Abstract Nanomaterial-induced diseases cannot be reliably predicted because of the lack of clearly identified causal relationships, in particular between acute exposures and chronic symptoms. By applying advanced microscopies and omics to in vitro and in vivo systems, together with in silico molecular modelling, we have here determined that the long-lasting response to a single exposure originates in the counteracting of a newly discovered nanomaterial quarantining and nanomaterial cycling among different lung cell types. This allows us to predict the nanomaterial-induced spectrum of lung inflammation using only in vitro measurements and in silico modelling. Besides its profound implications for cost-efficient animal-free predictive toxicology, our work also paves the way to a better mechanistic understanding of nanomaterial- induced cancer, fibrosis, and other chronic diseases.

Abstract Nanotechnologies hold great promise for various applications. To predict and guarantee the safety of novel nanomaterials, it is essential to understand their mechanism of action in an organism, causally connecting adverse outcomes with early molecular events. They are best investigated using non-invasive advanced optical methods, such as high-resolution live-cell fluorescence microscopy, which require stable labelling of nanoparticles with fluorescent dyes. When performed inadequately, unbound fluorophores and inadvertently altered chemical and physical properties of the nanoparticles can, however, result in experimental artefacts and erroneous conclusions. To prevent such unintentional errors, we here describe a minimal combination of experimental methods to enable artefact-free fluorescent labelling of metal-oxide nanoparticles – the largest subpopulation of nanoparticles by industrial production and applications – and demonstrate its application in the case of TiO 2 nanotubes. We 1) characterize potential changes of the nanoparticles’ surface charge and morphology that might occur during labelling, and 2) assess stable binding of the fluorescent dye to nanomaterial, which ensures correct nanoparticle localization. Together, these steps warrant the reliability and reproducibility of advanced optical tracking, which is necessary to explore nanomaterials’ mechanism of action and will foster widespread and safe use of new nanomaterials. Abstract Figure

High economic burden is associated with foodborne illnesses. Different disinfection methods are therefore employed in food processing industry; such as use of ultraviolet light or usage of surfaces with copper-containing alloys. However, all the disinfection methods currently in use have some shortcomings. Here we show that copper doped TiO2 nanotubes deposited on existing surfaces and illuminated with ceiling mounted fluorescent lights or additional low power light emitting diodes can be employed for an economical and permanent disinfection of surfaces. We deposited the nanotubes on various surfaces: polyethylene terephatlate, polystyrene, and aluminum oxide, where they could withstand repeated washings with neutral, alkaline or acidic medium. Here we show that the polymer surfaces coated with the nanotubes and innoculated with 107 bacteria, illuminated with ceiling mounted fluorescent lights retard the growth of Listeria Innocua by up to 99% in seven hours of exposure to the fluorescent lights, compared to a control surface. The disinfection properties of the surfaces depend mainly on the temperature difference of the surface and the dew point, where for maximum effectiveness of the photocatalytic effect the difference should be at least 2.5 degrees celsius. Usage of one dimensional nanomaterials, such as TiO2 nanotubes, offers a promising low cost alternative to current disinfection methods, since illumination of surfaces with common fluorescent lights is sufficient to photo-excite the nanotubes, which sequentially produce microbicidal hydroxyl radicals. Future use of such surfaces with antibacterial nano-coating and resulting sterilizing effect holds promise for such materials to be used in different environments or in better control of critical control points in food production as well as an improved biosecurity during the food manufacturing process.

Several biopersistent high aspect ratio nanomaterials show pronounced pathogenic effects, from chronic lung inflammation and fibrosis to cancer. For example, asbestos fibers are classified as carcinogens, whereas the carcinogenicity of highly inflammatory multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs), and TiO2 nanomaterials is still being evaluated. The exact early mechanisms of their pathogenicity towards inflammation and cancer remains uncertain, but it is likely not due to genotoxic or mutagenic activity. A proposed early mode of action that might lead to the formation of cancerous cells for asbestos fibers is the formation of binucleated and multinucleated cells, resulting in genetic instability. Here, we show that two high aspect ratio nanomaterials, MWCNTs and TiO2 nanotubes, which both induce chronic lung inflammation, induce very different cancer-related changes in vitro. TiO2 nanotubes, but not low aspect-ratio nanocubes of the same crystalline structure, disrupt microtubule organization and prolong mitosis, as well as deform nuclear shape, induce the formation of binucleated cells, and downregulate the tumour suppressor protein p53, whereas only the MWCNTs activate the stimulator of the interferon genes (STING) pathway, a hallmark of lung cancer. The observed differences in cellular responses to different high aspect ratio materials imply the need for assessing each nanomaterial individually with a broad range of tests rather than relying solely on a single marker or pathway, or even morphological or bulk chemical properties to infer possible carcinogenic properties.

Abstract Introduction Air pollution is an environmental factor associated with Alzheimer’s disease, characterized by decreased cognitive abilities and memory. The limited models of sporadic Alzheimer’s disease fail to replicate all pathological hallmarks of the disease, making it challenging to uncover potential environmental causes. Environmentally driven models of Alzheimer’s disease are thus timely and necessary. Methods We used live-cell confocal fluorescent imaging combined with high-resolution stimulated emission depletion (STED) microscopy to follow the response of neuron-like cells to nanomaterial exposure. Here, we report that a high dose rate in vitro exposure of neuron-like cells to particulate matter constituents reproduces neurodegenerative phenotype, including extracellular amyloid-β containing plaques and decreased neurite length. Results Consistent with the existing in vivo research, we observed detrimental effects, specifically a substantial reduction in neurite length and formation of amyloid beta plaques, after exposure to iron oxide and diesel exhaust particles. Conversely, after exposure to engineered cerium oxide nanoparticles, the lengths of neurites were maintained, and almost no extracellular amyloid beta plaques were formed. Discussion Although the exact mechanism behind this effect remains to be explained, the high dose rate in vitro model, comprising wild-type neuron-like cells, could serve as an alternative environmentally driven model of Alzheimer’s disease. Abstract Figure Graphical abstract High dose rate in vitro exposure of neuron-like cells to particulate matter constituents, like diesel exhaust and iron oxide nanoparticles, reproduces neurodegenerative phenotype, including extracellular amyloid-β-containing plaques and reduction in neurite length and density.