Toxicity of Ambient Particulate Matter IV: Acute toxicity study in pulmonary hypertensive rats after exposure to model compounds for the secondary aerosol fraction of PM10 - ammonium bisulfate, ferrosulfate and nitrate

Abstract

This (4th) report on the toxicity of ambient particulate matter (PM) presents effects of the model compounds for PM in ambient air - ammonium bisulfate, ammonium ferrosulfate and ammonium nitrate - on healthy rats and rats with monocrotaline-induced pulmonary hypertension (PH). The objective was based on the epidemiological indications that people with cardiopulmonary diseases form a part of the general population sensitive to acute exposure to PM, and that ambient mass concentrations of sulfate and nitrate appear associated with health effects. Concretely, the study would test the hypothesis that secondary aerosols exert pulmonary effects in rats, and that rats with PH are more sensitive to these aerosols than normal healthy animals. Healthy and PH rats were exposed to ultrafine and fine ammonium aerosols for four hours a day for three consecutive days. The two independent studies performed with ammonium bisulfate differed only in the mass concentrations of the aerosol test atmospheres. The animals were sacrificed one day after the last exposure to establish effects on the airways using bronchoalveolar lavage fluid (BALF) analysis, airway reactivity measurements and histopathological microscopical examination. The MCT treatment (to induce pulmonary hypertension accompanied by inflammation and ultimately heart failure) was successful, as seen by medial hypertrophy of muscular pulmonary arteries and neomuscularization of small blood vessels. Histopathological examination did not reveal test-atmosphere-related abnormalities.There were no signs of cytotoxicity due to aerosol exposures (measured with lactate dehydrogenase (LDH), and protein and albumin contents in BALF). Since no changes were observed in N-acetyl glucosaminidase (NAG), macrophages had not been activated due to the MCT treatment or the test atmospheres. Cell differentiation profiles were inconsistent, partly caused by an unavoidable infection with Haemophilus sp. However, despite this, the test atmospheres did not affect cell differentiation or total cell counts.The results suggest that at exposure levels comparable to previous studies in asthmatic mice, ammoniun salt aerosols do not exert marked adverse health effects in either healthy or PH rats.

Ammoniumnitraat is de belangrijkste component van het secundair gevormde fijnstof in Nederland. Een tweede belangrijke fractie wordt, afhankelijk van de neutraliserende componenten, gevormd door bisulfaat of sulfaat. De acute inhalatoire effecten van deze aerosolen zijn onderzocht in gezonde ratten en ratten met pulmonaire hypertensie. In dit type onderzoek is het gebruik van diermodellen die een bepaalde humane cardiopulmonaire aandoening representeren essentieel, omdat epidemiologisch onderzoek juist deze groep mensen heeft aangeduid als een groep die gevoelig is voor expositie aan fijnstof. Voor de studies die in dit rapport worden beschreven is een model voor pulmonaire hypertensie (gepaard gaande met een inflammatie en een hypertrofie van het rechter ventrikel) toegepast. Dit ziektebeeld wordt chemisch geinduceerd met monocrotaline (MCT). Uitgaande van de wetenschap dat de effecten van fijnstof zeer acuut kunnen zijn, zijn in deze studies dieren 4 uur per dag gedurende drie dagen blootgesteld aan ultrafijn en fijn ammonium aerosolen. De studie met ammoniumbisulfaat is twee maal uitgevoerd, waarbij de massaconcentraties in de tweede studie hoger waren dan in de eerste. Ein dag na de laatste blootstelling werden de effecten vastgesteld middels longspoelvloeistof (BALF) analyse en histopathologie. De behandeling met MCT resulteerde in de verwachte pathologische symptomen: mediale hypertrofie van spieren van pulmonare slagaders en neomuscularisatie van kleine bloedvaten. Er zijn geen aanwijzingen gevonden voor het optreden van cytotoxiciteit (gemeten met de indicatoren lactaat dehydrogenase (LDH), eiwit- en albumine gehaltes in BALF) als gevolg van de blootstelling aan (ultra)fijn ammonium aerosol. Macrofagen lijken in alle met MCT behandelde groepen geactiveerd, bepaald middels de aktiviteit van N-acetylglucosaminidase (NAG), maar een effect van de test atmosfeer is niet opgetreden. Het celdifferentiatiebeeld laat geen consistent beeld zien ten aanzien van de MCT behandeling. Een effect van ammonium aerosolen kan mede door de latent aanwezige Haemophilus sp infectie, niet worden vastgesteld. Middels pathologisch onderzoek kon geen effect van de blootstelling aan aerosolen worden vastgesteld.eerde aerosol concentraties, die vergelijkbaar waren met concentraties in eerdere studies in astmatische muizen geen pulmonaire effecten in gezonde en pulmonair hypertensieve ratten optreden.