Undersøgelse af celledræbere:Et avanceret system til størrelsesafhængig cytotoksicitetsanalyse af silica

Metal nanomaterialer er blevet en uundværlig del af industrielle og medicinske områder på grund af deres unikke og alsidige egenskaber. Deres størrelse, som giver dem de ønskede fysisk-kemiske egenskaber, er også årsagen til miljø- og sundhedsmæssige bekymringer. Partiklerne i nanostørrelse i nanomaterialer har vist høj reaktivitet over for biomolekyler og ofte endda toksicitet over for biologiske celler.

Forskere har tilskrevet denne adfærd af metalnanopartikler i interaktion med biomolekyler til fænomener som inflammation eller oxidativt stress. Men for at sikre sikker brug af metalnanopartikler er der behov for at udforske molekylære mekanismer, der er ansvarlige for toksiciteten, og forstå, hvordan cellernes optagelse af nanopartikler varierer baseret på deres form, størrelse, morfologi og andre aspekter.

For at kaste lys over dette spørgsmål har adjunkt Yu-ki Tanaka og prof. Yasumitsu Ogra, begge fra Graduate School of Pharmaceutical Sciences ved Chiba University, nu estimeret det cellulære indtag af silicananopartikler (SiNP'er) baseret på deres størrelser.

I deres nylige gennembrud offentliggjort i Archives of Toxicology , udviklede forskerne et AF4-ICP-MS (asymmetrisk flow field flow fraktionering med induktivt koblet plasma massespektrometri) system, som adskilte SiNP'er i fem forskellige størrelser (10, 30, 50, 70 og 100 nm) og muliggjorde kvantitativ vurdering af cytotoksicitet af SiNP'er i HepG2-celler.

"SiNP'er har taget fart inden for forskellige områder såsom lægemiddellevering, biomedicinsk billeddannelse, katalysatorer samt miljøsanering til fjernelse af forurenende stoffer fra vand og jord. Der er dog også en betydelig bekymring over dets miljømæssige toksicitet og potentielle indvirkning på levende organismer." siger Dr. Tanaka, da han bliver spurgt om motivationen bag denne undersøgelse.

"Så for at finde en løsning på afvejningen mellem industriel tilgængelighed og toksicitet besluttede vi at udvikle en teknik til at forstå de potentielle negative virkninger af SiNP'er ved at kombinere kvantitative data om cellulær optagelse og toksikologiske reaktioner."

Størrelsesanalyseteknikker som elektronmikroskopi og laserbaseret dynamisk lysspredning formåede ikke at observere nanopartikelprøver i dybe lag og belyse de kemiske sammensætninger af nanopartiklerne. For at imødegå disse problemer vedtog holdet den nye AF4-ICP-MS størrelsesanalyseteknik, som ikke kun overvandt disse problemer, men også detekterede nanopartikler med en størrelse så lav som 10 nm. Dette ville ikke have været muligt med konventionelle ICP-MS metoder.

Holdet brugte den AF4-baserede metode til at evaluere den cellulære optagelse af SiNP'er i laboratoriedyrkede humane hepatom HepG2-celler. Målingerne viste, at ca. 17% af SiNP'erne udsat for HepG2-cellerne blev absorberet. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) udført af holdet observerede tilstedeværelsen af ​​SiNP-aggregater i cellerne, hvilket indikerer små nanopartiklers evne til at sætte sig ned i dyrkningsmediet og let trænge ind i cellerne.

"Vi fandt ud af, at de mindre SiNP'er udviste højere toksicitet over for HepG2-cellerne end de større, men AF4-ICP-MS-analysen fandt ingen signifikant størrelsesafhængig forskel i partikelvolumenet absorberet af cellerne," bemærker Dr. Tanaka, der fremhæver resultaterne af toksicitetsforsøgene. Disse resultater antydede, at den forhøjede cytotoksiske adfærd af de små SiNP'er var forankret i det store overfladeareal i forhold til partikelvolumen sammenlignet med de større.

Forskerne undersøgte også de kemiske mekanismer forbundet med cytotoksicitet. Dataene indikerede, at cellenekrose delvist var forbundet med oxidativ stress forårsaget af produktionen af ​​reaktive oxygenarter (ROS). Derudover var interaktioner mellem silanolgrupperne på SiNP-overfladen og fosfolipider i cellemembranen ansvarlige for den associerede celleskade.

Samlet set præsenterer resultaterne den nye AF4-ICP-MS-teknik som et kraftfuldt værktøj til kvantitativ bestemmelse af cytotoksicitet induceret af metalnanopartikler af varierende størrelse. Indsigten fra denne undersøgelse giver også et solidt grundlag for fremtidige undersøgelser, der ser nærmere på evalueringen af ​​risici for eksponering af nanopartikler og deres potentielle byrde på menneskekroppe.

"Vores undersøgelses formål var at komme op med en let analyseteknik, der ville hjælpe i missionen med at minimere potentielle sundhedsskader fra nanopartikler. Vi håber på, at de toksikologiske oplysninger fra vores undersøgelse vil hjælpe med at etablere kriterier for korrekt udnyttelse og regulering af nanopartikler. i industrier, det medicinske område, og endda i daglig brug genstande indeholdende nanopartikler," konkluderer Dr. Tanaka.

Flere oplysninger: Yu-ki Tanaka et al., Kvantitativ bestemmelse af den intracellulære optagelse af silicananopartikler ved brug af asymmetrisk flow-feltstrømsfraktionering koblet med ICP-massespektrometri og deres cytotoksicitet i HepG2-celler, Archives of Toxicology (2024). DOI:10.1007/s00204-023-03672-4

Leveret af Chiba University