Lanthanum Strontium Mangaaniet Nanodeeltjes: Luchtweg Epitheele Cel Toxiciteit en Mucussecretie Impact

Samenvatting

Onderzoek naar nanodeeltjestoxiciteit heeft zich geïntensificeerd naarmate deze materialen alomtegenwoordig worden in alledaagse producten. Bepaalde nanodeeltjes kunnen mucussecretie stimuleren, potentieel de luchtwegintegriteit schadigend. Lanthanum strontium mangaaniet (LSM) is een perovskiet nanodeeltje uitgebreid gebruikt in vaste-oxide brandstofcellen (SOFCs) vanwege de hoge elektrische geleidbaarheid, robuuste electrochemische activiteit voor de O₂ reductiereactie, thermische stabiliteit, en lange-termijn prestaties. Echter, er bestaan beperkte gegevens over LSM's biologische effecten. In deze studie werden primaire trachée epitheele cellen blootgesteld aan LSM concentraties tot 500 µg mL⁻¹. Resultaten toonden slechts matige effecten op cellevensvatbaarheid, reactieve zuurstofsoorten (ROS) productie, cytochroom C vrijgave, en caspase-3 expressie. Hoewel apoptose markers grotendeels onveranderd bleven, remde LSM mucussecretie significant in een dosis-afhankelijke manier. Dus, hoewel LSM lage cytotoxiciteit vertoont richting luchtwegcellen, kan de capaciteit om mucusproductie te verminderen de luchtwegklaring compromitteren.

Inleiding

Lanthanum strontium mangaaniet (LSM) bezit een perovskiet kristalstructuur met de algemene formule La₁₋ₓSrₓMnO₃, waar x de strontium dopingsniveau weerspiegelt. Dit materiaal kan verwerkt worden als poeder voor bandcasting, lucht/thermische/plasma spuit, en brandstofcel-toepassingen. LSM's hoge oppervlakte en electrochemische prestaties maken het een leidende elektrode kandidaat voor SOFCs, wat centraal is in de opkomende waterstofeconomie. Ondanks uitgebreide studies op LSM's mechanische en elektrische eigenschappen, blijven de biologische interacties onderzocht. Veel nanodeeltjes zijn bekend om mucussecretie te verhogen en bij te dragen aan respiratoire stoornissen. Opkomende bewijzen suggereren dat LSM ook kan dienen als dragermiddel of imaging contrastmiddel, maar de potentiële toxiciteit moet worden opgehelderd vóór enige biomedische implementatie. Dit onderzoek evalueert LSM's cytotoxisch profiel in primaire trachée epitheele cellen, met evaluatie van ROS generatie, mitochondriale integriteit, apoptose, en mucussecretie.

Resultaten en Discussie

Nanodeeltje Karakterisatie en Cellevensvatbaarheid

Oppervlaktemorfologie werd onderzocht door scanning elektronenmicroscopie (SEM). LSM nanodeeltjes vertoonden een grove oppervlakte en aggregeerden in clusters variërend van ~35 nm tot >200 nm (Fig. 1). Cellevensvatbaarheid werd gemeten met de CCK-8 assay. Levensvatbaarheid daalde scherp tussen 50 en 100 µg mL⁻¹, maar stabiliseerde daarna, en bleef stabiel bij hogere concentraties (Fig. 2).

ROS Productie en Mucine Vrijgave

ROS niveaus werden gekwantificeerd met CM-H₂DCFDA fluorescentie. Toename van LSM concentratie verhoogde ROS niet significant; het 250 µg mL⁻¹ punt toonde de grootste afwijking, maar bleef statistisch onbetekenisvol (Fig. 3). Mucine secretie, gemeten door enzyme-gekoppelde lectine assay (ELLA), daalde progressief met hogere LSM doses, dalend tot ~40% van controle bij 500 µg mL⁻¹ (Fig. 4).

Mitochondriale Integriteit en Apoptose

JC-1 kleuring onthulde mitochondriale depolarisatie bij concentraties ≥100 µg mL⁻¹ (Fig. 5). Ondanks dit, toonden cytochroom C vrijgave en caspase-3 activatie slechts bescheiden reducties, wat beperkte apoptose inductie aangeeft (Fig. 6).

Conclusies

Deze eerste beoordeling van LSM toxiciteit in luchtweg epitheele cellen demonstreert verwaarloosbare cytotoxiciteit en apoptose, maar een duidelijke remming van mucussecretie. Terwijl ROS generatie en mitochondriale schade minimaal waren, kan de verminderde mucus vrijgave de luchtwegklaring beeinträchtigen en rechtvaardigt zorgvuldige evaluatie voor toekomstige toepassingen in energie en biomedische velden.

Materialen en Methodes

Kweek van Tracheale Primaire Cellen

Primaire rundertracheale epitheele cellen werden geïsoleerd per gevestigde protocollen, gekweekt in serumvrij medium (SFM) aangevuld met EGF 1-53 en runderenhypofyse extract (BPE), en onderhouden op collageen-gecoate platen bij 37 °C, 5% CO₂. Cel dichtheid werd gemonitord via trypanblauw uitsluiting.

Celvoorbereiding en Levensvatbaarheidsassay

Cellen wurden gezaaid in collageen-gecoate 96-putplaten (5 × 10⁴ cellen/put) voor levensvatbaarheidsassays en in 4-putplaten (5 × 10⁵ cellen/put) voor calcium, ROS, en mitochondriale studies. Na 24u incubatie, werden media vervangen door PBS, daarna door LSM suspensies. Cellevensvatbaarheid werd gekwantificeerd met de CCK-8 assay (WST-8 conversie tot formazan) en uitgedrukt als percentage van onbehandelde controle.

Lanthanum Strontium Mangaaniet Nanodeeltjes

LSM (La₀,₁₅Sr₀,₈₅MnO₃, 35 nm, 99,5%) werd gesonicatieerd en getest bij 500, 250, 100, en 50 µg mL⁻¹. Concentraties werden gekozen om te matchen met typische TiO₂ nanodeeltje blootstellingen gerapporteerd in de literatuur.

Scanning Elektronenmicroscopie

Deeltjes werden druppel-gecast op silicium wafers, aan de lucht gedroogd, en geïmageerd met een Zeiss Gemini SEM om de grootteverdeling te bevestigen.

Reactieve Zuurstofsoorten Assay

ROS productie werd beoordeeld met CM-H₂DCFDA fluorescentie na 15 min LSM blootstelling. Fluorescentie intensiteit werd vergeleken met onbehandelde controles.

Mitochondriale Schade Meting

JC-1 kleurstof werd gebruikt om mitochondriale membraanpotentieel te evalueren; rood/groen fluorescentie verhoudingen werden gemeten door fluorescentiemicroscopie op 10-min intervallen.

Mucine Secretie en ELLA

Na 15 min LSM blootstelling, werden supernantaten verzameld, gecentrifugeerd, en geanalyseerd voor mucine via ELLA met WGA-HRP en TMB substraat. Absorptie werd gelezen bij 450 nm.

Apoptose Marker Assays

Celllysaten werden bereid met RIPA buffer en geprobed voor cytochroom C en actieve caspase-3 met ELISA protocollen. Secundaire HRP-geconjugeerde antilichamen faciliteerden detectie.

Statistische Analyse

Data worden gepresenteerd als gemiddelde ± SD uit ten minste drie onafhankelijke experimenten. Eén-manier ANOVA bepaalde significantie (p < 0,05).

Afkortingen

BPE

Runderenhypofyse extract

ELISA

Enzyme-gekoppelde immunosorbent assay

LSM

Lanthanum strontium mangaaniet

ROS

Reactieve zuurstofsoorten

SFM

Serumvrij medium

SOFCs

Zonne geoxideerde brandstofcellen