BackgroundNano- and microscale copper oxide particles (CuO NP, CuO MP) are applied for manifold purposes, enhancing exposure and thus the potential risk of adverse health effects. Based on the pronounced in vitro cytotoxicity of CuO NP, systematic investigations on the mode of action are required. Therefore, the impact of CuO NP, CuO MP and CuCl2 on the DNA damage response on transcriptional level was investigated by quantitative gene expression profiling via high-throughput RT-qPCR. Cytotoxicity, copper uptake and the impact on the oxidative stress response, cell cycle regulation and apoptosis were further analysed on the functional level.ResultsCytotoxicity of CuO NP was more pronounced when compared to CuO MP and CuCl2 in human bronchial epithelial BEAS-2B cells. Uptake studies revealed an intracellular copper overload in the soluble fractions of both cytoplasm and nucleus, reaching up to millimolar concentrations in case of CuO NP and considerably lower levels in case of CuO MP and CuCl2. Moreover, CuCl2 caused copper accumulation in the nucleus only at cytotoxic concentrations. Gene expression analysis in BEAS-2B and A549 cells revealed a strong induction of uptake-related metallothionein genes, oxidative stress-sensitive and pro-inflammatory genes, anti-oxidative defense-associated genes as well as those coding for the cell cycle inhibitor p21 and the pro-apoptotic Noxa and DR5. While DNA damage inducible genes were activated, genes coding for distinct DNA repair factors were down-regulated. Modulation of gene expression was most pronounced in case of CuO NP as compared to CuO MP and CuCl2 and more distinct in BEAS-2B cells. GSH depletion and activation of Nrf2 in HeLa S3 cells confirmed oxidative stress induction, mainly restricted to CuO NP. Also, cell cycle arrest and apoptosis induction were most distinct for CuO NP.ConclusionsThe high cytotoxicity and marked impact on gene expression by CuO NP can be ascribed to the strong intracellular copper ion release, with subsequent copper accumulation in the cytoplasm and the nucleus. Modulation of gene expression by CuO NP appeared to be primarily oxidative stress-related and was more pronounced in redox-sensitive BEAS-2B cells. Regarding CuCl2, relevant modulations of gene expression were restricted to cytotoxic concentrations provoking impaired copper homoeostasis.Electronic supplementary materialThe online version of this article (doi:10.1186/s12989-017-0209-1) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Zusammenfassung Metallverbindungen sind ubiquitär in der Erdkruste vorhanden und unverzichtbar für viele technische Anwendungen. Auch Spurenelemente sind in biologischen Systemen essentiell. Allerdings sind einige Metallverbindungen toxisch und sogar krebserzeugend, und auch bei Spurenelementen kommt der zellulären Homöostase eine entscheidende Rolle zu. Ein wichtiger Aspekt ist die Rolle von Metallionen bei der Aufrechterhaltung der Stabilität des Genoms. Während Spurenelemente beispielsweise als Bestandteile von Zink‐bindenden Domänen entscheidend zum korrekten Ablauf von DNA‐Reparaturprozessen und Tumorsuppressorfunktionen beitragen, sind es genau diese Strukturen, die besonders empfindliche Angriffspunkte für toxische Metallionen darstellen können. Aber auch Spurenelemente können toxisch sein, wenn die bei ausgewogener Ernährung gut regulierten intrazellulären Gehalte beispielsweise durch zu hohe Aufnahmemengen oder durch nicht physiologische Aufnahmewege deutlich überschritten werden. Einen vielversprechenden Ansatz zur Aufklärung von Wirkungsmechanismen bietet eine kürzlich etablierte High‐Throughput‐RT qPCR‐Methode, die es ermöglicht, den Einfluss auf 95 ausgewählte Gene, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität spielen, in 96 Proben parallel zu untersuchen. Neben der Erstellung toxikologischer „Fingerprints“ ermöglicht dieses System die Betrachtung von Dosis‐Wirkungs‐Beziehungen, vergleichende Untersuchungen unterschiedlicher Metallspezies sowie detaillierte mechanistische Analysen beispielsweise metallhaltiger Nanopartikel. Alle diese Aspekte sind wichtige Voraussetzungen für eine wissenschaftlich basierte Nutzen‐Risiko‐Bewertung.

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