Elucidating the mechanisms of nickel compound uptake: A review of particulate and nano-nickel endocytosis and toxicity

Abstract

Nickel (Ni) is a worldwide pollutant and contaminant that humans are exposed to through various avenues resulting in multiple toxic responses - most alarming is its clear carcinogenic nature. A variety of particulate Ni compounds persist in the environment and can be distinguished by characteristics such as solubility, structure, and surface charge. These characteristics influence cellular uptake and toxicity. Some particulate forms of Ni are carcinogenic and are directly and rapidly endocytized by cells. A series of studies conducted in the 1980’s observed this process, and we have reanalyzed the results of these studies to help elucidate the molecular mechanism of particulate Ni uptake. Originally the process of uptake observed was described as phagocytosis, however in the context of recent research we hypothesize that the process is macropinocytosis and/or clathrin mediated endocytosis. Primary considerations in determining the route of uptake here include calcium dependence, particle size, and inhibition through temperature and pharmacological approaches. Particle characteristics that influenced uptake include size, charge, surface characteristics, and structure. This discussion is relevant in the context of nanoparticle studies and the emerging interest in nano-nickel (nano-Ni), where toxicity assessments require a clear understanding of the parameters of particulate uptake and where establishment of such parameters is often obscured through inconsistencies across experimental systems. In this regard, this review aims to carefully document one system (particulate nickel compound uptake) and characterize its properties.

Níquel en alimentos y factores influyentes en sus niveles, ingesta, biodisponibilidad y toxicidad: una revisión

“…Por otro lado, existen especies escasamente solubles en medios acuosos, como el subsulfuro de Ni (Ni 3 S 2 ), que entran por la vía endocítica, y que son de las formas más tóxicas y cancerígenas. Otras especies, también escasamente solubles en medio acuoso, como la forma amorfa del NiS, no penetran en la célula y como tal, tienen poca o ninguna importancia toxicológica (Muñoz & Costa, 2012).…”

“…En los últimos años se está subrayando la importancia de las nano-partículas de Ni, las cuales en general son más tóxicas que las formas solubles (Muñoz & Costa, 2012). Estas nanopartículas concretamente de hidróxido de Ni (nano-NiH), están siendo cada vez más utilizadas en las industrias energéticas y de alimentación, y son las que presentan un mayor potencial tóxico, respecto al correspondiente a las nano-partículas de sulfato de níquel (nano-NiS).…”

“…Cuando las células con cáncer de leucemia K562 fueron expuestas a nano-partículas de Ni de 30 nm, se produjo el daño en el ADN que condujo a una disminución de la viabilidad celular, efecto dependiente de la dosis y del tiempo de exposición. Además se pudieron observar efectos de apoptosis y necrosis (Clancy & Costa, 2012;Muñoz & Costa, 2012).…”

“…Tras esta exposición, también se vio un aumento de la albúmina urinaria siendo, el riñón el principal órgano de acumulación de níquel, apreciándose sin embargo un menor daño en los túbulos renales y en la unión cortico-medular (Muñoz & Costa, 2012). Adicionalmente a estos efectos se ha indicado también, que el agua contaminada por níquel puede provocar efectos neurológicos (vértigo, cansancio) (Kas, Das, & Dhundasi 2008).…”

“…Por otro lado, se vio que para los trabajadores de la minería del níquel no había ninguna evidencia de que el cáncer de pulmón de los mineros estuviera relacionado con el níquel. Esto se debe a que, el mineral predominante en las menas de níquel es la pentlandita [(Ni, Fe) 9 S 8 ], la cual es muy diferente al resto de las especies de sulfuro de níquel encontradas en la refinería (NiS, NiS 2 y Ni 2 S 3 ) (Muñoz & Costa, 2012). Los mecanismos de captación celular pueden explicar porque las especies inhaladas menos solubles de los sulfuros de níquel y los óxidos, son más cancerígenos que las especies solubles.…”