera similar a estudios previos, se usó la degradación de un colorante orgánico, aquí el azul de bromofenol (BPB), para evaluar indirectamente la reacción de Fenton a través de la generación de radicales hidroxilo en el sistema19. Se siguió la cinética de la degradación de BPB mediante mediciones basadas en la absorbancia (590 nm) de alto rendimiento en formato de microplaca de 96 pocillos. Las curvas de la Fig. 4 muestran la cinética de degradación de BPB obtenida con Fe(II), Fe(III) o Fe3O4 NP en presencia (o no) de ligandos biológicos como citrato, oxalato y moco diluido. Estas curvas cinéticas se calculan a partir de las curvas de respuesta de tiempo corregidas por control de los valores de absorbancia correspondientes. En ausencia de ligando, no se observa una degradación significativa de BPB para Fe(II) y Fe(III) después de la adición de H2O2, mientras que la señal de absorbancia correspondiente a Fe(II) aumenta ligeramente, probablemente debido a la formación progresiva de una interferencia óptica. A su vez, la presencia de citrato con Fe(II) y Fe(III) induce una degradación más rápida de BPB después de 4 h, lo que indica la generación de radicales hidroxilo en el sistema. Del mismo modo, el oxalato y el moco muestran ser ligandos favorables de ambos iones de hierro para permitir que Fenton ocurra a pH cercano al fisiológico, alcanzando valores relativos de [BPB] entre 40 y 80% después de 12 h. En contraste con Fe(II) y fe(III), Fe3O4 NP en ausencia de ligando muestra una degradación efectiva de BPB como consecuencia de la adición de H2O2 con alrededor del 50% de BPB degradado durante el período de medición. La decoloración del tinte resulta aún más potenciada cuando el citrato y el oxalato actúan como agentes quelantes alcanzando como máximo un 80% de degradación. Las correspondientes constantes de velocidad cinética aparente calculadas de primer orden, k1, resumidas en la Tabla 1, proporcionan más información sobre el papel de la quelación en la mejora de la reacción de Fenton en condiciones casi fisiológicas. Las constantes de velocidad calculadas permiten la comparación cuantitativa de la capacidad de los diferentes ligandos para impulsar la reacción de Fenton para una especie de hierro individual dada, Fe(II), Fe(III) o Fe3O4 NP, así como el efecto comparativo de un ligando dado en Fe( II) y Fe(III) debido a sus concentraciones equimolares experimentales. Sin embargo, siempre que en el caso de Fe3O4 NP se desconozca la concentración de sitios activos de Fe(II) y Fe(III), no se puede establecer una comparación cruzada con las constantes de velocidad obtenidas para Fe(II) y Fe(III). Se debe tener la misma precaución al interpretar el efecto de la mucosidad en comparación con el citrato y el oxalato, ya que no se conoce con precisión su composición cualitativa y cuantitativa. El análisis de las constantes de velocidad aparente obtenidas indica claramente que el citrato actúa favorablemente sobre Fe(II), Fe(III) y Fe3O4 NP para permitir o mejorar la reacción de Fenton a pH fisiológico. A su vez, el oxalato no tiene un efecto significativo sobre el Fe(II) y mejora ligeramente el coeficiente de correlación de la linealización de primer orden para el Fe(III) (R2 = 0,71), aunque no se va a estimar consistentemente una constante de velocidad aparente a partir de él. En el caso del moco, la mejora de la cinética de la reacción desde la situación sin ligando es visible para el Fe(II) y en mayor medida para el Fe(III). Las NP de Fe3O4 nativas permiten la reacción de Fenton en presencia de H2O2 y los resultados cinéticos de la reacción de Fenton aumentan aún más en presencia de citrato u oxalato, aproximadamente al doble. Se observa un efecto inverso con Fe3O4 NP en presencia de moco que parece actuar como un inhibidor de la reacción de Fenton a través de la eliminación del radical hidroxilo producido eventualmente o como un revestimiento pasivante a través de la fisisorción en la superficie de la NP.

Degradación de BPB inducida por la adición de H2O2 (5 mM) calculada a partir de datos cinéticos espectrofotométricos para Fe(II) (a), Fe(III) (b) y Fe3O4 NP (c). Cada punto resulta de la corrección de los valores de absorbancia experimentales con los espacios en blanco correspondientes (sin BPB; sin H2O2) y después de la conversión a concentración de BPB.

De manera similar a algunos óxidos de metales de transición que exhiben un comportamiento semiconductor, típicamente TiO2-ZnO se absorbe fuertemente en el dominio de la luz ultravioleta con la formación de pares de electrones/huecos en la superficie (banda de energía prohibida 3,36 eV)20,21. Aunque se pueden encontrar tres estructuras cristalinas de ZnO: wurtzita, blenda de zinc y sal de roca, la primera red es ampliamente predominante (estructura hexagonal con simetría de enlace tetraédrico) debido a su mayor estabilidad termodinámica22. Para la capa de ZnO NP y ZnO diseñada mediante la oxidación con O2 del acero galvanizado (tasa de crecimiento de ZnO: 5 µm/año), la red cristalina en condiciones ambientales es la estructura de Wurtzita23,24,25. En condiciones ambientales, la rápida recombinación ē/h+ ocurre a través de dos procesos redox que involucran oxígeno molecular y agua. Esto da como resultado la formación de una serie de ROS como aniones radicales superóxido, radicales hidroxilo y peróxido de hidrógeno. Al proporcionar el tiempo de vida media ultrarrápido del radical hidroxilo (10–6 s)17 y la relativa estabilidad del peróxido de hidrógeno gaseoso en condiciones ambientales (tiempo de vida media de 2 a 24 h), es probable que esta última especie contribuya predominantemente a la medida. Se encontró peróxido de hidrógeno en la corriente de aire experimental que fluía de la cámara de ZnO activada por UV con un rendimiento fotocatalítico promedio de aproximadamente 4 veces en condiciones de HR leve. En un estudio anterior centrado en el mecanismo fotocatalítico involucrado en el aerosol de TiO2 NP expuesto a los rayos UV, ya observamos que la principal respuesta de ROS se originaba en la fase gaseosa26. Los presentes resultados confirman, al menos cualitativamente, que parte del peróxido de hidrógeno producido en la superficie de ZnO, como el ROS más estable, encuentra su camino hacia el entorno circundante. El significado de la HR óptima para que ocurra la fotocatálisis en nuestra configuración experimental sigue sin explicarse, sin embargo, está claro que, en condiciones ambientales realistas, la irradiación UV produce peróxido de hidrógeno en el aire. El gas inerte de protección (argón o helio) se utiliza en el contexto de la soldadura profesional precisamente para evitar procesos de oxidación, por lo que no se debe esperar la generación de ROS directamente en el punto de soldadura. Sin embargo, es probable que la generación de peróxido de hidrógeno gaseoso ocurra en una zona más amplia donde las radiaciones UV inducidas por el arco se encuentran con el aire ambiente y el ZnO, ya sea en forma de nanopartículas generadas por calor en el aire o en una capa de recubrimiento de metal nativo. Sorprendentemente, a pesar del conocido comportamiento fotocatalítico del ZnO, el riesgo potencial asociado a la exposición a la inhalación de ROS durante la soldadura apenas se ha informado hasta el momento. Por el contrario, la generación de ozono a través de la reacción inducida por UV de oxígeno molecular en singlete de oxígeno se muestra como un peligro potencial en la literatura de seguridad ocupacional dedicada a la soldadura. Lejos de pretender imitar de cerca una situación de soldadura ocupacional, aunque la irradiancia estimada en la configuración experimental (1,6 mW/cm2) está en el rango de los valores medidos ocupacionales (0,045–2,2 mW/cm2), los experimentos actuales indican claramente que el galvanizado -La soldadura de acero da lugar a una fuente adicional de ROS, como el peróxido de hidrógeno, capaz de difundirse libremente desde la superficie expuesta a los rayos UV de ZnO al espacio circundante. La concentración máxima de exposición de H2O2 se puede estimar teniendo en cuenta: (i) la cantidad total de H2O2 producida durante un experimento (400 pmol en 10 min); (ii) el volumen medio teórico inhalado durante este período (75 L). Suponiendo que ninguna dilución afecte la concentración de H2O2 desde la fuente hasta la zona de respiración (en el peor de los casos), la concentración máxima resultante de H2O2 es de 5,3 nmol/m3. Este valor está muy por debajo del límite de exposición ocupacional (OEL) de 21 µmol/m3 (0,71 mg/m3; 8 h TWA). Por sí sola, la exposición al H2O2 originada por el comportamiento fotocatalítico del ZnO en presencia de radiación ultravioleta difícilmente podría causar síntomas de MFF, pero la hipótesis de un efecto desencadenante de la reacción de Fenton sigue siendo plausible.

Con respecto a la segunda suposición de nuestra hipótesis, el efecto acelerador de los ligandos quelantes en las velocidades de reacción de Fenton y Fenton-like a pH ácido en presencia de Fe(II), Fe(III) o Cu(I) está bien informado en la literatura. como un enfoque prometedor para la eliminación de contaminantes orgánicos de las aguas residuales27,28. Tal mejora en la cinética de reacción se atribuye principalmente al hecho de que la interacción metal-ligando reduce el potencial redox E° del complejo al reducir su carga positiva29,30. Este impacto de los ligandos polidentados en el complejo se refleja además en la extensión del pH efectivo hasta valores circumneutrales. Además, la quelación del hierro en el complejo evita la formación de hidróxidos de Fe(III), lo que permite que se produzca el ciclo clave Fe(III)/Fe(II)28. De manera similar a los resultados aquí obtenidos, el citrato pertenece al grupo de agentes quelantes biológicos con un comportamiento reductor suave que promueven de manera eficiente la reacción de Fenton del Fe (II) con la generación de radicales hidroxilo a pH casi neutro. Sin embargo, la última especie no se observa en ausencia de ligando28,31. A su vez, la falta de reacción de Fenton observada con el oxalato actuando como ligando quelante podría atribuirse a la baja constante de estabilidad del complejo formado con Fe(II), aunque los resultados de oxalato/ácido oxálico son eficientes para mejorar los sistemas foto-Fenton30.

La degradación de BPB observada para el Fe3O4 nativo a pH neutro traduce la reacción heterogénea de tipo Fenton que se produce en la superficie de la NP en presencia de H2O2. Las propiedades redox únicas de la magnetita NP se han relacionado con su estructura cristalina de espinela inversa en la que la mitad de los iones Fe(III) están coordinados tetraédricamente, mientras que la otra mitad de Fe(III) y todo el Fe(II) están coordinados octaédricamente32. Esta estructura cristalina permite que el óxido de hierro de valencia mixta experimente una transferencia de electrones eficiente desde el Fe(II) y el Fe(III) en los sitios octaédricos33. En otras palabras, las dos especies de iones que constituyen la magnetita se pueden oxidar y reducir de forma reversible sin modificar la estructura cristalina34. El pensamiento racional en términos de potencial redox conduce a la suposición de que el potencial redox estándar para ≡Fe(III)/≡Fe(II) en la superficie de la NP Fe3O4 sería necesariamente menor que el valor correspondiente para Fe(III)/Fe( II) en solución (E° = 0,77 V). En términos de mecanismo, la eficiente reacción heterogénea similar a Fenton observada con Fe3O4 NP a pH neutro, donde el papel de los iones disueltos podría despreciarse, implica la formación de especies de hierro de alta valencia como ≡Fe(IV) como intermediarios33. Además, tanto la alta relación superficie/volumen como la ubicación de los sitios activos en la superficie de la partícula son responsables de la actividad catalítica mejorada de la NP de Fe3O4 en comparación con su contraparte a granel34. Esta reacción heterogénea tipo Fenton representa un procedimiento de mineralización bien establecido para lograr la degradación reductora de numerosos contaminantes orgánicos a través de la generación de radicales hidroxilo28,33,35,36,37. Curiosamente, Qu et al. mostró recientemente que se logra una reacción rápida similar a la de Fenton en membranas de BiOI diseñadas en dos facetas que exhiben sitios de reacción ricos/pobres en electrones38. Por analogía con la membrana de ingeniería de facetas, el papel del nanoconfinamiento espacial de los radicales hidroxilo en la superficie de magnetita NP y el rápido puente de electrones internos desde los sitios adyacentes de Fe (II) / Fe (III) son posibles mecanismos que deben explorarse para explicar el eficiencia resultante de Fenton. En este contexto de reacción heterogénea tipo Fenton, la acción positiva observada del citrato y el oxalato sobre la constante de velocidad de reacción podría atribuirse a sus propiedades reductoras suaves que permiten ciclos eficientes de ≡Fe(III)/≡Fe(II). Por el contrario, la presencia de moco parece dificultar la accesibilidad de los sitios de reacción de la superficie de la NP de Fe3O4, lo que da como resultado una reducción significativa de la correspondiente tasa de reacción de tipo Fenton. Se podría plantear la hipótesis de que la formación de una corona de proteína en la superficie de la NP de Fe3O4 a través de la fisisorción y/o las interacciones electrostáticas podría causar dicho problema de impedimento estérico.

Los resultados obtenidos en este estudio apoyan la hipótesis de un mecanismo desencadenante de MFF de dos pasos a través de una reacción fotocatalítica de ZnO y la producción intrapulmonar de especies de ROS a través de una reacción de Fenton. Esta prueba de concepto experimental, sin embargo, no constituye una demostración del papel de un mecanismo de Fenton en la respuesta inflamatoria pulmonar. Aunque hemos intentado reproducir experimentalmente condiciones cercanas al entorno pulmonar en términos de pH, temperatura (37 °C) y presencia de ligandos, estas condiciones no son suficientes para representar la complejidad del entorno biológico. Todavía serán necesarios más estudios, por ejemplo utilizando modelos 3D in vitro, para consolidar estas hipótesis. La validación del mecanismo explicaría la prevalencia de MFF en soldadores que trabajan en acero galvanizado, lo que implica una exposición crónica a nanopartículas de hierro y la presencia circunstancial de superficies y partículas de ZnO, así como luz ultravioleta. Curiosamente, esta hipótesis mecanicista también implica que la exposición crónica a nanopartículas de magnetita produce radicales hidroxilo en las células del tracto respiratorio a través de la reacción de Fenton. La aparición de MFF sería entonces "solo" la manifestación aguda del estrés oxidativo, que se sabe que contribuye a otras enfermedades pulmonares a largo plazo. Sin embargo, se deben realizar más estudios en condiciones experimentales más cercanas a las de la soldadura para consolidar esta hipótesis.

nanopolvos de ZnO (< 100 nm) y magnetita Fe3O4 (< 50 nm) (Aldrich); sulfato de amonio y hierro (II) (Merk), cloruro de hierro (III) hexahidratado (Merk); azul de bromofenol (Aldrich); ácido sulfúrico 98% (Merck); sal tetrasódica de naranja de xilenol (Fluka); D-sorbitol (Fluka); hidróxido de sodio (Fluka); ácido clorhídrico al 30% (VWR); citrato de sodio tribásico dihidrato (Aldrich); ácido oxálico (Aldrich), agua ultrapura (MiliQ, 18,2 MΩ.cm a 25 °C, < 5 ppb de carbono orgánico total, filtrado a través de un filtro de 0,2 µm).

La configuración experimental para evaluar la producción de H2O2 gaseoso a partir de la fotocatálisis de ZnO inducida por UV se muestra en la Fig. 2. En resumen, consistía en una placa de vidrio recubierta con ZnO NP (deposición húmeda de multicapa de NP) insertada en una semicapa de vidrio horizontal. cilindro con tapones de entrada/salida de aire colocados en cada extremo. Es importante destacar que el medio cilindro se selló con una placa superior de cuarzo frente a una lámpara de tubo UV-C (Camag modelo 29,200; 254 nm). Aguas arriba, un sistema de dos vías conectado a aire limpio presurizado y nebulizador lleno de agua (Collison, 250 mL) permitió alimentar la cámara de exposición descrita anteriormente (2 L) con aire a humedad relativa controlada. El monitoreo de temperatura y humedad relativa se logró mediante el Data logger Ecolog TH1 (Elpro). Durante los experimentos, el flujo de aire (1 Lmin-1) se condujo a través de la cámara de exposición en contacto con la capa de ZnO NP y finalmente se dirigió hacia afuera, hacia un impactador de recolección (5 mL de miliQ H2O). Se utilizaron medidores de flujo másico digitales (red-y, Vögtlin Instruments AG, tecnología de flujo, Aesch BL, Suiza) para medir los flujos de aire dentro de la configuración. En cada ejecución, el aire saliente se recogió durante 10 min y se analizó el H2O2 producido por fotocatálisis. Se utilizó un contador de partículas de lectura directa (DustTrackII; National Instruments) para monitorear la ausencia de partículas en la corriente de aire del vehículo. Los experimentos de control consistieron en medir el H2O2 generado i) sin radiación UV y ii) sin ZnO NP.

Las concentraciones de H2O2 gaseoso recolectadas por impacto se analizaron con el dispositivo fotónico basado en la absorbancia mejorada por multidispersión adaptada al ensayo FOX-II39. La solución de ensayo FOX se preparó diariamente mezclando sulfato de amonio y hierro (II) (260 µM), naranja de xilenol (130 µM) y D-sorbitol (100 mM) en ácido sulfúrico (25 mM). La solución se mantuvo en un matraz de vidrio coloreado (100 mL). Inmediatamente después de cada ejecución experimental, se añadió la solución de recolección (300 µL) al vial FOX (700 µL) y se procesó la medición durante 3 min. Cada serie se midió por triplicado.

Las soluciones férricas y ferrosas se prepararon a 1 mM en agua MiliQ; para la mezcla de soluciones de hierro-ligando, se añadieron 10 mM de citrato u oxalato. Se recolectó moco de doce insertos bronquiales MucilAir, el modelo celular in vitro del epitelio de las vías respiratorias humanas cultivado en la interfaz aire-líquido de Epithelix (Ginebra, Suiza) mediante centrifugación a 300 rpm durante 5 min. Una vez agrupadas, las mucosidades se diluyeron en agua MilliQ hasta alcanzar una concentración de 10 g L−1 de hierro en solución. Para la preparación de las suspensiones de magnetita NP, se adicionaron directamente 150 mg de nanopolvo a cada una de las soluciones de los ligandos (100 mL de oxalato, citrato o moco) a las concentraciones mencionadas y se sonicaron por 5 min. Todas las soluciones/suspensiones se prepararon diariamente y se mantuvieron a 4 °C. Antes del uso, el pH se ajustó a 7. Se preparó una solución acuosa de azul de bromofenol (BPB) a partir de una solución madre concentrada de MeOH a una concentración final de 20 µM.

La eficiencia de la reacción de Fenton bajo diferentes condiciones de especiación del hierro.

–Fe(II), Fe(III), Fe3O4 NP—y tipos de ligando—citrato, oxalato, moco—se evaluó a través de la degradación del azul de bromofenol (BPB) por los iones hidroxilo producidos. BPB exhibe una fuerte absortividad molar a 590 nm, por lo que su degradación debido a la reacción de Fenton se controló utilizando un espectrofotómetro (lector de microplacas multimodo Infinite® 200 PRO de Tecan Group Ltd.) y un sistema de microplacas de 96 pocillos. Cada pocillo se llenó con la solución/suspensión de ligando de hierro (200 µL), BPB (10 µL de 20 µM) y H2O2 (10 µL de 100 mM). Se llevaron a cabo dos series de experimentos de control para cada pareja hierro-ligando: (i) sustitución de H2O2 por H2O ultrapura; (ii) reemplazando BPB con H2O. Otro experimento de control consistió en reemplazar el hierro con H2O ajustado a pH 7.0, como se indica en la Fig. 5. La cinética de degradación de BPB se determinó durante 24 h (1 corrida/h; 37 °C; 3 s de agitación entre corridas) con todos los condiciones experimentales por triplicado, y analizado en la misma microplaca. Los perfiles de degradación de BPB se calcularon a partir de los valores de absorbancia de la siguiente manera:

donde: \(\left[BP{B}_{H2O2}\right]=[\left(FeL+BPB+{H}_{2}{O}_{2}\right)-\left(FeL+{H }_{2}{O}_{2}\right)]\), y\(\left[BPB\right]=[\left(FeL+BPB\right)-\left(FeL\right)]\ ).

Protocolo experimental para la determinación cuantitativa de la producción de radicales hidroxilo a partir de la reacción de Fenton con varios sistemas hierro/ligando a pH 7,0. El experimento se realiza en una microplaca de 96 pocillos con volúmenes de reacción finales de 200 µL/pocillo. Para cada sistema FeL bajo estudio, la combinación de situaciones de control y de "reacción completa" permite determinar la evolución cinética de la degradación de BPB inducida por la liberación de radicales hidroxilo.

Para estimar las constantes cinéticas de la reacción de Fenton medidas indirectamente como degradación de BPB, los datos de absorbancia correspondientes se convirtieron en [BPB], expresados en mol/L, a través de una curva de calibración establecida a pH 7,0 en el rango de 0–2 µM. Para cada una de las situaciones de hierro/ligando, las constantes de orden cero, primero y segundo se determinaron a partir de las gráficas de linealización adecuadas [Santana_2019]. Los mayores coeficientes de correlación se observaron para el modelo de primer orden: Ln([BPB]) = f(t), lo que proporciona valores constantes de velocidad aparente significativos, k1, siempre que R2 > 0,9.

No se requirió aprobación ética para este estudio porque no se realizó ninguna investigación en sujetos humanos o animales.

Los datos experimentales generados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por subvenciones del Centro Suizo de Toxicología Humana Aplicada (SCAHT) y la Fundación para la Investigación del Pulmón de Polvo (Stiftung für Staublungen-Forschung, Luzern).

Departamento de Salud Ocupacional y Ambiental, Centro de Atención Primaria y Salud Pública (Unisanté), Universidad de Lausana, rte de la Corniche 2, 1066, Epalinges-Lausana, Suiza

Guillaume Suárez, Hélène Niculita-Hirzel, Daniela Correia & David Vernez

División Pulmonar, Departamento de Medicina, Hospitales Universitarios de Ginebra, 1211, Ginebra, Suiza

Jacques A. Pralong

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Correspondencia a David Vernez.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Suárez, G., Niculita-Hirzel, H., Correia, D. et al. Un mecanismo sinérgico propuesto para la fiebre de humos metálicos que involucra nanopartículas de ZnO y Fe3O4. Informe científico 12, 15643 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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Recibido: 07 junio 2022

Aceptado: 07 septiembre 2022

Publicado: 19 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19956-1

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