Vergelijkende toxiciteit van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren

Samenvatting

We presenteren een vergelijkende studie van de toxiciteit van polyethyleenglycol (PEG)-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren. Nanodeeltjes werden bereid via hydrothermale methode terwijl nanospheren werden bereid via solvothermale techniek. Het oppervlak van nanomaterialen werd met succes gemodificeerd met polyethyleenglycol. Om de morfologie van de bereide monsters te onderzoeken, werden röntgendiffractie (XRD), Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, Raman-spectroscopie, thermogravimetrische analyse (TGA) en elektronenmicroscopie-technieken gebruikt. Structurele analyses bevestigden de vorming van polykristallijne kobaltferriet nanodeeltjes met diameters in het bereik 20-25 nm en nanospheren in het bereik 80-100 nm, respectievelijk. Kunming SPF muizen (vrouwelijk, 6-8 weken oud) werden gebruikt om de toxiciteit te onderzoeken geïnduceerd door kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren in verschillende organen van de muizen. Biodistributiestudies, biochemische indices, histopathologische beoordelingen, inflammatoire factoren, oxidatie- en antioxidatieniveaus, en cytotoxiciteitstesten werden uitgevoerd om de toxiciteit te beoordelen geïnduceerd door kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren in muizen. Kobaltferriet nanospheren bleken meer toxisch te zijn dan de nanodeeltjes en curcumine bleek een goed genezend middel te zijn voor de toxiciteit geïnduceerd door PEG-gecoate kobaltferriet nanomaterialen in muizen.

Inleiding

In de afgelopen jaren hebben magnetische nanomaterialen enorme interesse gekregen zowel in fundamenteel onderzoek als in technologische toepassingen. Deze toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, medicijnafgiftemiddelen [1, 2, 3], magnetische resonantie imaging (MRI) [4, 5, 6], hyperthermie [7, 8, 9], biosensoren [10], celscheiding [11], eiwitscheiding [11, 12], genemagnetofectie [13, 14, 15] en milieuverontreiniging en sanering [16, 17]. Kobaltferriet, als hard magnetisch materiaal, wordt gebruikt als contrastmiddel voor MRI, gerichte medicijnafgifte en verwarmingsmediator in hyperthermie [18, 19, 20, 21, 22, 23]. Hoewel kobaltferriet gebruikt wordt in biomedische toepassingen, heeft het toch bepaalde beperkingen zoals de hoge toxiciteit door het opmerkelijke hoeveelheid kobalt dat in de oplossing vrijkomt, aggregatie in oplossing, en slechte toegankelijkheid van het oppervlak wanneer surfactantia worden gebruikt. Daarom werd dit probleem opgelost door het gebruik van oppervlaktemodificatie met bepaalde biocompatibele, niet-toxische, water-stabiele en disperserende materialen [24, 25, 26, 27, 28]. Bovendien is de fabricage van kobaltferriet eenvoudig en kosteneffectief met op maat gemaakte samenstellingen, vormen en groottes voor elke specifieke toepassing. Er zijn diverse technieken aangenomen voor de synthese van nanogrote kobaltferriet, waaronder mechanochemisch [29], sonochemisch [30], co-precipitatie [31, 32], micro-emulsie [33] en anderen [34, 35, 36, 37, 38]. Op dezelfde manier werd een andere techniek, een enkelstap eco-vriendelijke methode, aangenomen voor de fabricage van op maat gemaakte fluorescerende koper nanoclusters met curcumine als sjabloon [39]. Een groot nadeel van de meeste van deze technieken is de lage kristallijnheid van het bereide materiaal, wat op zijn beurt leidt tot significante verslechtering van de magnetische eigenschappen. In dit opzicht zijn hydrothermale [40] en solvothermale [41] technieken de meest effectieve en efficiënte technieken om kobaltferriet te synthetiseren gecontroleerde morphologieën en kristallijnheden.

In de literatuur zijn diverse nanomaterialen zoals zilver nanodeeltjes (Ag NPs) gerapporteerd om te worden gebruikt voor antimicrobiële behandeling en geassocieerde infectieuze ziekten evenals ze worden gebruikt als nanovoertuigen voor medicijnafgifte en behandeling van verschillende ziekten [42]. In een ander overzichtsartikel zijn ferraten gerapporteerd om te worden gebruikt voor eliminatie van diverse chemische en biologische soorten uit afvalwater [43]. In biomedische toepassing van kobaltferriet nanomaterialen, is het hoofdkwestie de accumulatie van kobaltferriet in organen, wat resulteert in toxiciteit in het lichaam die dringende verwijdering van de verzamelde nanomaterialen uit de organen vereist en genezing van de schade geïnduceerd door kobaltferriet. Verschillende onderzoekers hebben anti-inflammatoire geneesmiddelen bestudeerd en vonden dat deze geneesmiddelen de toxiciteit geïnduceerd door nanomaterialen kunnen verminderen [44, 45]. Curcumine met antioxidatieve, antimutagene, antitumorele en carcinogene eigenschappen kan worden gebruikt als het genezende middel voor de toxiciteit geïnduceerd door kobaltferriet nanomaterialen [46, 47, 48]. Het heeft de capaciteit om te worden gebruikt als TNF-blokker in vitro en in vivo door direct binding aan TNF [49].

Het doel van dit werk was om polyethyleenglycol (PEG)-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren in de labo's te fabriceren met gecontroleerde morphologieën. Verschillende doses nanomaterialen werden intraveneus geïnjecteerd in de muizen en bloedanalyse, biodistributie, HE-kleuring en cellevensvatbaarheid studies werden uitgevoerd om de toxiciteit van deze nanomaterialen te beoordelen. Vergelijking van de toxiciteit van kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren werd gemaakt en curcumine werd gebruikt als het genezende middel voor de toxiciteit geïnduceerd door kobaltferriet nanospheren in muizen. Er werd getoond dat kobaltferriet nanospheren meer toxisch zijn dan de nanodeeltjes vanwege hun vergrote oppervlaktes, wat ze meer toxisch en reactiever maakt dan de nanodeeltjes. Voor zover we weten, is dit de eerste gedetailleerde studie van dit type die eerder niet is uitgevoerd.

Materialen en Methodes

Bereiding van Nanomaterialen

Voor de bereiding van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes, hebben we hydrothermale techniek aangenomen [40, 47]. Voor dit doel, werden oplossingen van kobaltchloride (0,2 M) en ferriumnitraat (0,4 M) apart bereid in 25 mL gedemineraliseerd (DI) water elk en vervolgens werden deze oplossingen gemengd met 25 mL waterige oplossingen van polyethyleenglycol (2,5 mM) en natriumhydroxide (3 M), respectievelijk. Het mengsel werd dan 20 min geroerd en in de roestvrij staal (RV) autoklaaf gegoten, die werd verhit tot 180 °C gedurende 6 uur. Toen het proces voltooid was, werd het mengsel afgekoeld tot kamertemperatuur en vervolgens werd de oplossing 2-3 keer gewassen met DI water en ethanol om eventuele ongewone onzuiverheden uit het mengsel te verwijderen. Het mengsel werd gedroogd bij ongeveer 80 °C overnacht in de oven en daarna vermalen tot fijn poeder om de gewenste kobaltferriet nanodeeltjes te verkrijgen.

Voor de bereiding van PEG-gecoate kobaltferriet nanospheren, werd solvothermale techniek gebruikt. Voor dit doel, werd kobaltchloride hexahydraat opgelost in 40 mL ethyleenglycol (2,5 mM) wat gevolgd werd door de toevoeging van 1,35 g ijzerchloride hexahydraat en 1 g polyethyleenglycol (PEG). Het mengsel werd dan ongeveer 30 min geroerd en vervolgens verzegeld in Teflon-gevoerde RV autoklaaf. De autoklaaf werd dan verhit tot 200 °C gedurende 8 uur en na afloop van de reactie, werd het vervolgens afgekoeld tot kamertemperatuur. Het mengsel werd gewassen met gedemineraliseerd water en ethanol en vervolgens gedroogd bij 80 °C overnacht in de oven. Ten slotte werd het mengsel vermalen tot fijn poeder om PEG-gecoate kobaltferriet nanospheren met diameters in het bereik 80-100 nm te verkrijgen. Morfologie van de bereide nanomaterialen werd onderzocht door röntgendiffractie (XRD) volgens de methode gebruikt in Ref. [50], scanning en transmissie elektronenmicroscopie (SEM en TEM) zoals gebruikt in Ref. [50, 51], kamertemperatuur Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie voor bepaling van functionele groepen in kobaltferriet vergelijkbaar met Ref. [51], Raman-spectroscopie en thermogravimetrische (TGA) analyse zoals gebruikt in Ref. [52].

Radioactieve Labeling van Nanomaterialen

De radiolabeling van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren werd uitgevoerd met ^99mTc met behulp van stannochloride als het reducerende middel [53, 54, 55]. Voor dit doel, werd vers ^99mTcO₄ generator eluaat (50 μL met activiteit van ~ 4 mCi) bereid door het toe te voegen aan 30 μL SnCl₂ suspensie (1 mg/mL in 0,5 N HCl). Met behulp van NaHCO₃ oplossing (1 M), werd de pH van de suspensie aangepast in het bereik 8-10. Oplossingen van nanodeeltjes en nanospheren (40 μL elk) met ~ 0,4% gewicht in kobaltferriet werden gemengd met suspensies van stannochloride (50 μg), ascorbijnzuur (10 mg/mL) en ^99mTcO₄. Het mengsel werd dan geroerd met 10.000 toeren/min gedurende 25 min bij 80 °C. Voor nauwkeurige metingen, werden de radioactieve tellingen geregistreerd binnen 24 uur vanwege de korte levensduur van ^99mTc (~ 6 uur). Het supernatans werd vervolgens afgegoten na de centrifugatie en het overgebleven materiaal werd geïdentificeerd als ^99mTc-PEG-kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren. Papieren chromatogram werd gebruikt om de radioactieve opbrengsten van de gelabelde verbindingen te meten, die meer dan 65% waren wat de echte biodistributie van nanomaterialen in de muizen in vivo weerspiegelde.

Biodistributie van Nanomaterialen

Zoals aangegeven in Fig. 1, werden Kunming SPF muizen (vrouwelijk, 6-8 weken oud, gewicht 18-20 g) verkregen van het Laboratoriumcentrum voor Medische Wetenschappen, Lanzhou Universiteit, China. Alle muizen werden in kooien gehouden onder het temperatuurgecontroleerde systeem gehandhaafd bij 21-22 °C en lichten waren ingeschakeld van 08:00 tot 20:00 uur. Vrije toegang tot voedsel en kraanwater werd gegeven aan de muizen en ze werden behandeld volgens de protocollen van de Laboratoriumdierenzorg geformuleerd door de Nationale Maatschappij voor Medisch Onderzoek en de richtlijnen van de Amerikaanse Nationale Instituten voor Gezondheid. De muizen werden willekeurig verdeeld in verschillende groepen met elke groep 5 muizen bevattend en vervolgens intraveneus geïnjecteerd met ^99mTc-PEG-kobaltferriet oplossingen van nanodeeltjes en nanospheren en gedood na 1 uur, 6 uur, 16 uur en 24 uur, respectievelijk. Weefsels van het hart, long, lever, milt en nier werden onmiddellijk gedissecteerd, in folie gewikkeld, gewogen en vervolgens de radioactiviteit van ^99mTc in elk weefsel gemeten met een gammatellerdetector. De biodistributie van nanomaterialen in verschillende organen van muizen werd gepresenteerd in procent geïnjecteerde dosis per gram van het natte weefsel (d.w.z. % ID/g).

Hematoxyline en Eosine Kleuring

Voor hematoxyline en eosine (HE) kleuring, werd het paraffinewas in xyleen gesneden voor deparaffineren en het proces werd tweemaal herhaald voor ongeveer 10 min elk. Hydratatie van het monster werd uitgevoerd door de objectglazen door verschillende ethanoloplossingen te halen met concentraties van 100% ethanol, 95% ethanol en 70% ethanol elk voor 2 min. De objectglazen werden gespoeld in lopende kraanwater bij kamertemperatuur voor ongeveer 2 min en toen het proces voltooid was, werden de kernen gekleurd in hematoxylinekleurstofoplossing bij 60 °C gedurende 10 s en vervolgens bij kamertemperatuur voor 1 min en de objectglazen werden vervolgens geplaatst onder het lopende kraanwater bij kamertemperatuur voor ongeveer 5 min. De monsters werden gekleurd in werkende eosine Y oplossing voor 2 min en vervolgens gedroogd door eerst te duiken in 95% ethanol en vervolgens in 100% ethanol elk voor 2 min. Het cytoplasma werd 7 s gekleurd door te dompelen in eosine-kleurstofoplossing voor 15 s. Na verwijdering werd het cytoplasma gewassen en gedroogd met absolute ethanol twee keer voor 1 min elk. Het weefsel werd vervolgens transparant gemaakt met xyleen voor 15 s en het cytoplasma werd onderzocht en gefotografeerd met neutrale gomversegeling. Microscopisch onderzoek van de weefsels werd uitgevoerd met Olympus Microphot-CX41 microscoop gekoppeld met digitale camera.

Biochemische Indices en Inflammatoire Factoren

Tweehonderdvijftig microgram PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren werd intraveneus geïnjecteerd in de muizen van de blootstellingsgroep terwijl de controle groep behandeld werd met normaal zoutgehalte van 0,9% en alle muizen werden vervolgens gedood na 24 uur. Bloed werd verzameld van de muizen en gecentrifugeerd voor ongeveer 10 min om het bloedserum te verkrijgen. De serumgehalten van TB, ALT, AST, BUN, CREA en Cys-C werden gemeten door het enzyme-gekoppelde immunosorbent assay (ELISA) en western blot. Enzymen gekoppeld aan de lever, IL-6, IL-8 en TNF-α, spelen een sleutelrol in de inflammatoire reactie geïnduceerd door necrose. Meestal treden hoge niveaus van deze expressies op wanneer een orgaan reageert op de inflammatie.

MTT Cellevensvatbaarheidsassay

De cytotoxische potentie van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren werd bepaald door MTT, een colorimetrische assay voor het evalueren van de celmetabolische activiteiten. Humane epitheelcellen L-132 en humane monocyten THP-1 aangeschaft bij Shanghai, China, werden blootgesteld aan verschillende concentraties van nanodeeltjes in het bereik 30-125 μg/mL en nanospheren in het bereik 50-250 μg/mL en de optische dichtheid werd gemeten bij 590 nm voor verschillende assays met behulp van microplaat-spectrofotometersysteem (UNICO WFZ UV-2000, Shanghai, China). L-132 cellen werden geselecteerd omdat inademing een belangrijke route is voor blootstelling aan nanomaterialen en THP-1 cellen werden gebruikt vanwege hun rol in het opschonen van vreemde materialen. In elke assay werden de onbehandelde cellen beoordeeld als de negatieve controle. De inhibitie van enzymactiviteit werd waargenomen in de cellen, wat vergeleken werd met onbehandelde (negatieve controle) cellen en de waarden werden afgeleid in de vorm van verhouding van de negatieve controle en geplottet tegen de concentratie van nanodeeltjes en nanospheren.

Statistische Analyse

Elk datapunt werd gerapporteerd als de gemiddelde waarde (±sem) van de experimenten uitgevoerd in drievoud. Significantie van verschillen werd geëvalueerd met behulp van variantieanalyse en statistische grafieken werden getekend met de hulp van Origin en Microsoft Excel software.

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 de gecoate en ongestrekte kobaltferriet op nanoschaal, wat bevestigt dat kobaltferriet succesvol werd geproduceerd. De posities en relatieve intensiteiten van alle waargenomen pieken in XRD-gegevens bevestigen de kristallijne aard van kobaltferriet. Geen extra pieken werden waargenomen, wat de zuiverheid van het bereide kobaltferriet aangeeft. De gemiddelde kristalgrootte van kobaltferriet werd bepaald door gebruik te maken van de Scherrer-vergelijking [56], die ~ 24 nm werd gevonden. Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie werd uitgevoerd om de kationverdeling (van nikkel, kobalt en ijzer) in kobaltferriet te onderzoeken. Figuur 2b geeft de FTIR-gegevens verzameld bij kamertemperatuur. Theoretisch heeft kobaltferriet twee sterke absorptiebanden (ʋ₁ en ʋ₂) samen met een paar anderen die verschijnen in het bereik 400-600 cm⁻¹. Al deze pieken zijn duidelijk aangegeven in onze gegevens getoond in Fig. 2b. In FTIR-gegevens correspondeert ʋ₁ met de intrinsieke rektrillingen van het metaal op tetraëdrische plaatsen, terwijl ʋ₂ correspondeert met de rektrillingen van de metaalionen op octaëdrische plaatsen [57, 58, 59]. De piek die verschijnt in FTIR bij 3421 cm⁻¹ correspondeert met polyethyleenglycol (PEG) wat de succesvolle binding 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 kunnen worden gezien. De piek die verschijnt onder 700 cm⁻¹ is de hoofdkarakteristieke piek (A_1g modus) van kobaltferriet die correspondeert met de rekking van zuurstofionten 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 verzameld in het temperatuurbereik 50-380 °C wat aangeeft dat kobaltferriet zijn gewicht verliest bij verschillende temperaturen. Het is ook duidelijk in TGA-analyse dat de thermische stabiliteit van PEG relatief laag is terwijl die van PEG-kobaltferriet hoog is.

Elektronenmicroscopie-analyses van de monsters worden getoond in Fig. 3. Figuur 3(a) en (b) geven de SEM-beelden van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren, respectievelijk, terwijl Fig. 3(c) en (d) de TEM-analyses van nanospheren en nanodeeltjes, respectievelijk, aangeven. Deze resultaten tonen aan dat de gemiddelde grootte van nanodeeltjes rond 25 nm is en die van nanosfeer 80-100 nm. Uit TEM-beelden van nanospheren is het duidelijk dat nanospheren samengesteld zijn uit een groot aantal kleinere nanodeeltjes met grote oppervlaktes, waardoor ze mesoporeus zijn wat zeer wenselijk is voor medische toepassingen van nanomaterialen als medicijn-dragende voertuigen. Al deze structurele analyses bevestigen de succesvolle vorming van pure-fase PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren.

Biodistributie Studies

Kwantitatief wordt de biodistributie van PE-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren in bloed, hart, lever, milt, long en nier na verschillende tijdsintervallen (1, 6, 16 en 24 uur) getoond in Fig. 4. De aanwezigheid van kobaltferriet in bloed en andere organen werd beoordeeld binnen 24 uur na de intraveneuze injectie van ^99mTc-PEG-kobaltferriet oplossing (nanodeeltjes en nanospheren). In het geval van nanospheren getoond in Fig. 4(a), werd de bloedretentie van kobaltferriet gevonden op 6,5 ± 0,33% ID/g na 1 uur van de blootstelling en nam dan geleidelijk af over de volgende tijdsintervallen (d.w.z. 6, 16 en 24 uur). Het werd gezien dat nanospheren voornamelijk verdeeld waren in het hart, lever, milt, long en nier; echter, de meeste van hen werden primair geaccumuleerd in de milt. Bovendien werd de biodistributie van nanospheren in verschillende organen als het hoogst gevonden na het eerste uur en nam dan 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 van de blootstelling, wat een relatief snelle clearance van radioactief materiaal uit het bloedbad van het lichaam aangeeft en nam dan af met verloop van tijd zoals getoond in Fig. 4(b). De nanodeeltjes werden verdeeld in het hart, lever, milt, long en nier met maximale concentraties in de milt en lever. Het is duidelijk uit de figuur dat de biodistributie van nanodeeltjes in bloed en andere organen het hoogst was na het eerste uur en vervolgens geleidelijk afnam na 6 uur en uiteindelijk de laagste waarden bereikte na 24 uur. Als we de biodistributieresultaten van nanospheren en nanodeeltjes vergelijken, wordt gezien dat de accumulatie/aanwezigheid van PEG-gecoate kobaltferriet nanospheren in bloed en andere organen van de muizen meer was in vergelijking met de nanodeeltjes. Dit kan geassocieerd zijn met het grote oppervlak en hoge porositeit van nanospheren in vergelijking met de nanodeeltjes, wat een van de kritieke factoren is om de reactiviteit van nanomaterialen interacties met biologische systemen te bepalen. In het geval van nanodeeltjes, hun niet-mesoporeuze aard met lage specifieke oppervlakte maakte ze minder reactief dan de nanospheren onder dezelfde omstandigheden. Deze kenmerken kunnen de verlengde weerstand van PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes in bloed en andere organen van muizen hebben verminderd. Daarnaast veroorzaken de nanospheren complexe vorming met biomoleculen en resulteren in verhoogd niveau van radicalaire soorten, wat het niveau van oxidatieve stress verhoogt, het cellulair DNA schadigt en resulteert in oxidatieve stress door lipidperoxidatie.

Biochemische Indices

Om het toxiciteitseffect van PEG-kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren in muizen te bestuderen, werden biochemische indices gemeten en de resultaten gepresenteerd 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 data-uitwinning met *P < 0,05 dat significante veranderingen tijdens de metingen vertegenwoordigt. In zowel nanospheren als nanodeeltjes is te zien dat alle biochemische indices significante veranderingen vertonen wanneer vergeleken met controle groepsmuizen (*P < 0,05). In het geval van kobaltferriet nanosfeer blootstellingsgroep, tonen de niveaus van ALT, AST en BUN significante verschillen (*P < 0,05) in vergelijking met controle groepsmuizen, terwijl in het geval van nanodeeltjes blootstellingsgroep, alleen Cys-C significaat verschil vertoont in vergelijking met controle groepsmuizen (*P < 0,05). Het is te zien dat TB en Cys-C die hoofdzakelijk verantwoordelijk zijn voor de biomarker van nierfunctie significant afnamen in het geval van nanospheren. Dit suggereert dat de nier meer beïnvloed wordt door de blootstelling van PEG-kobaltferriet nanospheren in vergelijking met nanodeeltjes. AST, als de biomarker voor de lever, werd meer beïnvloed door de blootstelling van zowel nanodeeltjes als nanospheren. Dit suggereert dat de blootstelling van kobaltferriet de leverfunctie nadelig kan beïnvloeden. Van al deze resultaten is het duidelijk dat PEG-kobaltferriet nanospheren meer schade aanrichten in muizen in vivo in vergelijking met kobaltferriet nanodeeltjes.

Histopathologische Studie

We hebben histopathologie-analyse van de controle, nanodeeltje, nanosfeer en behandelingsgroep muizen gepresenteerd zoals getoond in Fig. 6. Als we de resultaten van nanospheren en nanodeeltjes blootstellingsgroepen vergelijken met controle groepsmuizen, is te zien dat PEG-kobaltferriet nanospheren meer schade produceren in verschillende organen (lever, milt, nier en long) van muizen in vergelijking met de nanodeeltjes blootstellingsgroep. In de nier trad glomerulaire congestie op samen met milde oedeem en interstitiële inflammatoire cellen worden gezien in het geval van nanospheren inname wanneer vergeleken met nanodeeltjes blootstelling en controle groepsmuizen. Het is ook te zien dat nanodeeltjes minder inflammatie tonen dan de nanospheren. In het geval van nanodeeltjes blootstelling, werd gevonden dat longen relatief minder beïnvloed zijn terwijl in het geval van nanospheren, de alveolaire wand verdikt was en milde fibrose gezien werd. Daarnaast, voor de nanosfeer blootstellingsgroep, tonen de hepatocyten zwelling en oedeem opgetreden, terwijl relatief minder inflammatie gevonden werd in het geval van nanodeeltjes blootstellingsgroep muizen.

Inflammatoire Factoren en Oxidatie/Antioxidatie Niveau

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, nanodeeltje en nanosfeer blootstellingsgroepen. Het relatieve eiwitniveau van IL-6 en IL-8 voor de controle, nanodeeltje en nanosfeer blootstellingsgroepen wordt getoond in Fig. 7b, terwijl de gehaltes van TNF-α, MDA en T-AOC worden getoond in Fig. 7c-e met *P < 0,05 voor de blootstellingsgroep versus controle groep ± sem. De resultaten onthulden dat de niveaus van IL-6, IL-8, TNF-α en MDA voor kobaltferriet nanosfeer blootstellingsgroep muizen hoger zijn dan die van de nanodeeltjesgroep en beide deze niveaus hoger zijn dan de controle groepsmuizen. In het geval van T-AOC, was het niveau van nanospheren lager dan die van nanodeeltjes blootstelling en controle groepsmuizen. Al deze resultaten geven aan dat nanodeeltjes en nanospheren inflammatie veroorzaken in muizen, met name in de lever. Echter, nanospheren beïnvloeden de organen meer dan de nanodeeltjes. Het is goed begrepen dat nanomaterialen in het lichaam zuurstofvrije radicalen (ROS) genereren, die een reeks kwalitatieve reducties van de antioxidanten veroorzaken, wat resulteert in oxidatieve schade 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 blootgesteld aan nanodeeltjes vergeleken werden met die blootgesteld aan nanospheren, werd gevonden dat kobaltferriet nanospheren meer inflammatie veroorzaakten in vergelijking met de nanodeeltjes blootstellingsgroep muizen.

Cytotoxiciteitsbeoordeling

De cytotoxiciteitsstudies voor verschillende concentraties van PEG-gecoate kobaltferriet nanospheren en nanodeeltjes werden uitgevoerd en de resultaten gepresenteerd in Fig. 8. Het percentage overleving van L-132 cellen wordt getoond in Fig. 8(a), terwijl Fig. 8(b) het percentage overleving van THP-1 cellen vertegenwoordigt. Het is te zien dat voor concentraties boven 100 μg/mL, er significante veranderingen in de cel levensvatbaarheid waargenomen worden voor beide cellen, en het is te zien dat de resultaten meer uitgesproken zijn in het geval van PEG nanospheren. Dit bevestigt dat kobaltferriet nanospheren meer schade produceren in vergelijking met de nanodeeltjes. Bovendien daalt de cellevensvatbaarheid met toenemende concentratie van zowel nanodeeltjes als nanospheren, wat aangeeft dat PEG-gecoate kobaltferriet in beide vormen meer toxiciteit produceren in muizen met toenemende concentratie. Vanwege de twee verschillende cellulaire doelen (L-132 en THP-1), kan men de cellulaire reactie niet identiek verwachten, afhankelijk van het celdoodmechanisme [63]. Mogelijke reden om de cellulaire doelwitspecificiteit zelfs voor vergelijkbare groottes van de deeltjes te verklaren kan worden toegeschreven aan de functie van fagocytose, die monocyten (THP-1 cellen) kenmerkt, maar niet de long epitheelcellen [64]. Het is goed begrepen dat een enkele nanosfeer samengesteld is uit een groot aantal kleine nanodeeltjes. Dus bezit het een groot oppervlak in vergelijking met de nanodeeltjes en heeft daarom meer reactiviteit en meer kansen van interactie met biologische systemen (weefsels) in vergelijking met de nanodeeltjes. Bovendien, door de grotere grootte van nanospheren, kunnen ze niet gemakkelijk uitgescheiden worden via bloed- of urinecirculatie zodra ze in het orgaan binnendringen. Daarom blijven ze in het lichaam (organen) voor relatief langere tijd in vergelijking met de nanodeeltjes, wat op zijn beurt de weefsels nadelig beïnvloedt. Bovendien veroorzaken de nanospheren verminderde functie van macrofagen, verminderde fagocytose van de nanospheren zelf en verminderde macrofaagmobiliteit en cytoskeletale dysfunctie.

Curcumine Effect op Toxiciteit

Biochemische indices in bloedserum werden bestudeerd voor nanosfeer blootstellingsgroep en curcumine-behandelde groep en de resultaten werden vergeleken met controle groepsmuizen, die getoond worden in Fig. 9. Het werd gevonden dat al deze indices in de behandelingsgroep muizen significante verbeteringen toonden na de toediening van curcumine wanneer hun waarden vergeleken werden met nanosfeer blootstelling en controle groepsmuizen. In de figuur is te zien dat de expressieniveaus van ALT, AST, BUN, CREA, CYS-C en TB benaderden de normale waarden na de toediening van curcumine. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat curcumine sterke antioxidatieve eigenschappen bezit die de oxidatieve stress verminderen geproduceerd als gevolg van de toxiciteit geïnduceerd door kobaltferriet [47]. Het is ook gerapporteerd dat TNF-α en IL-1 een belangrijke rol spelen in de inductie van levernecrose en curcumine vermindert het effect van toxiciteit door het remmen van de secretie van TNF-α en IL-1 door macrofagen [48], vergelijkbaar met het werk eerder gerapporteerd in Ref. [65].

Conclusie

In dit werk hebben we met succes PEG-gecoate kobaltferriet nanodeeltjes en nanospheren geproduceerd via hydrothermale en solvothermale methoden, respectievelijk. Uit structurele analyses werd gevonden dat de bereide nanomaterialen hoog zuiver, kristallijn en biocompatibel van aard zijn als gevolg van de succesvolle hechting van PEG. Het werd gevonden dat zowel nanospheren als nanodeeltjes van kobaltferriet toxisch zijn voor biologische systemen. Verder werd getoond dat nanospheren van kobaltferriet meer toxisch zijn dan de nanodeeltjes vanwege hun grote oppervlakte en meer reactiviteit met biologische weefsels. Positieve veranderingen werden gemonitord in biochemische indices na de toediening van curcumine wat een natuurlijke chemische stof is die geen bijwerkingen bezit, wat bevestigt dat het gebruikt kan worden als het genezende middel voor de toxiciteit geïnduceerd door kobaltferriet nanospheren.

Wijzigingsgeschiedenis

Afkortingen

PEG:

Polyethyleenglycol

XRD:

Röntgendiffractie

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood spectroscopie

TGA:

Thermogravimetrische analyse

SPF:

Specifieke pathogenen vrij

MRI:

Magnetische resonantie imaging

TNF:

Tumor necrose factor

HE:

Hematoxyline-eosine

SS:

Roestvrij staal

DI:

Gedemineraliseerd

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie

TB:

Totale bilirubine

ALT:

Alanine aminotransferase

AST:

Aspartaat transferase

BUN:

Bloed ureum stikstof

CREA:

Creatinine

Cys-C:

Cystatine C

DNA:

Desoxyribonucleïnezuur

MDA:

Malondialdehyde assay

ROS:

Zuurstofvrije radicalen

T-AOC:

Totale antioxidatieve capaciteit