INTREKKEN ARTIKEL:een vergelijkend onderzoek naar de toxiciteit van met polyethyleenglycol beklede kobaltferriet-nanobolletjes en nanodeeltjes

Resultaten en discussie

Structurele analyse

Structurele analyses (XRD, FTIR, Raman en TGA) van de bereide nanomaterialen worden getoond in Fig. 2. De XRD-resultaten in Fig. 2a vertegenwoordigen het gecoate en niet-gecoate kobaltferriet op nanoschaal, wat bevestigt dat kobaltferriet met succes werd gefabriceerd. De posities en relatieve intensiteiten van alle waargenomen pieken in XRD-gegevens bevestigen de kristallijne aard van kobaltferriet. Er werden geen extra pieken waargenomen, wat wijst op de zuiverheid van het bereide kobaltferriet. De gemiddelde kristallietgrootte van kobaltferriet werd bepaald met behulp van de Scherrer-vergelijking [56], die ~ 24 nm bleek te zijn. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) werd uitgevoerd om de kationverdeling (van nikkel, kobalt en ijzer) in kobaltferriet te onderzoeken. Figuur 2b geeft de FTIR-gegevens aan die bij kamertemperatuur zijn verzameld. Theoretisch heeft kobaltferriet twee sterke absorptiebanden (ʋ₁ en ʋ₂ ) samen met enkele andere die voorkomen in het bereik van 400–600 cm ⁻¹ . Al deze pieken zijn duidelijk aangegeven in onze gegevens getoond in figuur 2b. In FTIR-gegevens, ʋ₁ komt overeen met de intrinsieke rektrillingen van het metaal op tetraëdrische plaatsen, terwijl ʋ₂ komt overeen met de rektrillingen van de metaalionen op octaëdrische plaatsen [57,58,59]. De piek verschijnt in FTIR bij 3421 cm ⁻¹ komt overeen met polyethyleenglycol (PEG), wat de succesvolle hechting op het oppervlak van kobaltferriet aangeeft. Raman-analyse van kobaltferriet verzameld bij kamertemperatuur wordt getoond in Fig. 2c, wat 5 verschillende pieken aangeeft die in de gegevens te zien zijn. De piek verschijnt onder de 700 cm ⁻¹ is de belangrijkste kenmerken piek (A _1g modus) van kobaltferriet dat overeenkomt met het uitrekken van zuurstofionen langs de Fe-O-bindingen op tetraëdrische plaatsen [60], terwijl de andere pieken die in de gegevens verschijnen ook tot kobaltferriet behoren. Dit bevestigt de succesvolle fabricage van PEG-kobaltferriet in ons experiment. Figuur 2d toont de TGA-resultaten van de monsters die zijn verzameld in het temperatuurbereik van 50-380 ° C, wat erop wijst dat kobaltferriet bij verschillende temperaturen zijn gewicht verliest. Het is ook duidelijk in TGA-analyse dat de thermische stabiliteit van PEG relatief laag is, terwijl die van PEG-kobaltferriet hoog is.

een XRD resultaten van het kobaltferriet. b Fouriertransformatie-infraroodspectroscopie (FTIR) gebruikt in het bereik van 500–4000 cm ⁻¹ . c Raman-spectrum bij kamertemperatuur van de monsters verzameld in 190–1000 cm ⁻¹ frequentiebereik. d Thermogravimetrische analyse (TGA) van PEG-gecoat CoFe₂ O₄ verzameld in het temperatuurbereik 50–400 °C

Elektronenmicroscopie-analyses van de monsters worden getoond in Fig. 3. Figuur 3 (a) en (b) geven de SEM-afbeeldingen aan van respectievelijk PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanosferen, terwijl Fig. 3 (c) en (d) aangeven de TEM-analyses van respectievelijk nanosferen en nanodeeltjes. Deze resultaten laten zien dat de gemiddelde grootte van nanodeeltjes ongeveer 25 nm is en die van nanosfeer 80-100 nm. Uit TEM-afbeeldingen van nanosferen is het duidelijk dat nanosferen zijn samengesteld voor een groot aantal kleinere nanodeeltjes met grote oppervlakten, waardoor ze mesoporeus worden, wat zeer wenselijk is voor medische toepassingen van nanomaterialen als dragers van medicijnen. Al deze structurele analyses bevestigen de succesvolle vorming van zuivere fase PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanobolletjes.

SEM van kobaltferriet nanodeeltjes (a ) en nanobolletjes (b ). TEM-afbeeldingen van met PEG gecoate kobaltferriet-nanodeeltjes (c ) en nanobolletjes (d ), verzameld met verschillende resoluties

Biodistributieonderzoeken

Kwantitatief wordt de biodistributie van PE-gecoate kobaltferriet-nanodeeltjes en nanosferen in bloed, hart, lever, milt, long en nier na verschillende tijdsintervallen (1, 6, 16 en 24 h) getoond in Fig. 4. De de aanwezigheid van kobaltferriet in bloed en andere organen werd binnen 24 uur na de intraveneuze injectie van ^99m vastgesteld Tc-PEG-kobalt-ferrietoplossing (nanodeeltjes en nanobolletjes). In het geval van nanosferen getoond in Fig. 4(a), bleek de bloedretentie van kobaltferriet 6,5 ± 0,33% ID/g te zijn na 1 uur blootstelling en daarna nam deze geleidelijk af in de volgende tijdsintervallen (dwz 6, 16 en 24u). Men zag dat nanosferen voornamelijk verspreid waren in het hart, de lever, de milt, de longen en de nieren; de meeste werden echter voornamelijk in de milt verzameld. Bovendien bleek de biodistributie van nanosferen in verschillende organen het hoogst te zijn na het eerste uur en nam daarna geleidelijk af en bleef minder dan 30% na 6 uur. In het geval van kobaltferriet-nanodeeltjes was de bloedretentie van nanodeeltjes ongeveer 2,8 ± 0,14% ID/g na 1  uur blootstelling, wat wijst op een relatief snelle klaring van radioactief materiaal uit de bloedplas van het lichaam en daarna nam het af met het verstrijken van de tijd zoals getoond in Fig. 4(b). De nanodeeltjes werden verdeeld in het hart, de lever, de milt, de longen en de nieren met maximale concentraties in de milt en lever. Uit de figuur blijkt duidelijk dat de biodistributie van nanodeeltjes in bloed en andere organen het hoogst was na het eerste uur en daarna geleidelijk afnam na 6 h en uiteindelijk de laagste waarden bereikte na 24 h. Als we de biodistributieresultaten van nanosferen en nanodeeltjes vergelijken, zien we dat de accumulatie/aanwezigheid van PEG-gecoate kobaltferriet nanosferen in het bloed en andere organen van de muizen meer was in vergelijking met de nanodeeltjes. Dit kan worden geassocieerd met een groot oppervlak en een hoge porositeit van nanosferen in vergelijking met de nanodeeltjes, wat een van de kritische factoren is om de reactiviteit van interacties van nanomaterialen met biologische systemen te bepalen. In het geval van nanodeeltjes maakte hun niet-mesoporeuze aard met een laag specifiek oppervlak ze minder reactief dan de nanosferen onder dezelfde omstandigheden. Deze kenmerken hebben mogelijk de langdurige weerstand van met PEG gecoate kobaltferriet-nanodeeltjes in het bloed en andere organen van muizen verminderd. Bovendien veroorzaken de nanosferen complexe vorming met biomoleculen en resulteren ze in een verhoogd niveau van radicale soorten, een verhoging van het niveau van oxidatieve stress, beschadiging van het cellulaire DNA en resulterend in oxidatieve stress door lipideperoxidatie.

Biodistributie van PEG-CoFe₂ O₄ in bloed, hart, lever, milt, longen en nieren na verschillende intervallen (1, 6, 16, 24 h) blootgesteld aan nanosferen (a ) en nanodeeltjes (b )

Biochemische indexen

Om het toxiciteitseffect van PEG-kobaltferriet nanodeeltjes en nanobolletjes bij muizen te bestuderen, werden biochemische indices gemeten en de resultaten zijn weergegeven in Fig. 5. Verschillende parameters, waaronder ALT, AST, BUN, CREA, TB en Cys-C werden gemeten voor de controle- en blootstellingsgroep muizen. SPSS-software werd gebruikt voor gegevensextractie met *P <0,05 dat staat voor significante veranderingen tijdens de metingen. In zowel nanosferen als nanodeeltjes is te zien dat alle biochemische indices significante veranderingen vertonen in vergelijking met muizen uit de controlegroep (*P <0,05). In het geval van een blootstellingsgroep aan kobaltferriet nanobolletjes, vertonen de niveaus van ALT, AST en BUN significante verschillen (*P <0,05) vergeleken met muizen uit de controlegroep, terwijl in het geval van een blootstellingsgroep aan nanodeeltjes alleen Cys-C een significant verschil vertoont in vergelijking met muizen uit de controlegroep (*P <0,05). Het blijkt dat TB en Cys-C, die voornamelijk verantwoordelijk zijn voor de biomarker van de nierfunctie, significant waren afgenomen in het geval van nanosferen. Dit suggereert dat de nieren meer worden beïnvloed door de blootstelling van PEG-kobaltferriet nanosferen dan nanodeeltjes. AST, als de biomarker voor de lever, werd meer beïnvloed door de blootstelling van zowel nanodeeltjes als nanosferen. Dit suggereert dat de blootstelling aan kobaltferriet de leverfunctie nadelig kan beïnvloeden. Uit al deze resultaten blijkt duidelijk dat PEG-kobalt-ferriet-nanobolletjes in vivo meer schade aanrichten bij muizen in vergelijking met kobalt-ferriet-nanodeeltjes.

Biochemische indexen in bloedserum van de controle-, nanodeeltjes- en nanosfeerblootstellingsgroep muizen. De gegevens vertegenwoordigen het gemiddelde ± SD van twee onafhankelijke experimenten die in drievoud zijn uitgevoerd. *P <0,01

Histopathologisch onderzoek

We hebben histopathologische analyse van de controle-, nanodeeltjes-, nanosfeer- en behandelingsgroepmuizen gepresenteerd zoals getoond in Fig. 6. Als we de resultaten van nanosferen en blootstellingsgroepen aan nanodeeltjes vergelijken met controlegroepmuizen, blijkt dat PEG-kobaltferriet nanosferen zijn veroorzaakt meer schade in verschillende organen (lever, milt, nier en long) van muizen in vergelijking met de groep met blootstelling aan nanodeeltjes. In de nier trad glomerulaire congestie op samen met mild oedeem en interstitiële ontstekingscellen worden gezien in het geval van inname van nanosferen in vergelijking met blootstelling aan nanodeeltjes en muizen uit de controlegroep. Ook is te zien dat nanodeeltjes minder ontstekingen vertonen dan de nanobolletjes. Bij blootstelling aan nanodeeltjes bleek dat de longen relatief minder worden aangetast, terwijl bij nanosferen de alveolaire wand verdikt bleek te zijn en milde fibrose werd gezien. Bovendien vertoonden de hepatocyten voor de blootstellingsgroep aan nanodeeltjes zwelling en was er oedeem, terwijl relatief minder ontsteking werd gevonden in het geval van muizen die werden blootgesteld aan nanodeeltjes.

Histologische secties van de weefsels van verschillende groepen (controle, nanodeeltjes, nanosferen en behandeling)

Ontstekingsfactoren en oxidatie-/antioxidantniveau

De expressieniveaus van IL-6, IL-8, TNF-α, MDA en T-AOC werden gemeten en de resultaten worden getoond in Fig. 7. Figuur 7a vertegenwoordigt de western blot-banden van IL-6, IL-8, en β-actine voor de controle-, nanodeeltjes- en nanosfeerblootstellingsgroepen. Het relatieve eiwitniveau van IL-6 en IL-8 voor de controle-, nanodeeltjes- en nanosfeerblootstellingsgroepen wordt getoond in Fig. 7b, terwijl de inhoud van TNF-α, MDA en T-AOC wordt getoond in Fig. 7c- e met *P <0,05 voor de blootstellingsgroep versus controlegroep ± sem. De resultaten toonden aan dat de niveaus van IL-6, IL-8, TNF-α en MDA voor muizen uit de kobaltferriet-nanosfeerblootstellingsgroep hoger zijn dan die van de nanodeeltjesgroep en beide niveaus zijn hoger dan die van de muizen in de controlegroep. In het geval van T-AOC was het niveau van nanosferen lager dan dat van blootstelling aan nanodeeltjes en muizen uit de controlegroep. Al deze resultaten geven aan dat nanodeeltjes en nanosferen ontstekingen veroorzaken bij muizen, vooral in de lever. Nanobolletjes tasten de organen echter meer aan dan de nanodeeltjes. Het begreep heel goed dat nanomaterialen in het lichaam zuurstofvrije radicalen (ROS) genereren, die een reeks kwalitatieve reducties van de antioxidanten veroorzaken, wat resulteert in de oxidatieschade van biologische weefsels die de cellulaire organismen nadelig beïnvloeden [61, 62]. Bovendien, toen de niveaus van IL-6, IL-8, TNF-α, MDA en T-AOC voor de muizen die waren blootgesteld aan nanodeeltjes werden vergeleken met die blootgesteld aan nanosferen, bleek dat kobaltferriet nanosferen resulteerden in meer ontstekingen in vergelijking met de muizen uit de groep met blootstelling aan nanodeeltjes.

Expressies van IL-6, IL-8, TNF-a, MDA en T-AOC. een Western-blot-banden voor IL-6, IL-8 en β-actine in de controle-, nanodeeltjes- en nanosfeerblootstellingsgroepen. b Relatieve expressieniveaus van IL-6 en IL-8. c Inhoud van TNF-a. d MDA-niveau. e Statistische grafiek van het T-AOC-gehalte voor de controle- en blootstellingsgroepen (nanodeeltjes en nanosferen). (*P <0,05 voor de blootstellingsgroepen versus controlegroep ± sem)

Cytotoxiciteitsbeoordeling

De cytotoxiciteitsstudies voor verschillende concentraties van PEG-gecoate kobaltferriet nanosferen en nanodeeltjes werden uitgevoerd en de resultaten zijn weergegeven in Fig. 8. Het overlevingspercentage van L-132-cellen wordt getoond in Fig. 8(a), terwijl Fig. 8 (b) vertegenwoordigt het overlevingspercentage van THP-1-cellen. Het blijkt dat voor concentraties boven 100 μg/ml er significante veranderingen zijn in de levensvatbaarheid van de cellen die voor beide cellen worden waargenomen, en het is te zien dat de resultaten meer uitgesproken zijn in het geval van PEG-nanosferen. Dit bevestigt dat kobaltferriet nanobolletjes meer schade aanrichten in vergelijking met de nanodeeltjes. Bovendien neemt de levensvatbaarheid van de cellen af ​​met toenemende concentratie van zowel nanodeeltjes als nanosferen, wat erop wijst dat met PEG gecoat kobaltferriet in beide vormen meer toxiciteit produceert bij muizen met toenemende concentratie. Vanwege de twee verschillende cellulaire doelen (L-132 en THP-1), kan men verwachten dat de cellulaire respons niet identiek is, afhankelijk van het celdoodmechanisme [63]. Een mogelijke reden om de cellulaire doelspecificiteiten te verklaren, zelfs voor deeltjes van vergelijkbare grootte, kan worden toegeschreven aan de functie van fagocytose, die monocyten (THP-1-cellen) kenmerkt, maar niet de longepitheelcellen [64]. Het is algemeen bekend dat een enkele nanosfeer is samengesteld uit een groot aantal kleine nanodeeltjes. Het heeft dus een groot oppervlak in vergelijking met de nanodeeltjes en daarom heeft het meer reactiviteit en meer kans op interactie met biologische systemen (weefsels) in vergelijking met de nanodeeltjes. Bovendien kunnen ze vanwege de grotere omvang van nanosferen niet gemakkelijk via de bloed- of urinecirculatie worden uitgescheiden zodra ze het orgaan binnenkomen. Daarom blijven ze relatief langer in het lichaam (organen) in vergelijking met de nanodeeltjes, die op hun beurt de weefsels nadelig beïnvloeden. Bovendien veroorzaken de nanosferen een verminderde functie van macrofagen, verminderde fagocytose van de nanosferen zelf en verminderde mobiliteit van macrofagen en cytoskeletdisfunctie.

Cytotoxiciteit van met PEG gecoate kobaltferriet-nanodeeltjes en nanosferen in L-132-cellen (a ) en THP-1-cellen (b ). *P <0,01 en **P <0,05 voor de twee cellen vergeleken met onbehandelde controles. De gegevens vertegenwoordigen het gemiddelde ± SD van twee onafhankelijke experimenten die in drievoud zijn uitgevoerd

Effect van curcumine op toxiciteit

Biochemische indexen in bloedserum werden bestudeerd voor de blootstellingsgroep met nanobolletjes en de met curcumine behandelde groep en de resultaten werden vergeleken met muizen uit de controlegroep, die worden getoond in Fig. 9. Het bleek dat al deze indices in de muizen van de behandelingsgroep significante verbeteringen vertoonden na the administration of curcumin when compared their values with nanosphere exposure and control group mice. In the figure, it is seen that the expression levels of ALT, AST, BUN, CREA, CYS-C, and TB were approached towards the normal values after the administration of curcumin. This can be attributed to the fact that curcumin has strong antioxidant characteristics which reduces the oxidative stress produced as a result of the toxicity induced by cobalt ferrite [47]. It has also been reported that TNF-α and IL-1 play important role in the induction of hepatic necrosis and curcumin reduces the effect of toxicity by inhibiting the secretion of TNF-α and IL-1 by macrophages [48], similar to the work reported earlier in Ref. [65].

Biochemical indexes in blood serum of the control, nanosphere exposure, and treatment group mice (*P <0.05 compared with untreated controls)