Interaction of engineered metal nanoparticles and porcine gametes | Interaktion von synthetisierten Metall-Nanopartikeln und Gameten vom Schwein

German. Der Einsatz von Nanotechnologie in Konsumgütern, Lebensmitteln, technischen Anwendungen und in der Medizin nimmt stetig zu. Die besonderen Eigenschaften von Nanomaterialien können vorteilhaft genutzt werden, aber sie stellen auch ein Risiko dar. Trotz der intensiven Forschung im Bereich Nanotoxikologie gibt es bisher nur wenig aussagekräftige und allgemeingültige Informationen. Vor allem der Einfluss von Nanomaterialien auf die Reproduktion ist noch nicht hinlänglich bekannt. Das Ziel dieser Arbeit war die Interaktion von Nanopartikeln und Gameten vom Schwein zu untersuchen. Die eingesetzten Nanopartikel wurden aus Gold, Silber, Gold-Silber-Legierung, Nickel-Titan-Legierung oder Chrom-Nickel-Eisen-Legierung hergestellt. Diese Nanopartikel wurden dem Medium während der In-vitro-Reifung von Schweineeizellen zugesetzt oder mit ejakulierten Eberspermien inkubiert. Anschließend wurde der Einfluss der Nanopartikel auf die Eizellreifung und Motilität, Membranintegrität und Morphologie von Spermien untersucht. Außerdem wurde mithilfe von Konfokalmikroskopie das Aufnahmeverhalten an Kumulus-Eizell-Komplexen geprüft. Goldnanopartikel haben die Spermien und Eizellen nicht beeinflusst, obwohl die Nanopartikel in großer Zahl in das Zytoplasma der Eizellen vorgedrungen sind. Zuvor beschriebene Effekte auf die Spermienmotilität konnten durch Umhüllen der Nanopartikel mit bovinem Serumalbumin verhindert werden. Auch die Nickel-Titan- und Chrom-Nickel-Eisen-Nanopartikel hatten keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. Die Nanopartikel mit Silberanteil haben die Spermienvitalität nicht beeinflusst, aber ein Silberanteil von über 60% führte zu einer signifikanten Reduzierung der Eizellreifung. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass Nanopartikel die Entwicklung und Vitalität von Gameten beeinflussen können. Es wurde gezeigt, dass nicht nur das Ausgangsmaterial der Nanopartikel für deren Effekt verantwortlich ist, sondern auch Liganden, Partikelgröße und Konjugationsmethode eine Rolle spielen. Eizellreifung und Spermienvitalität haben sich als Screening-Methode für die Effekte von Nanopartikeln bewährt. Außerdem bot das Testsystem die Möglichkeit die Interaktion von Nanopartikel und Zellen zu untersuchen.

English. Nanotechnology plays an increasing role in consumer products, foods, technical and biotechnological applications, and medical care. The unique characteristics of nanomaterials can be of great advantage, but also pose a possible threat. Even though nanotoxicology has been widely studied, predictive and reliable information are still scarce, especially for the effects of nanomaterials on reproductive functions. The aim of this work was to gain comprehensive information on the interactions of metal nanoparticles and porcine gametes. Experiments were conducted with nanoparticles made from gold, silver, gold silver alloys, nickel titanium alloys, or chromium nickel iron alloys. These different engineered metal nanoparticles were introduced to porcine cumulus oocyte complexes during in vitro maturation and to porcine ejaculated sperm. Subsequently, the influence of nanoparticles on oocyte maturation and sperm motility, membrane integrity and morphology was studied. Further, the uptake behaviour was inspected in cumulus oocyte complexes using laser scanning confocal microscopy. The parameters for sperm and oocytes were not affected by gold nanoparticles, even though large amounts of gold nanoparticles entered the cytoplasm of the oocytes. Coating of the nanoparticles with bovine serum albumin prevented previously described effects of gold nanoparticles on sperm motility. The nickel titanium nanoparticles and chromium nickel iron nanoparticles also did not influence any of the observed parameters. The silver containing nanoparticles had no impact on sperm vitality, but a silver content of more than 60% in the nanoparticles lead to a significant decrease in oocyte maturation rate. In conclusion that gamete development and viability can be influenced by nanoparticles. It was shown that not only material composition is important for toxicological outcome, but parameters like surface coating, size, and ligand conjugation also have an impact. Oocyte maturation and sperm vitality assays have proven to be reliable tools for nanoparticle toxicology screening and provide the opportunity to investigate nanoparticle-cell-interactions.