Nanosafety aspects: Dental health care workers’ perception of nanomaterials and in vitro nanotoxicity assessment using new approach methodologies

Abstract

Nanoteknologi er i utstrakt bruk innen sektorer som medisin og odontologi, forbrukerprodukter, energi og landbruk. Toksiske effekter knyttet til bruk av nanomaterialer (NM) og nanopartikler (NP) har vekket bekymring på materialenes sikkerhet for mennesker og miljøet. Effektiv risikokommunikasjon krever informasjon om hva brukerne mener om ny teknologi. Tannhelsepersonell har brukt nanomaterialer til pasientbehandling, men man vet lite om deres kunnskap, holdninger, nytte- og risiko opplevelse knyttet til nanomaterialer og deres intensjon om å bruke slike materialer i fremtiden. Til tross for betydelige fremskritt når det gjelder risikovurderinger, er kunnskap om nanomaterialers fysiske og kjemiske egenskaper fortsatt mangelfull. Det er et stort behov for å utvikle nye metoder som er biomimetiske, mindre utsatt for NM-induserte interferenser, mer relevante for menneskelig eksponering og som reduserer usikkerheten rundt fare- og risikovurdering. Målet med denne studien er (1) å undersøke risiko/nytteoppfatninger og intensjonen om å bruke nanomaterialer blant tannleger og tannpleiere i Norge og (2) å undersøke in vitro cytotoksiske effekter av TiO2 NP ved bruk av nye tilnærmingsmetodologier. I 2017 ble det gjennomført en survey undersøkelse der elektronisk administrerte spørreskjema ble delt ut til en sensus av 1792 tannleger og tannpleiere ansatt i Den offentlige tannhelsetjenesten i Norge. I studie I ble risiko- og nytteoppfatninger assosiert med bruk av nanomaterialer identifisert ved hjelp av binær logistisk regresjonsanalyse. I studie II ble den utvidede teorien om planlagt atferd (TPB) brukt for å vurdere faktorer som predikerer tannhelsepersonellets intensjon om å bruke dentale nanomaterialer. Strukturell ligningsmodelleringsteknikk ble brukt til å analysere data. I studie III, som er basert på laboratorieeksperimenter, ble primære orale fibroblaster, lungekreftepitelceller (A549) og 3D rekonstruerte normale menneskelige munnslimhinnemodeller eksponert for rutil sfæriske (40 nm) og spindelformede (40 × 10 nm) TiO2 NP i forskjellige konsentrasjoner. Impedansbasert monitorering ble brukt for å vurdere overlevelse av celler i to-dimensjonal monolag og immunhistokjemi ble brukt til å vurdere proliferasjon, apoptose og vevsintegritet av tre-dimensjonale oralmunnslimhinne modeller. Totalt deltok 851 tannleger og tannpleiere i surveyundersøkelsen i 2017 (svarprosent 47.5%). Studie I viste at mer enn halvparten av norske tannleger og tannpleiere hadde høye nivåer av nytte- og risikooppfatninger knyttet til bruk av dentale NM. Å føle seg trygg på bruken av NM og å være bekymret for økende bruk hadde den sterkeste sammenhengen med bruk av NM. Videre viste studien at tannhelsepersonell hadde moderat kunnskap angående bruk av dentale nanomaterialer i pasientbehandling. Studie II bekreftet hypotesene i TPB og viste at de sterkeste prediktorene for intensjon om å bruke dentale nanomaterialer var positive holdninger og opplevelse av atferdskontroll, mens tidligere bruk av NM hadde mindre betydning. Studie III har vist at eksponering for begge typer TiO2 NP førte til en redusert proliferasjon av orale fibroblaster, men ikke av lungekreftepitelceller. Proliferasjon, apoptose og vevsintegritet til 3D munnslimhinne modeller ble ikke signifikant påvirket av TiO2 NP. Studien har avdekket flere faktorer knyttet til risiko- og nytteoppfatninger og til intensjon om å bruke dentale nanomaterialer blant norske tannleger og tannpleiere. Resultatene kan være til nytte for beslutningstakere ved kommunisering av risikoinformasjon og når det gjelder håndtering av nanomaterialer i tannhelsetjenester. Resultatene fra in vitro studien vekker bekymring på grunn av observert nedsatt vekst av orale fibroblaster etter 24 timers eksponering for de utvalgte TiO2 NP. De nye tilnærmingsmetodologier som ble brukt i denne studien, det vil si in vitro 3D munnslimhinnemodeller og bioimpedansbasert cellemonitorering, representerer lovende verktøy for vurdering av nanotoksisitet.

Nanotechnology and its products are increasingly applied in many areas, such as medicine and dentistry, consumer products, energy, and agriculture. The increased use of nanomaterials (NMs) and nanoparticles (NPs) has raised concerns regarding their safety for humans and the environment due to some observed toxic effects of NPs. In this regard, it is important to provide efficient science-based risk communication. Dental health care workers have been using NMs for patient treatment. However, little is known about their perception of risk and benefits associated with NMs, as well as their intention to use such materials in the future. Concurrently, considerable progress has been made regarding the hazard and risk assessment related to NMs. However, the physicochemical characteristics responsible for the toxic effects of NMs and the mechanisms involved are still not completely elucidated. There is an urgent need to develop new approach methodologies that are biomimetic and less prone to NM-induced interferences, which are more relevant for human exposure and reduce the uncertainty of hazard and consequently, risk assessment. The overall aim of the present study was to address the issue of nanosafety in dentistry from two different perspectives: (1) assessment of risk/benefit perceptions and intention to use NMs by dental professionals and (2) evaluation of in vitro cytotoxic effects of TiO2 NPs related to oral and lung exposure using new approach methodologies (NAMs). Electronically administered questionnaires were distributed to a census of 1792 dentists and dental hygienists employed in the Public Dental Health Service (PDHS) in Norway. In Study I, covariates of risk and benefit perceptions were explored using binary logistic regression analysis. In Study II, the augmented Theory of Planned Behavior (TPB) was employed to assess factors predicting intention to use dental NMs using structural equation modeling technique. In Study III, primary human normal oral fibroblasts, lung cancer epithelial cells (A549) in conventional two-dimensional (2D) monolayers, and three-dimensional (3D) reconstructed normal human buccal mucosa (RNHBM) models were exposed to rutile spherical (40 nm) and spindle-shaped (40×10 nm) TiO2 NPs at different concentrations. Impedance-based monitoring was used to assess the viability of cells in monolayers and immunohistochemistry was used to assess the proliferation, apoptosis and tissue integrity of RNHBM epithelium. A total of 851 dental health care workers responded, providing a response rate of 47.5%. Study I revealed that more than half of the Norwegian dental health care workers had high levels of benefits and risks perceptions associated with the use of dental NMs. Feeling safe to use NMs and being worried about their increasing use were the strongest covariates of perceived benefits and risks, respectively. It was also revealed that dental health care workers had moderate knowledge about the use of NMs in dentistry. Study II demonstrated that the strongest predictors of intention to use dental NMs were attitudes and perceived behavioral control, followed by past behavior and subjective norms. Risk perception had an indirect negative effect on intention through attitudes, past behavioral control and subjective norms, implying that high risk perception was associated with low intention to use NMs. Study III has shown that exposure to both types of TiO2 NPs led to a decrease in the proliferation of primary normal oral fibroblasts, but not of lung cancer epithelial cells. The proliferation, apoptosis and tissue integrity of 3D oral mucosa models were not significantly affected by the TiO2 NPs. The survey revealed several important factors associated with the risk and benefit perceptions and intention to use dental NMs, which should be considered by policy makers for risk communication and management of NMs in dental health care services. The in vitro study raises concerns due to observed impaired growth of oral fibroblasts after 24 h of exposure to the selected TiO2 NPs. The NAMs employed in this work, i.e., in vitro 3D oral mucosa models and impedance-based toxicity screening, represent promising tools for nanotoxicity assessment.