Chemical Transformations of Nanosilver in Biological Environments
Source abstract
Abstract
The widespread use of silver nanoparticles (Ag-NPs) in consumer and medical products provides strong motivation for a careful assessment of their environmental and human health risks. Recent studies have shown that Ag-NPs released to the natural environment undergo profound chemical transformations that can affect silver bioavailability, toxicity, and risk. Less is known about Ag-NP chemical transformations in biological systems, though the medical literature clearly reports that chronic silver ingestion produces argyrial deposits consisting of silver-, sulfur-, and selenium-containing particulate phases. Here we show that Ag-NPs undergo a rich set of biochemical transformations, including accelerated oxidative dissolution in gastric acid, thiol binding and exchange, photoreduction of thiol- or protein-bound silver to secondary zerovalent Ag-NPs, and rapid reactions between silver surfaces and reduced selenium species. Selenide is also observed to rapidly exchange with sulfide in preformed Ag(2)S solid phases. The combined results allow us to propose a conceptual model for Ag-NP transformation pathways in the human body. In this model, argyrial silver deposits are not translocated engineered Ag-NPs, but rather secondary particles formed by partial dissolution in the GI tract followed by ion uptake, systemic circulation as organo-Ag complexes, and immobilization as zerovalent Ag-NPs by photoreduction in light-affected skin regions. The secondary Ag-NPs then undergo detoxifying transformations into sulfides and further into selenides or Se/S mixed phases through exchange reactions. The formation of secondary particles in biological environments implies that Ag-NPs are not only a product of industrial nanotechnology but also have long been present in the human body following exposure to more traditional chemical forms of silver.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Nanoparticles: synthesis and applications · Heavy Metal Exposure and Toxicity
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Department of Chemistry, ‡School of Engineering, §Department of Pathology and Laboratory Medicine, and ⊥Institute for Molecular and Nanoscale Innovation, Brown University, Providence, Rhode Island 02912, United States
References (100+)
Show source-provided references
1. Wiesner M. R. · Environ. Sci. Technol. · 2006 · 40 · 433610.1021/es062726m ↗
2. Lowry G. V. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 689310.1021/es300839e ↗
3. Lin D. · J. Environ. Qual. · 2010 · 39 · 189610.2134/jeq2009.0423 ↗
4. Nowack B. · Environ. Toxicol. Chem. · 2012 · 31 · 5010.1002/etc.726 ↗
5. Liu J. · Environ. Sci. Technol. · 2010 · 44 · 216910.1021/es9035557 ↗
6. Liu J. · ACS Nano · 2010 · 4 · 690310.1021/nn102272n ↗
7. Liu J. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 734510.1021/es201539s ↗
8. Levard C. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 526010.1021/es2007758 ↗
9. Kim B. · Environ. Sci. Technol. · 2010 · 44 · 750910.1021/es101565j ↗
10. Kaegi R. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 390210.1021/es1041892 ↗
11. Zook J. M. · Anal. Bioanal. Chem. · 2011 · 401 · 199310.1007/s00216-011-5266-y ↗
12. Kent R. D. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 697710.1021/es203475a ↗
13. Lowry G. V. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 702710.1021/es204608d ↗
14. Li X. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 537810.1021/es204531y ↗
15. Chinnapongse S. L. · Sci. Total Environ. · 2011 · 409 · 244310.1016/j.scitotenv.2011.03.020 ↗
16. Gao J. · Chemosphere · 2012 · 89 · 9610.1016/j.chemosphere.2012.04.024 ↗
17. Li X. · Langmuir · 2010 · 26 · 1669010.1021/la101768n ↗
18. Ma R. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 75210.1021/es201686j ↗
19. Zhang W. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 442210.1021/es104205a ↗
20. Huynh K. A. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 556410.1021/es200157h ↗
21. Ravindran A. · Colloids Surf., B · 2010 · 76 · 3210.1016/j.colsurfb.2009.10.005 ↗
22. Khan S. S. · J. Hazard. Mater. · 2011 · 192 · 299
23. El Badawy A. M. · Environ. Sci. Technol. · 2010 · 44 · 126010.1021/es902240k ↗
24. Xiu Z. · Environ. Sci. Technol. · 2011 · 45 · 900310.1021/es201918f ↗
25. Reinsch B. C. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 699210.1021/es203732x ↗
26. Kittler S. · Chem. Mater. · 2010 · 22 · 454810.1021/cm100023p ↗
27. Xiu Z. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 427110.1021/nl301934w ↗
28. Levard C. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 690010.1021/es2037405 ↗
29. Wiesner M. R. · ACS Nano · 2011 · 5 · 846610.1021/nn204118p ↗
30. Bury N. R. · Am. J. Physiol. · 1999 · 277 · R1385
31. Solioz M. · J. Biol. Chem. · 1995 · 270 · 921710.1074/jbc.270.16.9217 ↗
32. Rogers K. R. · Sci. Total Environ. · 2012 · 420 · 33410.1016/j.scitotenv.2012.01.044 ↗
33. Aaseth J. · Scand. J. Clin. Lab Invest. · 1981 · 41 · 24710.3109/00365518109092041 ↗
34. Sato S. · Br. J. Dermatol. · 1999 · 140 · 15810.1046/j.1365-2133.1999.02628.x ↗
35. Fisher N. M. · J. Am. Acad. Dermatol. · 2003 · 49 · 73010.1067/S0190-9622(02)61574-9 ↗
36. White J. M. L. · Clin. Exp. Dermatol. · 2003 · 28 · 25410.1046/j.1365-2230.2003.01214.x ↗
37. Tomi N. S. · Lancet · 2004 · 363 · p53210.1016/S0140-6736(04)15540-2 ↗
38. Brandt D. · J. Am. Acad. Dermatol. · 2005 · 53 · S10510.1016/j.jaad.2004.09.026 ↗
39. Trop M. · J. Traumatol. · 2006 · 60 · 648
40. Vlachou E. · Burns · 2007 · 33 · 97910.1016/j.burns.2007.07.014 ↗
41. Naqvi A. H. · Am. J. Otolaryngol. · 2007 · 28 · 43010.1016/j.amjoto.2006.11.005 ↗
42. Kim Y. · Am. J. Ind. Med. · 2009 · 52 · 24610.1002/ajim.20670 ↗
43. Chung I. S. · Int. J. Dermatol. · 2010 · 49 · 117510.1111/j.1365-4632.2009.04380.x ↗
44. Bowden L. P. · J. Cutaneous Pathol. · 2011 · 38 · 832
45. Venclíková Z. · Neuro. Endocrinol. Lett. · 2011 · 32 · 286
46. Jonas L. · Ultrastruct. Pathol. · 2007 · 31 · 37910.1080/01913120701696221 ↗
47. Loeschner K. · Part. Fibre Toxicol. · 2011 · 8 · 1810.1186/1743-8977-8-18 ↗
48. Wijnhoven S. W. P. · Nanotoxicology · 2009 · 3 · 10910.1080/17435390902725914 ↗
49. Thio B. J. R. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 698510.1021/es203596w ↗
50. Stebounova L. V. · J. Nanopart. Res. · 2011 · 13 · 23310.1007/s11051-010-0022-3 ↗
51. Choi O. · Environ. Sci. Technol. · 2008 · 42 · 458310.1021/es703238h ↗
52. Sotiriou G. A. · Environ. Sci. Technol. · 2010 · 44 · 564910.1021/es101072s ↗
53. Yang X. · Environ. Sci. Technol. · 2012 · 46 · 111910.1021/es202417t ↗
54. Marques M. R. C. · Dissolution Technol. · 2011 · 18 · 1510.14227/DT180311P15 ↗
55. Trombetta E. S. · Science · 2003 · 299 · 140010.1126/science.1080106 ↗
56. Schneider L. A. · Arch. Dermatol. Res. · 2007 · 298 · 41310.1007/s00403-006-0713-x ↗
57. Thompson W. G. · 1903 · 346
58. Slavin W. · Anal. Chem. · 1984 · 56 · 16310.1021/ac00266a011 ↗
59. Espinoza M. G. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 830510.1021/jp3011926 ↗
60. Jensen T. R. · J. Phys. Chem. B · 2000 · 104 · 1054910.1021/jp002435e ↗
61. Song J. Y. · Bioprocess Biosyst. Eng. · 2009 · 32 · 7910.1007/s00449-008-0224-6 ↗
62. Zhao X. · Sci. Total Environ. · 2011 · 409 · 89210.1016/j.scitotenv.2010.11.004 ↗
63. Lin S. · Biomaterials · 2001 · 22 · 299910.1016/S0142-9612(01)00046-1 ↗
64. Iizaka S. · Wound Repair Regener. · 2010 · 18 · 3110.1111/j.1524-475X.2009.00564.x ↗
65. Haynes W. M · 2011 · 8
66. Gustafsson. J. P. · 2010
67. Hogstrand C. · Environ. Toxicol. Chem. · 1998 · 17 · 54710.1002/etc.5620170405 ↗
68. AshaRani P. V. · ACS Nano · 2009 · 3 · 27910.1021/nn800596w ↗
69. Poon V. K. M. · Burns · 2004 · 30 · 14010.1016/j.burns.2003.09.030 ↗
70. Luoma S. N. · 2008
71. Lansdown A. B. G. · Adv. Pharmacol. Sci. · 2010 · 2010 · 910686
72. Bal W. · J. Inorg. Biochem. · 1998 · 70 · 3310.1016/S0162-0134(98)00010-5 ↗
73. Laussac J. P. · Biochemistry · 1984 · 23 · 283210.1021/bi00307a046 ↗
74. Masuoka J. · J. Biol. Chem. · 1993 · 268 · 2153310.1016/S0021-9258(20)80574-2 ↗
75. Bar-Or D. · J. Emerg. Med. · 2000 · 19 · 31110.1016/S0736-4679(00)00255-9 ↗
76. Sugio S. · Protein Eng. · 1999 · 12 · 43910.1093/protein/12.6.439 ↗
77. Shen X. · J. Inorg. Biochem. · 2003 · 95 · 12410.1016/S0162-0134(03)00094-1 ↗
78. Adams N. W. H. · Aquat. Geochem. · 1999 · 5 · 110.1023/A:1009699617808 ↗
79. Ballatori N. · Adv. Pharmacol. · 1994 · 27 · 27110.1016/S1054-3589(08)61036-4 ↗
80. Richie J. P. · Clin. Chem. · 1996 · 42 · 6410.1093/clinchem/42.1.64 ↗
81. Odriozola I. · Macromol. Symp. · 2008 · 266 · 9610.1002/masy.200850618 ↗
82. Liu Y. · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 1921410.1039/c1jm13693c ↗
83. Cecil R. · Biochem. J. · 1950 · 47 · 57210.1042/bj0470572 ↗
84. Bellina B. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 2454910.1021/jp207158v ↗
85. Bielmyer G. K. · Environ. Toxicol. Chem. · 2002 · 21 · 220410.1002/etc.5620211026 ↗
86. Tsipouras N. · Clin. Chem. · 1997 · 43 · 29010.1093/clinchem/43.2.290 ↗
87. Bell R. A. · Environ. Toxicol. Chem. · 1999 · 18 · 9
88. Gao X. · J. Mater. Chem. · 2003 · 13 · 610.1039/B209399E ↗
89. Merril C. R. · Clin. Chem. · 1984 · 30 · 193810.1093/clinchem/30.12.1938 ↗
90. Furne J. · Am. J. Physiol. · 2008 · 295 · R1479
91. Hughes M. N. · Free Radical Biol. Med. · 2009 · 47 · 134610.1016/j.freeradbiomed.2009.09.018 ↗
92. Lee W. E. · J. Imaging Sci. Technol. · 1984 · 10 · 119
93. Björnstedt M. · Biochemistry · 1996 · 35 · 851110.1021/bi9528762 ↗
94. Klayman D. L. · J. Am. Chem. Soc. · 1973 · 95 · 19710.1021/ja00782a034 ↗
95. Beld J. · Biochemistry · 2007 · 46 · 538210.1021/bi700124p ↗
96. Haynes W. M · 2011 · 7
97. Navarro-Alarcon M. · Sci. Total Environ. · 2008 · 400 · 11510.1016/j.scitotenv.2008.06.024 ↗
98. Jeong U. · Nano Lett. · 2005 · 5 · 93710.1021/nl050482i ↗
99. Johnston H. J. · Crit. Rev. Toxicol. · 2010 · 40 · 32810.3109/10408440903453074 ↗
100. Lee S. M. · J. Dermatol. · 1994 · 21 · 5010.1111/j.1346-8138.1994.tb01410.x ↗