home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Biomineralisatie-geïnspireerde synthese van met cerium gedoteerde koolstofhoudende nanodeeltjes voor sterk hydroxylradicaal wegvangende activiteit

Abstract

Ceriumoxide-nanodeeltjes hebben onlangs uitgebreide aandacht gekregen in biomedische toepassingen vanwege hun uitstekende anti-oxidatieprestaties. In deze studie werd een eenvoudige, milde en groene benadering ontwikkeld om met cerium gedoteerde koolstofhoudende nanodeeltjes (Ce-gedoteerde CNP's) te synthetiseren met behulp van bio-mineralisatie van stierserumalbumine (BSA) als voorloper. De resulterende Ce-gedoteerde CNP's vertoonden een uniforme en ultrakleine morfologie met een gemiddelde grootte van 14,7 nm. XPS- en FTIR-resultaten onthulden de aanwezigheid van een hydrofiele groep op het oppervlak van Ce-gedoteerde CNP's, wat resulteerde in een uitstekende dispersiteit in water. De CCK-8-assay toonde aan dat Ce-gedoteerde CNP's gunstige biocompatibiliteit en verwaarloosbare cytotoxiciteit bezaten. H2 . gebruiken O2 -geïnduceerde reactieve zuurstofspecies (ROS) als model, Ce-gedoteerde CNP's vertoonden een hoog vermogen om hydroxylradicaal weg te vangen. Bovendien gaven flowcytometrie en live-dood kleuringsresultaten aan dat Ce-gedoteerde CNP's cellen beschermden tegen H2 O2 -geïnduceerde schade in een dosisafhankelijk effect, wat een direct bewijs leverde voor anti-oxidatieve werking. Deze bevindingen suggereren dat Ce-gedoteerde CNP's als nieuwe ROS-scavengers een potentieel therapeutisch vooruitzicht kunnen bieden bij de behandeling van ziekten die verband houden met oxidatieve stress.

Achtergrond

Continue en gedereguleerde ontsteking wordt beschouwd als een veelvoorkomende stap van talrijke pathologische processen [1]. Oxidatieve stress is gevonden bij veel klinische ziekten waarbij ROS een veel hogere expressie heeft dan de eliminatie van antioxidante enzymen [2,3,4], wat uiteindelijk wordt gedefinieerd als een disbalans tussen oxidatieve en anti-oxidatieve prestaties. De zeer reactieve ROS hebben de neiging om vrije radicalen te produceren (inclusief superoxide (O2 − ), HO2ˋ en hydroxyl (ˋ OH)) die schade veroorzaken aan macromoleculen in het organisme, zoals eiwitten en nucleïnezuren, terwijl overproductie van ROS een cruciaal verschil maakt in aanhoudende oxidatieve schade, wat leidt tot significante vernietiging van cellulaire structuren en functies, zoals ontstekingsinfiltraten [5,6 ,7], de beschadiging van celmembranen en DNA [8, 9] en zelfs toenemende celdood. Oxidatieve stress speelt dus een sleutelrol in de pathogenese van macrovaatziekten [10,11,12], kanker en enkele andere ziekten van het zenuwstelsel [13]. Daarom is het een belangrijk en urgent probleem om de concentratie van reactieve zuurstofradicalen in levende organismen te beheersen en binnen een geschikt bereik te houden, wat ook essentieel is om reeksen oxidatieve afwijkingen te verminderen.

Onlangs hebben ceriumoxide-nanodeeltjes (CeO2 NP's) hebben veel aandacht getrokken vanwege hun unieke redox-eigenschappen die op grote schaal werden toegepast op energie-, katalyse- en biomedische gebieden [14,15,16]. Vooral CeO2 nanodeeltjes vertoonden een enorm potentieel als ideale antioxidant voor de behandeling van ROS-gerelateerde ziekten in biomedische toepassingen [17, 18]. De antioxiderende activiteit van ceriumoxide-nanodeeltjes komt voort uit hun vermogen om vrije radicalen op te vangen, zoals superoxide (•O 2− ) en hydroxylradicalen (•OH), en handhaaft het antioxiderende effect als enzym voor een langdurige periode [19]. Er is steeds meer bewijs dat CeO2 nanodeeltjes hebben meestal een kristalstructuur van het fluoriet-type, en ceriumionen bezitten het vermogen van omkeerbare omzetting tussen tervalentie (3+) en quadrivalentie (4+) [20]. De overstap van Ce 3+ tot Ce 4+ oxidatietoestanden kunnen O2 . elimineren − via superoxide dismutase (SOD)-mimetica, en •OH via redoxreacties, terwijl de Ce 4+ tot Ce 3+ schakelaar verwijderen H2 O2 via katalase (CAT)-mimetica [21]. Fysische en chemische eigenschappen van CeO2 NP's kunnen biologisch gedrag beïnvloeden, inclusief de biodistributie, farmacokinetiek, toxiciteit, oplossing en eliminatie [22]. Gezien de hypothese dat het goed ingeburgerd is op de oppervlakkige chemie van Ce-gedoteerde CNP's, moet het biologische gebruik van Ce-gedoteerde CNP's als een therapeutische benadering nog breed worden onderzocht [23, 24].

Deze studie concentreert zich op de ontwikkeling van nieuwe op cerium gebaseerde nanodeeltjes (genoemd als Ce-gedoteerde CNP's) met uitstekende biocompatibiliteit met behulp van een eenvoudige en groene synthetische route en onderzoekt verder hun haalbaarheid als antioxidant voor biomedische toepassingen. Een reeks methoden werd gebruikt om de fysische en chemische eigenschappen van de Ce-gedoteerde CNP's te karakteriseren. Aangemoedigd door de gunstige prestaties, hebben we de biocompatibiliteit van de bereide Ce-gedoteerde CNP's verder geverifieerd en gebruikt als antioxidantreagentia om zuurstofvrije radicalen te elimineren met behulp van H2 O2 geïnduceerd model. Ten slotte werd het antioxidantmechanisme van Ce-gedoteerde CNP's onthuld uit de celapoptose-route met behulp van de live-dead fluorescerende kleuring en flowcytometrie. Deze studie zal een nieuwe en efficiënte ROS-scavenger opleveren om schade door oxidatieve stress onder pathologische omstandigheden te verlichten.

Experimentele sectie

Materialen en reagentia

Stierenserumalbumine (BSA), fluoresceïnediacetaat (FDA) en propidiumjodide (PI) werden gekocht bij Sigma (New York, NY, VS). Foetaal runderserum (FBS) en Dulbecco's Minimum Essential Medium (DMEM) werden verkregen van Invitrogen China Limited (Shanghai, Volksrepubliek China). Ce (NEE3 )3 ·6H2 O, methylviolet (MV) en ferrosulfaatheptahydraat (FeSO4 . 7H2 O) werden gekocht van Aladdin Reagent Corporation (Shanghai, Volksrepubliek China) en waterstofperoxide (30%) werd verkregen van Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Beijing, Volksrepubliek China). Alle chemicaliën waren van analytische reagentia en werden zonder verdere zuivering gebruikt. In de experimenten werd gedeïoniseerd water gebruikt.

Synthese van ceriumoxide-nanodeeltjes

Ce-gedoteerde CNP's werden bereid door een kleine wijziging van de op album gebaseerde biomineralisatiemethode toe te passen, zoals beschreven in het document [24]. Het syntheseproces wordt als volgt geïllustreerd:1,25 g BSA werd opgelost in 50,0 ml gedeïoniseerd water en constant geroerd om de transparante oplossing te vormen. Vervolgens wordt de oplossing van metaalprecursor 300 mM Ce (NO3 )3 ·6H2 O werden respectievelijk langzaam onder krachtig roeren toegevoegd. Tegelijkertijd werd 2,0 M NaOH opgelost in 50 ml gedeïoniseerd water, dat werd gebruikt voor het aanpassen van de pH-waarde van het mengsel. De oplossing met NaOH moet langzaam worden toegevoegd en verdient aandacht. Ce-gedoteerde CNP's konden worden gevormd na energetisch roeren bij een pH van 12 bij 55 ° C. Een voldoende reactietijd voor de vorming van Ce-gedoteerde CNP's was ongeveer 8 uur; het systeem was de verbinding van bruin, natuurlijk afkoelend tot kamertemperatuur. De extra suspensie werd gefiltreerd met een membraan van 0,22 m (polyethersulfon) om die grootschalige agglomeraties uit te putten. De eerste oplossing werd uiteindelijk 3 dagen tegen water gedialyseerd in een dialysezak met een molecuulgewichtsgrens van 14 kDa. De verzamelde dialyse-oplossing werd gevriesdroogd met behulp van een vacuümvriesdroger. De Ce-gedoteerde CNPs-poeders werden uiteindelijk verkregen en bewaard voor verdere karakterisering.

Instrumenten en karakterisering van ceriumoxide-nanodeeltjes

Morfologieën van Ce-gedoteerde CNP's werden onderzocht door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) op een JEM-2100-microscoop (JEOL, Tokyo, Japan) onder een versnellende spanning van 200 kV. De grootteverdeling werd bestudeerd door de ImagingJ-software (National Institutes of Health, Bethesda, MD, VS). De chemische structuren van Ce-gedoteerde CNP's werden geanalyseerd met behulp van een Fourier-transformatie infrarood (FT-IR) spectrometer (Nicolet Nexus 470, GMI en Ramsey, MN, VS). De elementaire samenstelling werd bepaald door elementaire analyse uitgevoerd via een röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). Röntgendiffractie (XRD) analyse werd uitgevoerd op een Rigaku D/MAX-2000 diffractometer (Japan) bedreven bij 40 kV en 100 mA, met een spleet van 0,5° en een scansnelheid van 7° min −1 , uitgerust met een Cu Kα-stralingsbron (λ = 0.15418 nm). De UV-Vis-absorptiespectra werden geregistreerd met behulp van een UV-2550 UV-Vis-spectrofotometer (Shimadzu, Kyoto, Japan).

UV-vis fotometrische experimenten

Ce-gedoteerde CNP antioxidant prestaties en vrije radicalen wegvangende activiteit werden beoordeeld door UV-vis fotometrische experimenten. De oplossingen van MV werden bereid in gedeïoniseerd water met een concentratie van 3,0 × 10 −4 M. En 0,15 mM FeSO4 . 7H2 O werd als alternatief opgelost. De gesuspendeerde oplossing van Ce-gedoteerde CNP's was gereserveerd voor gebruik in concentraties van 10 M door te dispergeren in 0,1 M Tris-HCl-buffer bij pH 5,0. Op passende wijze kan ultrasone verwerking de oplosbaarheid van Ce-gedoteerde CNP's verbeteren. De reactie-oplossingen voor fotometrisch omvatten 3.0 × 10 −5 M MV, 0,15 mM FeSO4 . 7H2 O, 1,0 M H2 O2 , 0,1 M Tris-HCl-buffer (pH 5,0) en 0,17 mM Ce-gedoteerde CNP's om een ​​vereist volume van 10 ml te bereiken (mixoplossing van MV/FeSO4 . 7H2 O/H2 O2 /CeO2 ) in de finale. De absorptie van de reactieoplossing kon worden gemeten na 5 min incuberen bij kamertemperatuur.

Cytotoxiciteit van ceriumoxide-nanodeeltjes

De levensvatbaarheid van cellen van Ce-gedoteerde CNP's werd geëvalueerd op VSMC- en 7721-cellen door de CCK-8-assay (Dojindo, Kumamoto, Japan) op basis van de gesplitste tetrazoliumring en de afdaling van in water oplosbaar tetrazoliumzout van de hoeveelheid formazankleurstof door dehydrogenasen in levende cellen. In het kort, VSMC- en 7721-cellen (1,5 × 10 4 cellen per putje) werden uitgezaaid in platen met 96 putjes met vijf replica's voor elke groep. Na 24 uur uitkomen bij 37°C en 5% CO2 en de celdichtheid 80% confluentie had bereikt, werd het groeimedium vervangen door vers DMEM met verschillende concentraties (0, 12,5, 25, 50, 100, 200, 400 μg/ml) Ce-gedoteerde CNP-oplossing en 24 uur geïncubeerd. Vervolgens werden de cellen gewassen met PBS en werd 10 μL CCK-8-oplossing aan elk putje toegevoegd. Vervolgens werden de platen met 96 putjes nog 4 uur geïncubeerd bij 37°C en 5% CO2 exponentiële celgroei mogelijk te maken. Ten slotte werd de absorptie van elk putje gedetecteerd bij een emissiegolflengte van 490 nm met behulp van Synergy HT Multi-Mode Microplate Reader (Bio-Tek, Winooski, VT, VS). Cellen (in DMEM) zonder behandeling werden gebruikt als controle en de relatieve levensvatbaarheid van de cellen (gemiddelde  ± standaardfout van het gemiddelde) werd berekend met behulp van Abs-monster/Abs-controle ×  100%.

Model van waterstofperoxide op de levensvatbaarheid van cellen in vitro

Als een soort krachtige oxidatieve actieve zuurstof, waterstofperoxide (H2 O2 ) is gemakkelijk door het celmembraan te gaan en reageert met intracellulaire ijzerionen om zeer reactieve vrije radicalen te vormen volgens de Fenton-theorie, wat leidt tot een reeks veranderingen. Tegelijkertijd zijn variëteiten van celoxidatieve stress geïnduceerd door H2 O2 zijn direct betrokken bij het proces van apoptose. Daarom 30% H2 O2 werd gekozen om de apoptose van cellen in deze studie te simuleren, die ook kan worden gebruikt als een IC50 model om het beschermende effect van Ce-gedoteerde CNP's op oxidatieve schade verder te onderzoeken. Op basis van de bovenstaande discussie werden VSMC- en 7721-cellen aanvankelijk gezaaid met een dichtheid van 1,5 × 10 4 cellen/putje in de platen met 96 putjes. Nadat de cellen hechtend waren, werden ze nog 24 uur extra gekweekt. En de verse bereiding 30% H2 O2 werd aan elk putje toegevoegd met verschillende concentraties (50, 100, 200, 400, 800 umol/ml) om de groei van cellen te stimuleren. Na 4 uur uitkomen en een daaropvolgende wassing met PBS, werd 10 μL CCK-8-oplossing toegevoegd aan elk putje gedurende 4 uur bij 37 °C in een 5% CO2 broedmachine. Synergy HT Multi-Mode Microplate Reader (Bio-Tek, Winooski, VT, VS) werd gebruikt om de absorberende waarde van elk putje bij 490 nm te bepalen. Het percentage celactiviteit werd beschouwd als de index van het effect van op de levensvatbaarheid van de cellen, die afhing van het meten van het overlevingspercentage van de cellen ten opzichte van dat van de controle.

Apoptose-inductie en cellevensvatbaarheidstest in vitro

Op dezelfde manier werden VSMC- en 7721-cellen uitgezaaid in de platen met 96 putjes en gekweekt. De volgende dag werden cellen ongeveer 24 uur voorbehandeld met verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's (0, 12,5, 25, 50, 100, 200 en 400 g/ml) en blootgesteld aan het verse preparaat 30% H2. O2 met de geschikte concentratie elk putje. Aan de andere kant moet het een lege groep worden ingesteld zonder 30% H2 O2 en Ce-gedoteerde CNP's en controlegroep was alleen met H2 O2 oplossingen. Elke groep werd opgezet zes parallellen. Na behandeling gedurende 4 uur en een daaropvolgende wassing met PBS, werd de CCK-8-assay gebruikt om de apoptotische omstandigheden van cellen in elk putje te meten bij een optische dichtheid van 490 nm, zoals hierboven beschreven.

Live-dead-kleuring-assay en flowcytometrie

Om het potentieel van het antioxiderende effect van Ce-gedoteerde CNP's te beoordelen, werden 7721 cellen gekweekt op platen met zes putjes met 4.0 × 10 4 cellen in 100 ul media per putje en men liet ze zich 24 uur ontwikkelen. Vervolgens werden zes groepen ingesteld als gelijktijdig contrast; het omvatte de controle, H2 O2 groep, 50 μg/ml Ce-gedoteerde CNP's + H2 O2 , 100 μg/ml Ce-gedoteerde CNP's + H2 O2 , 200 g/ml Ce-gedoteerde CNP's + H2 O2 , en 400 g/ml Ce-gedoteerde CNP's + H2 O2 . Terwijl de cellen in elke groep tot 80% waren gegroeid, werd de eerste groep blootgesteld aan een normale groeiconditie zonder H2 O2 en Ce-gedoteerde CNP's; de tweede groep is zojuist geïncubeerd met de geselecteerde H2 O2 zonder Ce-gedoteerde CNP's gedurende 4 uur, namelijk geen behandeling; de derde groep tot de zesde groep bevatte verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's (50, 100, 200 en 400 g/ml) en gaf H2 aan O2 respectievelijk 4 uur incuberen. Daarna werd FDA en PI werkbuffer gebruikt voor celkleuring (Calcein AM/Ethidium Homodimer, Invitrogen). De fluorescentie van gekleurde cellen werd waargenomen onder een fluorescentiemicroscoop; levende cellen vertoonden een groene kleur en dode is een rode kleur.

Verder werd de Annexin V-FITC/propidiumjodide (PI) Apoptosis-kit gebruikt om de snelheid van celapoptose te kwantificeren door dubbele fluorescentiekleuring. In het kort werden 7721 cellen voorgekweekt in kweekplaten met zes putjes volgens de bovenstaande stappen gedurende 24 uur, totdat de 7721 cellen hechtende groei. Daarna werden de cellen met verschillende doses behandelingsmaatregelen geoogst en driemaal gewassen met PBS bij 4 ° C in elke groep. Er werd opgemerkt dat de cellen voorzichtig moesten worden verteerd, verzameld en gecentrifugeerd, gevolgd door 2000 rpm gedurende 5 minuten. Daarna werden de cellen opnieuw gesuspendeerd met 500 μl bindingsbuffer en aangepast tot een concentratie van 1 ×  10 6 cellen/ml. En vervolgens werd de celsuspensie in een stroombuiskleuring gebracht met respectievelijk 5 μl Annexin V-FITC en 5 μl 20 μg / ml PI-oplossing. Voordat het mengsel gedurende 15 minuten bij kamertemperatuur wordt geïncubeerd, moet 500 μl PBS aan de reactiebuis worden toegevoegd. Eindelijk werden de experimentele resultaten gedetecteerd met behulp van de Annexin-V-methode op een Beckman Coulter Epics XL MCL-flowcytometersysteem (BD Accuri C6) en het percentage apoptotische cellen werd opgehelderd door software-analyse (Flowjo 7.6.2).

Statistische analyse

Alle experimentele gegevens werden uitgedrukt als de gemiddelde   ± standaardfout van het gemiddelde. Om de verschillende groepen te vergelijken, werd de statistische techniek van ANOVA met de post hoc minst significante verschil (LSD)-test toegepast om de verkregen gegevens te analyseren. EEN P waarde kleiner dan 0,05 (P < 0,05) werd als statistisch significant beschouwd.

Resultaten en discussie

Voorbereiding en karakterisering van ceriumoxide-nanodeeltjes

In deze studie werden de waterige dispersies van Ce-gedoteerde CNP's verkregen met behulp van Ce (NO3 )3 . 6H2 O en BSA als voorlopers door op biomineralisatie geïnspireerde synthetische methode. Tijdens de voorbereiding kan BSA dat wordt gebruikt als belangrijke koolstofbronmaterialen de metaalionen integreren in metalen nanodeeltjes vanwege hun unieke ruimtelijke structuur en moleculaire ketenflexibiliteit. Met andere woorden, de geprepareerde met metaal gedoteerde nanodeeltjes zijn voornamelijk samengesteld uit koolstofhoudend raamwerk en geladen metalen elementen, die kunnen verschillen van conventionele anorganische cerium-nanodeeltjes [25]. Het morfologische onderzoek werd gekenmerkt door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), en de resulterende deeltjesgroottes werden geanalyseerd door de ImagingJ-software. Fig. 1a toonde karakteristieke TEM-beelden van de resulterende Ce-gedoteerde CNP's. Deze verbeeldingen weerspiegelden dat Ce-gedoteerde CNP's een veelhoekige structuur, uniforme dispersie en discrete vorm bezaten zonder duidelijke aggregatie. Statistische analyse gaf aan dat Ce-gedoteerde CNP's een smalle grootteverdeling hadden met een gemiddelde diameter van 14,7 ±  0,8 nm (figuur 1b), wat consistent was met de TEM-afbeeldingen. Toen Ce-gedoteerde CNP's een paar dagen in water waren, kan worden vastgesteld dat er geen neerslag was en toch de verklaring van homogene oplossingen behield, wat wijst op hun stabiliteit op lange termijn in waterige oplossing, wat gunstig zou kunnen zijn voor de volgende biomedische toepassingen .

een TEM-afbeeldingen voor Ce-gedoteerde CNP's. De inzet toonde een TEM-beeld met hoge resolutie. b De diameterverdeling van Ce-gedoteerde CNP's

Schematische illustratie van het ontwerp van Ce-gedoteerde CNP's

De chemische structuur en oppervlaktesamenstelling van de Ce-gedoteerde CNP's

Functionele oppervlaktegroepen en samenstelling van de Ce-gedoteerde CNP's werden onderzocht met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) -patroon en Fourier-transformatie-infrarood (FT-IR) -spectrum. XPS werd gebruikt om de oxidatietoestand van ceriumionen op het oppervlak van monsters te karakteriseren. Het XPS-spectrum van het onderzoek (Fig. 2a) vertoonde drie overheersende pieken bij 902,0, 285.0 en 531,8 eV, die het bestaan ​​van cerium-, koolstof- en zuurstofelementen van Ce-gedoteerde CNP's aangaven. De zwavel (S 2p) -signalen bij 164,0 eV suggereerden dat BSA succesvol was geconjugeerd aan de Ce-gedoteerde CNP's. Het naast elkaar bestaan ​​van Ce (III) en Ce (IV) in Ce-gedoteerde CNP-katalysatoren zou kunnen worden bewezen door het spectrum van figuur 2b. Het spectrum met hoge resolutie van Ce3d (Fig. 2b) zou kunnen worden opgesplitst in Ce3d3 en Ce3d5 (als gevolg van een spin-orbit-splitsing van 32 eV), vertoonde de aanwezigheid van geïndexeerde en sterke pieken, die zich respectievelijk op 882,0, 884,0 en 902,0 eV bevonden. Ce3d-signalen werden voornamelijk verdeeld in O2 , 3d5/2 , en 3d3/2 , de pieken tussen 875 en 895 eV behoorden tot de Ce3d3/2 niveau, dat bijna samenviel met het spectrum van eerder gepubliceerde [26]. Bovendien impliceerde het XPS-spectrum ook de 15,99% van Ce3d. Deze waarnemingen komen overeen met resultaten in de literatuur voor CeO2 nanodeeltjes [25]. Het C1s-spectrum zoals weergegeven in figuur 2c werd beschreven door drie grote pieken bij 285,0, 287,8 en 288,9 eV, wat respectievelijk inhield dat CeO2 nanodeeltjes werden gefunctionaliseerd met de 1s-, C=O-, C−F- en COOR-energieniveaus van C. De aanwezigheid van het O1s-spectrum zoals weergegeven in figuur 2d werd gedomineerd door twee grote pieken bij 530,5 en 531,8 eV, wat overeenkwam met de band tussen O2 − en Ce 3+ .

een XPS-spectra van de Ce-gedoteerde CNP's. Enquête spectrum. b Ce3d-spectrum. c C1s-spectrum. d O1s-spectrum

FTIR-analyse werd verder uitgevoerd om de vorming van Ce-gedoteerde CNP's in het reactieproces te verifiëren. Zoals getoond in Fig. 3A, verscheen voor de Ce-gedoteerde CNP's een intense en brede piek bij 3400 cm −1 , die werd veroorzaakt door de rektrilling van O-H en kon worden toegeschreven aan de buigtrilling van geabsorbeerd water. De karakteristieke piek bij 1510 cm −1 kan worden beschreven aan de –O–C–O antisymmetrische rek, terwijl de piek op 1450 cm −1 kunnen worden toegeschreven aan de symmetrische rektrilling van –O–C–O, die beide de aanwezigheid van nitraatgroepen aantoonden. Daarnaast een absorptieband van 451 cm −1 werd toegewezen aan het Ce-O asymmetrische stuk, wat wijst op de vorming van Ce-gedoteerde CNP's. Deze resultaten toonden aan dat de functionele groepen van Ce-gedoteerde CNP's voornamelijk bepaalde −OH en –COO − bevatten groepen.

Een FTIR-spectra van BSA en Ce-gedoteerde CNP's. B XRD-patroon van de Ce-gedoteerde CNP's. C UV-Vis-absorptiespectra van Ce-gedoteerde CNP's. D UV-Vis absorptiespectra van methylviolet (MV) na verschillende behandelingen. een MV, b MV behandeld met H2 O2 en Ce-gedoteerde CNP's, c MV behandeld met FeSO4 en H2 O2 , en d MV behandeld met FeSO4 , H2 O2 , en Ce-gedoteerde CNP-oplossingen met een incubatietijd van 5 min

Volgens röntgendiffractie (XRD) analyse werd de kristalstructuur van de Ce-gedoteerde CNP's onderzocht. Zoals weergegeven in figuur 3B, zijn er vier grote diffractiepieken bij 24,4 °, 30,3 °, 35,23 ° en 43,2 °. Een van deze pieken bij 24,4 ° kan worden toegeschreven aan de geproduceerde anorganische koolstofhoudende structuur, die vergelijkbaar is met de gerapporteerde koolstofkwantumdots en grafietkarakteristieke pieken [27,28,29]. Vergeleken met de geordende kristalstructuur van grafiet (002 vlakken, 2θ = 26,5°), wordt de diffractiepiek van Ce-gedoteerde CNP's rond 24,4° met een lagere verschuiving zwak, wat kan worden toegeschreven aan sterk wanordelijke koolstof en toename van de sp 2 (C-C) laagafstand in het carbonisatieproces [30]. De diffractiepieken onder hoeken van 30,3 °, 35,23 ° en 47,42 ° kwamen meestal overeen met (111), (200) en (220) vlakken van de conventionele ceria-nanodeeltjes. Verder kwamen andere pieken onder hoeken van 56,30°, 69,00°, 75,57° en 78,99° overeen met (311), (400), (331) en (402) van ceriumoxide waarnaar wordt verwezen (JCPDS 2004 36-1253). De bijbehorende afstand \( \left(\mathrm{Fm}3\overline{\mathrm{m}}\right) \) is berekend volgens de wet van Bragg (de golflengte van de Cu-Kα-wet is 0,154 nm). Deze resultaten kunnen voorlopig de Ce-gedoteerde CNP's met de hybride kristalstructuur bevestigen.

Het was algemeen bekend dat Fe 2+ kan afwisselend dismutatie van het waterstofperoxide katalyseren (H2 O2 ) in een ander reactief hydroxylradicaal volgens de Fenton-reactie [31]. Als chromogeen reagens vertoont de oplossing van methylviolet voornamelijk paars. Gericht op –C=C–, kan hydroxylradicaal reageren met methylviolet, wat resulteert in MV in een ondiepe kleur, zelfs kleurloos, en de maximale UV-Vis-absorptie bij 582 nm neemt af [32]. Volgens ons ontwerp kunnen Ce-gedoteerde CNP's zeker de hydroxylradicaal elimineren en uiteindelijk de absorptie van de MV bij 582 nm verhogen.

Om het onderliggende vermogen om vrije radicalen op te vangen voor Ce-gedoteerde CNP's te bevestigen, werden UV-Vis-absorptiespectra van MV gebruikt om enkele inzichten te verschaffen. Er was geen significante absorptie van 500 tot 700 nm in Ce-gedoteerde CNP's waterige oplossing in Fig. 3C. We konden echter de maximale absorptie van het methylviolet waarnemen bij ongeveer 582 nm en de absorptie werd geremd onder H2 O2 behandeling (Fig. 3D). Bij het toevoegen van Ce-gedoteerde CNP's aan de mixoplossing, werd de absorptie duidelijk hersteld, wat bewees dat Ce-gedoteerde CNP's het vermogen hadden om de hydroxylradicaal te verwijderen en de MV te beschermen tegen aantasting in deze experimentele omstandigheden. Deze resultaten zullen een verdere biomedische toepassing hebben bij de behandeling van ziekten veroorzaakt door vrije radicalen.

Cytotoxiciteitstest van ceriumoxide-nanodeeltjes in vitro

Alvorens gesynthetiseerde Ce-gedoteerde CNP's toe te passen voor de behandeling van ziekten die verband houden met oxidatieve stress, is het essentieel om hun biocompatibiliteit te evalueren. In deze studie werd het effect van Ce-gedoteerde CNP's op de levensvatbaarheid van cellen geëvalueerd via incubatie van VSMC- en 7721-cellen met Ce-gedoteerde CNP's met behulp van cellevensvatbaarheidstests van de CCK-8-assay. Het is te zien dat de levensvatbaarheid van de cellen geen significante veranderingen vertoonde na behandeling met verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's gedurende een blootstellingstijd van 24 uur (figuur 4a). Zelfs bij de hoogste dosis van 400 μg/ml was de levensvatbaarheid van de cellen in alle behandelingsgroepen ongeveer 90%, wat aantoont dat Ce-gedoteerde CNP's een zeer lichte cytotoxiciteit op cellen hadden. Deze bevindingen benadrukten de gunstige cytocompatibiliteit van Ce-gedoteerde CNP's en maakten ze geschikt voor biomedische toepassingen.

een Het effect van verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's op de cellevensvatbaarheid van VSMC- en 7721-cellen door CCK-8. Cellen werden gedurende 24 uur voorbehandeld met Ce-gedoteerde CNP's in verschillende concentraties en werden vervolgens toegediend door H2 O2 bij verschillende doseringen. b Cellevensvatbaarheid van VSMC en c 7721 cellen gekweekt met verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's onder 560 μM H2 O2 -geïnduceerde oxidatieve stress door CCK-8-assay

Antioxidant eigenschappen en vrije radicalen wegvangende activiteit van Ce-gedoteerde CNP's in vitro

De eigenschap van mimetisch enzym van ceriumoxide-nanomaterialen is bevorderlijk voor hun potentiële therapeutische toepassingen. Er werd onderzocht of Ce-gedoteerde CNP's in oplossing VSMC- en 7721-cellen voldoende zouden beschermen tegen vrije radicalen. Voor deze onderzoeken, H2 O2 werd gebruikt om de generatie van reactieve zuurstofspecies (ROS) te induceren, wat leidde tot celbeschadiging of dood. Ten eerste, de IC50 waarde van cellevensvatbaarheid werd bepaald om het beschermende effect van Ce-gedoteerde CNP's te onderzoeken. De levensvatbaarheid van VSMC- en 7721-cellen vertoonde de lage waarde na toevoeging van H2 O2 . Een trend van verhoogde apoptotische activiteit voor VSMC- en 7721-cellen werd waargenomen met toenemende H2 O2 concentratie in oplossing (Fig. 4b). Met andere woorden, de verhoging van de ROS was dosisafhankelijk, wat ook de mediane dodelijke dosis (LD50 ) van VSMC- en 7721-cellen was respectievelijk ongeveer 549 en 556 umol/ml. Als gevolg hiervan is de LD50 H2 O2 via oxidatieve stress was 560 μM, wat dicht in de buurt kwam van de resultaten van de literatuur [33].

Vervolgens het antioxiderende effect van Ce-gedoteerde CNP's onder LD50 van H2 O2 werd getest met behulp van een celtellingskit-6 (CCK-8)-assay. Vanwege hun unieke elektronische eigenschappen hebben Ce-gedoteerde CNP's een inherente neiging om in dubbele oxidatietoestanden te bestaan ​​(Ce 3+ en Ce 4+ ) en krijgen antioxidantactiviteit via oxidatie-reductiegedrag. Als ROS bestaat, Ce 4+ kan continu worden omgeschakeld naar Ce 3+ samen met de aanhoudende activiteit van vrije radicalen [34, 35]. Zoals getoond in Fig. 4c, impliceerden deze resultaten dat de levensvatbaarheid van zowel VSMC- als 7721-cellen geleidelijk was verbeterd met de toename van Ce-gedoteerde CNP's-concentratie onder dezelfde oxidatieve stress. Vooral de levensvatbaarheid van de cellen werd ongeveer 88,0% teruggevonden bij de Ce-gedoteerde CNP-concentratie van 400 g / ml. Dientengevolge vertoonden de Ce-gedoteerde CNP's een uitstekend antioxidatief effect op een dosisafhankelijke manier via een efficiënt vermogen om vrije radicalen op te vangen.

Live-dead-kleuring en flowcytometrie-assay werden gebruikt om het cyto-antioxidatieve effect van Ce-gedoteerde CNP's verder te ontdekken. Zoals weergegeven in Fig. 5, werd intensieve groene fluorescentie zonder rood waargenomen in de 7721 cellen die waren behandeld met enkelvoudige Ce-gedoteerde CNP's, maar er was veel rode fluorescentie te zien in de H2 O2 behandeling van 556 uM, die H2 . aantoonde O2 zou dramatisch celapoptose kunnen induceren. Maar H2 O2 -geïnduceerde apoptose was geleidelijk verlicht met de toename van Ce-gedoteerde CNP-concentraties. In het bijzonder was er slechts een kleine hoeveelheid rode fluorescentie te zien na Ce-gedoteerde CNP-behandeling van 400 μg/ml onder H2 O2 -geïnduceerde oxidatieve stress die een hogere levensvatbaarheid van de cellen aangaf. Flowcytometrie-assay werd verder uitgevoerd om het antioxidatieve effect van Ce-gedoteerde CNP's te onderzoeken. In de spreidingsgrafiek van cytometrie met dubbele variabele stroom werd het Annexin-V-FITC-emissiesignaal uitgezet op de x -as, terwijl het PI-emissiesignaal werd uitgezet op de y -as. Verschillende celgebieden werden als volgt gedefinieerd:annexine V-/PI––wordt als levende cellen beschouwd, annexine V+/PI–– staat voor vroege apoptosecellen en annexine V+/PI+–– staat voor late apoptose/necrosecellen. Zoals weergegeven in Fig. 6, vertoonde de controlegroep een kleine en normale fractie van late celapoptose van 1,45%, maar H2 O2 behandeling vertoonde een extreem hoge mate van late celapoptose van 46,4%. Zoals we verwachtten, heeft het aandeel apoptotische cellen dat wordt behandeld met verschillende concentraties Ce-gedoteerde CNP's een geleidelijke neerwaartse trend. Vergeleken met 46,4% cel-late apoptose onder de H2 O2 behandeling nam het percentage apoptose aanzienlijk af tot 24,2, 20,0, 15,1 en 11,2% na Ce-gedoteerde CNP-behandeling van 50, 100, 200 en 400 g/ml. Gebaseerd op de resultaten van de live-dead-kleuring en flowcytometrie, onthulde het dat Ce-gedoteerde CNP's op een dosisafhankelijke manier gunstige antioxidatieve effecten uitoefenden tegen door oxidatieve stress geïnduceerde apoptose.

Fluorescent images of 7721 cells incubated with different concentrations of Ce-doped CNPs under H2 O2 -induced oxidative stress for 24 h by live-dead staining (scale bars = 50 μm)

Flow cytometry profiles of 7721 cells were examined to determine the percentages of early apoptosis and late apoptosis cells with different treatments

Conclusions

In summary, we reported a novel Ce-doped CNPs with the capability of scavenging free radicals. The preparation method is simple by using one-step synthesis in the bio-mineralization manner. Different from the former surface modification (such as PVP), the as-prepared Ce-doped CNPs exhibited the improvement in biocompatibility and dispersibility in aqueous solution. Furthermore, in vitro studies showed albumin-based bio-mineralization Ce-doped CNPs not only own superoxide dismutase feature but also alleviate the oxidative damage caused by H2 O2 , which have a protective effect on cells in this periods of study. Furthermore, the concentration of Ce-doped CNPs plays important roles in the recovery of apoptotic cells. Herein, the novel Ce-doped CNPs have promising biomedical applications in diseases prevention and treatment of oxidative stress-mediated.


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Gouden nanodeeltjes voor chemosensoren
    2. Nanodeeltjes voor kankertherapie:huidige vooruitgang en uitdagingen
    3. Hoogreflecterende dunnefilmoptimalisatie voor micro-LED's met volledige hoek
    4. Eenvoudige synthese van SiO2@C-nanodeeltjes verankerd op MWNT als hoogwaardige anodematerialen voor Li-ionbatterijen
    5. Met resveratrol geladen albumine-nanodeeltjes met verlengde bloedcirculatie en verbeterde biocompatibiliteit voor zeer effectieve gerichte pancreastumortherapie
    6. Hydrothermische synthese van In2O3 nanodeeltjes hybride tweeling hexagonale schijf ZnO heterostructuren voor verbeterde fotokatalytische activiteiten en stabiliteit
    7. Silica-nanodeeltjes voor intracellulaire eiwitafgifte:een nieuwe synthesebenadering met behulp van groene fluorescerende eiwitten
    8. Nabehandelingsmethode voor de synthese van monodisperse binaire FePt-Fe3O4-nanodeeltjes
    9. Synthese en in vitro prestaties van met polypyrrool gecoate ijzer-platina nanodeeltjes voor fotothermische therapie en foto-akoestische beeldvorming
    10. Platycodon-saponinen van Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) voor de groene synthese van gouden en zilveren nanodeeltjes
    11. Gemakkelijke synthese en verbeterde fotokatalytische activiteit van zichtbaar licht van nieuwe p-Ag3PO4/n-BiFeO3-heterojunctie-composieten voor degradatie van kleurstoffen