Air Particulate Matter and Graphene impact on Human immune Cells

The purpose of this thesis was to compare the biocompatibility and immune compatibility of graphene with air pollution particulate matter with an aerodynamic diameter of 10 µm and 2.5 µm. As the use of graphene-based devices and materials produced in the industry is increasing, it is crucial to understand the toxicity and interaction of this promising 2D nanomaterial with the immune system, which serves as one of our body's first lines of defensemechanism. Two powerful high-throughput techniques were used to validate bio and immune compatibility: flow cytometry and singlecell mass cytometry by time-of-flight (CyTOF). These techniques provide detailed information on a single cell and can effectively distinguish different cell populations within complex samples such as peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). The PBMCs comprise a heterogeneous set of cell populations, including T-lymphocytes, Blymphocytes, Natural Killer, and Monocytes. The study focused on analyzing biomarkers expressed by the different cell populations like CD25 and CD69 and investigated the level of major cytokines such as TNF-α using ELISA and Luminex assay. By examining the immunological response triggered by PM2.5, SRM 1648a (standard reference material for PM10), and graphene after 24 24-hour incubation period, as well as the study of cytotoxicity, we understood the effects of these materials on the immune system, in particular, we elicit better compatibility shown by graphene than the particulate matter which triggered a major immune response inside the human body with cytokines released similar to inflammation conditions.

Lo scopo della tesi è stato quello di confrontare la biocompatibilità e immuno-compatibilità del grafene rispetto ai particolati atmosferici aventi un diametro aerodinamico di 10 µm e 2.5 µm. Visto il crescente uso di dispositivi e materiali a base di grafene creati nell’industria è importante andare a comprendere la tossicità e l’interazione di questo promettete nanomateriale 2D con il sistema immunitario, una delle prime linee di difesa del nostro organismo.La validazione della bio e immuno compatibilità è stata effettuata mediante l’utilizzo del citofluorimetro e citometria in base al tempo di volo (CyTOF) , due potenti tecniche high throughput in grado di fornire diverse informazioni a livello di singola cellula e quindi utilizzabili anche per discernere in un campione complesso; come le cellule mononucleari del sangue periferico (PBMC), singole popolazioni quali: linfociti T, B, Natural Killer e Monociti. Lo studio dei biomarker espressi dalle diverse popolazioni come il CD25 e CD69 per l’attivazione e l’analisi del TNF-α mediante ELISA insieme alla rilevazione di differenti tipi di proteine mediante Luminex assay hanno permesso di individuare la risposta immunologica innescata dai PM2.5, SRM 1648a (standard reference material of PM10) e grafene in seguito ad incubazione per 24h insieme agli studi di citotossicità effettuati sulla coltura cellulare si è riusciti ad avere una visione generale degli effetti che questi materiali sono in grado di innescare tra le principali popolazioni cellulari protagoniste nella risposta immunitaria in particolare si è evidenziata una migliore compatibilità del grafene rispetto ai particolati atmosferici i quali stimolano maggiormente la risposta immunitaria nell’organismo umano e producono le tipiche citochine rilasciate in condizioni infiammatorie.