Home Science Corner Agen #1:Titanium Dioksida dan Zinc Oksida: Toksikologi dan Stabilitas

Agen #1:Titanium Dioksida dan Zinc Oksida: Toksikologi dan Stabilitas

October 21, 2019
Read

Titanium dioksida (TiO2 ) dan zinc oksida (ZnO) digunakan luas sebagai filter fisikal dalam sunscreen. Tidak hanya mudah digunakan, sejauh ini penelitian masih menganggap TiO2 dan ZnO aman digunakan. Namun, bagaimana kesimpulan tersebut diambil? Apakah benar-benar tidak ada kekurangan dari penggunaan TiO2 dan ZnO?

Penggunaan TiO2  sebagai agen sunscreen dimulai pada tahun 1952 dan sekitar waktu itu, ZnO juga diperkenalkan (Trivedi & Murase, 2017). TiO2 dan ZnO menjadi filter fisikal yang umum digunakan karena kelebihannya yang memberikan perlindungan lebih efektif dengan tingkat alergi yang lebih rendah. Bahkan kedua filter ini lebih fotostabil dibandingkan filter organik.

Filter fisikal/mineral adalah filter yang mengandung TiO2 dan ZnO (di luar itu, bukan filter fisikal/mineral). Filter bekerja dengan menyerap dan memantulkan sinar UV sehingga tidak sampai ke lapisan kulit.

Kelebihan filter fisikal:

  1. Setelah aplikasi, dapat langsung beraktivitas karena sunscreen tidak perlu ditunggu meresap
  2. Memiliki tingkat alergi yang rendah, hampir semua jenis kulit cocok 
  3. Memberikan proteksi yang lebih tinggi dan mudah ditentukan 
  4. Fotostabil, tidak memberikan efek negatif setelah terpapar sinar UV 


Kelemahan filter fisikal 

  1. Menyebabkan white cast, atau wajah terlihat putih (tembok) 
  2. Mudah terhapus dengan keringat dan minyak, bahkan dengan pulasan tissue 
  3. Karena mudah terhapus harus reapply (semua sunscreen juga harus reapply, sih)  



Analisis fotoproteksi TiO2 dan ZnO 
Analisis fotoproteksi yang dilakukan sebelum tahun 1952 adalah analisis dengan mengaplikasikan sediaan mengandung satu/dua filter pada kulit manusia atau pelat kuarsa yang selanjutnya dipaparkan sumber cahaya (Blun et al., 1946). Metode ini selanjutnya dikenal dengan nama uji proteksi terhadap sinar matahari (sun protection factor).  

Analisis fotorprotektif sinar UVA telah dibahas sejak tahun 1987, seperti penggelapan pigmen langsung, 8-MOP fototoksis, dan proteksi erythema UVA, tetapi metode tersebut menghasilkan nilai faktor proteksi yang tinggi dari sebenarnya dan dosis UV yang dipaparkan juga kurang sehingga tidak digunakan lagi (Gasparro et al., 1998). Metode yang digunakan sekarang adalah uji faktor proteksi UVA (UVAPF).

Penentuan SPF dan UVAPF dari TiO2  dan ZnO tidak pasti karena dipengaruhi oleh konsentrasi filter yang diukur, ukuran partikel filter, dan pelarut/formula yang digunakan. Namun yang pasti, dari penelitian yang dilakukan oleh Pinnel et al. (2000), TiO2  lebih unggul memberikan fotoproteksi terhadap sinar UVB sementara ZnO mememberikan fotoproteksi terhadap sinar UVA. ZnO lebih tidak berwarna karena kurang refraktif dibandingkan TiO2. 


Toksikologi dan Stabilitas 
Walaupun penggunaan TiO2 dimulai sejak 1952. FDA baru menyetujui penggunaan keduanya pada tahun 1999. Lamanya persetujuan dapat disebabkan data toksikologi dan stabilitas kedua filter yang tidak lengkap/seragam antar satu penelitian dengan penelitian yang lain. Di Indonesia, penggunaan TiO2  dan ZnO sebagai tabir surya tercatat oleh BPOM pada tahun 2003 dengan batas maksimal 25 %. 

Toksikologi dapat dilihat dari sitotoksisitas (kualitas/dosis beracun bagi sel) dan genotoksisitas (kemampuan berinteraksi dengan DNA atau komponen yang terlibat dalam regulasi genom) kedua filter. 


a. Sitotoksisitas 
Hasil positif dari pemaparan TiO2 
  1. Cai et al. (1992) menemukan produksi ROS pada sel tumor mencit yang diberi TiO2 
  2. Crosera et al. (2015) menemukan adanya penurunan viabilitas sel dan kerusakan membran HaCaT (sel keratinosit kulit normal manusia).  
Hasil negatif dari pemaparan TiO2 
  1. Tucci et al (2013) tidak menemukan kematian sel pada sel HaCaT, tetapi terjadi produksi ROS yang mengganggu fungsi mitokondria 

Hasil positif dari pemaparan ZnO 
  1. Gao et al. (2016) menemukan adanya penurunan viabilitas sel dengan adanya ekspresi gen apoptosis, ROS, dan kerusakan DNA. 
Hasil negatif dari pemaparan ZnO 
  1. Miyani & Hughes (2016) tidak menemukan efek fototoksik dari sel keratinosit kulit manusia 3D yang dipapar ZnO dan UVA. 
  2. Hang et al. (2015) tidak menemukan adanya stress oksidatif pada sampel kulit responden yang dipapar.

Namun, pada penelitian Yu et al. (2015) yang memaparkan TiO2  melalui jalur pernapasan mencit, terjadi hyperplasia pulmonary (penebalan paru-paru) dan peradangan paru-paru. Hal yang sama dilakukan Liu et al. (2015) dengan ZnO, dan menemukan terjadinya kerusakan sel pernapasan dan penurunan kapasitas antioksidan paru-paru. Peluang hal tersebut terjadi pada manusia akan meningkat apabila sunscreen yang digunakan dalam sediaan spray dan bedak.   


b. Genotoksisitas 
Hasil positif dari pemaparan TiO2 
  1. Tavares et al. (2014) menemukan bahwa TiO2  menyebabkan perubahan klastogenik pada limfosit manusia 
Hasil negatif dari pemaparan TiO2  
  1. Warheit et al. (2007) menunjukkan TiO2  memiliki bahaya yang rendah dalam menyebabkan aberasi kromosom.
  2. Browning et al. (2014) juga tidak menemukan klastogenisitas TiO2  pada fibroblas kulit manusia.
  3. Zijno et al. (2015) tidak menemukan kerusakan DNA oleh TiO2  yang dipaparkan pada sel Caco-2.  
Hasil positif dari pemaparan ZnO
  1. Demir et al. (2014) menemukan bahwa ZnO menyebabkan genotoksisitas dan aberasi kromosom seiring peningkatan dosis pada sel ginjak embrionik manusia (HEK293) dan sel fibrosa embrionik tikus (NIH/3T3). 
  2. Pada kedua penelitian Pal et al. (2016), aplikasi topikal ZnO pada mencit betina SKH menyebabkan kerusakan DNA, induksi marker inflamasi COX-2, apoptosis, ddan pembentukan ROS setelah terpapar sinar UV. 
  3. Zijno et al. (2015) memaparkan ZnO pada sel Caco-2, dan menemukan bahwa ZnO menyebabkan kerusakan DNA akibat sel tidak dapat memperbaiki kerusakan DNA oksidatif. 
Hasil negatif dari pemaparan ZnO 
Pada uji Ames/mutasi balik bakteri, Kwon et al. (2014) tidak menemukan peningkatan jumlah bakteri Salmonella typhymurium dan Escherichia coli. Hal ini menunjukkan ZnO tidak menyebabkan mutasi. 


Pada penelitian in vivo, sejauh pencarian paper yang dilakukan (2019), sedikit penelitian yang memaparkan kedua filter secara topikal. Sejauh ini, penelitian secara topikal pernah dilakukan pada tahun 1980-1996, dengan hasil genotoksisitas negatif (Walter & Dequoy, 1980; Suzuki, 1987; Bestak & Halliday, 1996). Pemaparan melalui jalur pernapasan oleh Lindberg et al. (2012) dan Landsiedel et al. (2010) juga tidak menemukan genotoksisitas.

Hasil yang tidak konsisten pada metode in vivo dan in vitro menunjukkan diperlukannya persamaan karakterisasi TiO2 dan ZnO yang digunakan, dosis sampel yang digunakan, dan sel yang digunakan. Uji toksisitas dan karsinogenisitas secara jangka panjang pada hewan juga diperlukan untuk memahami mekanisme kedua filter dalam mencegah/ menyebabkan kanker dan toksik serta mengetahui dosis ideal untuk konsumen.    

Walaupun data masih tidak konsisten, modifikasi dengan menambahkan antioksidan, pelapis alumina, ZrO2, dan polidimetilsiloksan (PDMS), atau silika dilakukan untuk mencegah terjadinya pembentukan ROS, fotosensitifitas, dan kerusakan gen (Lionetti & Rigano, 2017). 


Permeabiltias TiO2 dan ZnO
Breunig et al. (2014) menggunakan mikroskopi foton untuk mengamati distribusi ZnO dari produk tabir surya pada kulit manusia dan menemukan bahwa ZnO hanya ada di stratum korneum sebagai lapisan yang sangat tipis. 

Penelitian Filipe et al (2010) menganalisa hasil biopsi kulit responden yang telah diaplikasikan TiO2 dan ZnO dan menyatakan kedua filter tidak terserap melewati stratum korneum.

Penelitian terbaru oleh Mohammed et al. (2018) menunjukkan bahwa pemakaian ZnO selama lima hari pada responden tidak masuk ke dalam epidermis hidup dan tidak menyebabkan toksisitas seluler. Namun, terjadi peningkatan konsentrasi ion Zn2+ (berbeda 20.000 arbitari unit dengan kontrol) yang tidak menyebabkan toksisitas sehingga ZnO aman.

Rendahnya penyerapan dari TiO2 dan ZnO dapat disebabkan oleh sifat aglomerasi partikel ketika diaplikasikan ke permukaan kulit (Tran & Salmon, 2010). Kemungkinan ZnO dan TiO2 menyebabkan sitotoksisitas pada organ dan jaringan internal sangat rendah karena penyerapan sistemik sangat tidak mungkin.

Keprihatinan Terhadap Lingkungan 
Sejauh yang kita ketahui, filter kimiawi seperti oksibenzon dan oktinozat dapat menyebabkan coral bleaching yang dapat mengganggu ekosistem laut. Namun, TiO2  dan ZnO juga memiliki kemungkinan menyebabkan coral bleaching. 
Corinaldesi et al. (2018)

Jovanovic & Guzman (2014) menyatakan bahwa paparan jangka panjang 10 ppm TiO2  pada terumbu karang Montastraea faveolata menyebabkan pengurangan zooxanthellae hingga 25% terhadap kontrol. Terumbu karang tidak menunjjukan kematian dan masih dapat menunjukkan pemulihan terhadap stress. Sayangnya, ZnO diketahui bersifat toksik pada organisme laut dan alga (Shin et al., 2017) dan menyebabkan pemutihan terumbu karang Acropora spp. yang signifikan (Corinaldesi et al., 2018).

Walaupun secara sekilas, hal ini menunjukkan TIO2 dan ZnO tidak ramah lingkungan, ada beberapa hal yang harus diperhatikan. Pertama apakah uji tersebut dapat direproduksi dan hasil terjadi sama persis seperti pada kasus nyata, mengingat kondisi lab dan kondisi asli (samudra) tidak sama. Walau sudah ada beberapa penelitian (pada artikel ini 3 contoh) masih diperlukan penelitian lebih lanjut. 

Selain itu, dengan adanya keprihatinan lingkungan, agen sunscreen mineral juga sudah mulai dilakukan modifikasi dengan tujuan dapat menghambat efek negatif masing-masing filter. 


Semoga artikel ini membantumu :)
Lihat lagi artikel mengenai bioteknologi (klik judul)


Disclaimer: Artikel ini saya buat untuk menambah wawasan sains pembaca, bukan untuk publikasi ilmiah atau dijadikan referensinya. Harap mencari tahu dari sumber lain dan tidak sepenuhnya mengandalkan tulisan saya. Terima kasih...

 Referensi:
Bestak, R. & Halliday, G.M. 1996. Sunscreens protect from UV-promoted squamous cell carcinoma in mice chronically irradiated with doses of UV radiation insufficient to cause edema. Photochemistry and Photobiology, 64: 188-193.
Blum, H.F., Eicher, M. & Terus, W.S.1946. Evaluation of protective measures against sunburn. American Journal of Physiology-Legacy Content, 146: 118-125.
BPOM. 2003. Keputusan Kepala Badan Pengawasan Obat dan Makanan Republik Indonesia Nomor: HK.00.05.4.1745 Tentang Kosmetik. Badan Pengawasan Obat dan Makanan Republik Indonesia. Jakarta: Indonesia.
Breunig, H.G., Weinigel, M. & Konig, K. 2014. In vivo imaging of ZnO nanoparticles from sunscreen on human skin with a mobile multiphoton tomograph.  BioNano Science, 5: 42- 47.  
Browning, C.L., The, T., Mason, M.D. & Wise, J.P. 2014. Titanium dioxide nanoparticles are not cytotoxic or clastogenic in human skin cells. Journa of Environmental and Analytical Toxicology, 4: 239 -253.
Cai, R., Kubota, Y. Shuin, T., Sakai, H., Hashimoto, K. & Fujishima, A. 1992. Induction of cytotoxicity by photoexcited TiO2 particles. Cancer Research, 52: 2346-2348.
Corinaldesi, C., Marcellini, F., Nepote, E., Damiani, E. & Danovaro, R. 2018. Impact of inorganic UV filters contained in sunscreen products on tropical stony corals Acropora spp.). Science of the Total Environment, 637-638: 1279-1285.
Crosera, M., Prodi, A., Mauro, M., Pelin, M., Florio, C., Bellomo, F. Adami, G., Apostoli, P., Palma, G.D., Bovenzi, M., Campanini, M., Filon, F.L. 2015. Titanium dioxide nanoparticle penetration into the skin and effects on HaCaT cells. International Journal of Environmental Research and Public Health, 12: 9282-9297.
Demir, E., Akca, H., Kaya, B., Burgucu, D., Tokgun, O., Turna, F., Aksakal, S., Vales, G., Creus, A., Marcos, R. 2014. Zinc oxide nanoparticles: genotoxicity, interactions with UV-light and cell-transforming potential. Journal of Hazardous Materials, 264: 420 – 429.
Filipe, P. Silva, J.N., Silva, R., Cime de Castro, J.L., Marques-Gomes, M., Alves, L.C., Santus R & Pinheiro, T. 2010. Stratum corneum is an effective barrier to TiO2 and ZnO nanoparticle percutaneous absorption. Skin Pharmacology and Physiology, 22: 266-275.
Food and Drug Administration. 1999. Sunscreen drug products for over-the-counter human use; final monograph. Federal Register, 64: 27666-27693.
Gao, F. Ma, N., Zhou, H., Wang, Q., Zhang, H., Wang P., Hou, H., Wen, H. & Li, L. 2016. Zinc oxide nanoparticles-induced epigenetic change and G2/M arrest are associated with apoptosis in human epidermal keratinocytes. International Journal of Nanomedicine, 11: 3859 – 3874.
Gasparro, F.P., Mithcnick, M., Nash, J.F. 1998. A review of sunscreen safety and efficacy. Photochemistry and Photobiology, 68: 243-256.
Hang, L.Y.T., Lin, L.L., Yamada, M., Soyer, H.P., Raphael, A.P., Prow, T.W. 2015. Microbiopsy skin sampling in volunteers reveals no oxidative stress detected after topically applying sunscreen with zinc oxide nanoparticles. Journal of The American Academy of Dermatology, 72: AB210.
Jovanovic, B. & Guzman, H.M. 2014. Effects of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles on Caribbean reff-building coral (Montastraea faveolata). Environmental Toxicology and Chemistry, 33:1346-1353.
Kwon, J. Y., Lee, S.Y., Koedrith, P., Lee, J.Y., Kim, K.M., Oh, J.M., Yang, S.I., Kim, M.K., Lee, J.K., Jenong, J., Maeng, E.H., Lee, B.J. & Seo, Y.R. 2014. Lack of genotoxic potential of ZnO nanoparticles In in vitro and in vivo tests. Mutation Research, 761: 1-9.
Landsiedel, R., Ma-Hock, L., Ravenzwaay, B.V. Schulz, M., Wiench, K., Champ, S., Schulte, S., Wohlleben, W., Oesch, F. 2010. Gene toxicity studies on titanium dioxide and zinc oxide nanomaterials used for UV-protection in cosmetic formulations. Nanotoxicology, 4: 364 – 381.
Lindberg, H.K., Falck, G.C.M., Catalan, J., Koivisto, A.J., Suhonen, S., Jarventaus, H., Rossi, E.M., Nykasenoja, H., Peltonen, Y., Moreno, C., Alenius, H., Tuomi, T., Savolainen, K.M. & Norppa, H. 2012. Genotoxicity of inhaled nanosized TiO2 in mice. Mutation Research, 745: 58-64.
Lionetti, N. & Rigano, L. 2017. The new sunscreens among formulation strategy, stability issues, changing norms, safety and efficacy evaluations. Cosmetics, 4:15.
Liu, H.L., Yang, H.L., Lin, B.C., Zhang, W., Tian, L. Zhang H.S. 2015. Toxic effect comparison of three typical sterilization nanoparticles on oxidative stress and immune inflammation response in rats. Toxicology Research, 4: 486 – 493.
Miyani, V.A. & Hughes, M.F. 2016. Assessment of the in vitro dermal irritation potential of cerium, silver, and titanium nanoparticles in a human skin equivalent model. Cutaneous & Ocular Toxicology, 1-27.
Mohammed Y.H., Holmes, A., Haridass, I.N., Sanchez, W.Y., Studier, H., Grice, J.E., Benson, H.A.E. & Roberts, M.S. 2016. Support for the safe use of zinc oxide nanoparticle sunscreens: lack of skin penetration or cellular toxicity after repeated application in volunteers. Journal of Investigative Dermatology, 139: 308-315.
1Pal, A., Alam, S., Mittal, S., Arjaria, N., Shankar, J., Kumar, M., Singh, D., Pandey, A.K. & Ansari, K.M. 2016.  UVB irradiation-enhanced zinc oxide nanoparticles-induced DNA damage and cell death in mouse skin. Mutation Research, 807: 15-24.
2Pal, A., Alam, S., Chauhan, L.K.S., Saxena, P.N., Kumar, M., Ansari, G.N., Singh, D. & Ansari, K.M. 2016. UVB exposure enhanced the dermal penetration of zinc oxide nanoparticles and induced inflammatory responses through oxidative stress-mediated by MAPKs and NF-kB signalling in SKH-1 hairless mouse skin. Toxicology Research, 5: 1066-1077.
Pinnell, S.R., Fairhurst, D., Gillies, R., Mitchnick, M.A., Kollias, N. Microfine zinc oxide is a superior sunscreen ingredient to microfine titanium dioxide. Dermatology Surgery, 26: 309-314.
Shin, Y.J, Lee, W.M., Kwak, J.I. & An, Y.J. dissolution of zinc oxide nanoparticles in exposure media of algae, daphnia, and fish embryos for nanotoxicological testing. Chemistry and Ecology, 34: 229-240.
Suzuki, M. 1987. Protective effect of fine-particle titanium dioxide on UVB-induced DNA damage in hairless mouse skin. Photodermatology, 4: 209-211. 
Tavares, A.M., Louro, H., Antunes, S., Quarre, S., Simar, S., Temmerman, P.J., Verleysen, E., Mast, J., Jensen, K.A., Norppa, H., Nesslany, F. & Silva, M.J. Genotoxicity evaluation of nanosized titanium dioxide, synthetic amorphous silica and multi-walled carbon nanotubes in human lymphocytes, Toxicology in Vitro, 28: 60-69.
Tran, D.T. & Salmon, R. 2010. Potential photocarcinogenic effects of nanoparticle sunscreens. The Australian Journal of Dermatology, 52:1-6.
Trivedi, M. & Murase, J. 2017. Titanium dioxide in sunscreen. In Application of Titanium Dioxide. Intech Open. (pp. 61-71). Intech Open: London.
Tucci, P., Porta, G., Agostini, M., Dinsdale, D., Iavicoli, I., Cain, K.. 2013. Metabolic effects of TiO2 nanoparticles, a common component of sunscreens and cosmetics, on human keratinocytes. Cell Death & Disease, 4: e549.
Walter, J.F. & DeQuoy, P.R. 1980. The hairless mouse as a model for evaluating sunscreens. Archive of Dermatology, 116: 419 – 421.
Warheit, D.B., Hoke, R.A., Finlay, C., Donner, E.M., Reed, K.L. & Sayes, C.M. Development of a base set of toxicity tests using ultrafine TiO2 particles as a component of nanoparticle risk management. Toxicology Letters, 171: 99-110.
Yu, K.N., Sung, J.H., Lee, S., Kim, J.E., Kim, S., Cho, W.Y., Lee, A.Y., Park, S.J., Lim, J., Chae, C., Lee, J.K., Lee, J., Kim, J.S., Cho, M.H. 2015. Inhalation of titanium dioxide induces endoplasmic reticulum stress-mediated autophagy and inflammation in mice. Food and Chemical Toxicology, 85: 106-113. 
Zijno, A., Angelis, I.D, Berardis, B.D., Andreoli, C., Russo, M.T., Pietraforte, D., Scorza, G., Degan, P., Ponti, J., Rossi, F. & Barone, F. 2015. Different mechanisms are involved in oxidative DNA damage and genotoxicity induction by ZnO and TiO2 nanoparticles in human colon carcinoma cells. Toxicology in Vitro, 29: 1503-1512. 


Tags :

No comments:

Subscribe to: Post Comments ( Atom )
Powered by Blogger.