استخدام علم المغنطيسية لمراقبة الدمج الخلوي والتحلل الحيوي اللاحق للجسيمات النانوية أكسيد الحديد المركب كيميائيا
Summary
يتم تصنيع الجسيمات النانوية أكسيد الحديد عن طريق إجراء هلام سول غير ية ومغلفة بجزيئات قصيرة أنيونية أو بوليمر. 10- ويُثبت استخدام علم المغنطيسية لرصد دمج الجسيمات النانوية المغنطيسية في الخلايا الجذعية البشرية والكائنات الحية في داخلها باستخدام مقياس مغناطيسي لعينة تهتز.
Abstract
جسيمات نانوية مغناطيسية، مصنوعة من أكسيد الحديد، تمثل مصلحة غريبة لمجموعة واسعة من التطبيقات الطبية الحيوية التي غالبا ما يتم استيعابها في الخلايا ثم تترك داخل. ويتمثل أحد التحديات في تقييم مصيرهم في البيئة داخل الخلايا بمنهجيات موثوقة ودقيقة. هنا، نقدم استخدام مقياس المغنطيسية العينة تهتز (VSM) لتحديد بدقة سلامة الجسيمات النانوية المغناطيسية داخل الخلايا عن طريق قياس لحظتها المغناطيسية. الخلايا الجذعية هي الأولى وصفت مع نوعين من الجسيمات النانوية المغناطيسية; الجسيمات النانوية لديها نفس النواة المنتجة عن طريق الميكروويف سريعة وفعالة القائمة على تخليق هلام سول غير ناظر وتختلف في طلاء: يتم مقارنة جزيء حمض الستريك شائعة الاستخدام إلى حمض polyacrylic. ثم يتم تحقيق تشكيل الخلايا ثلاثية الأبعاد عن طريق الطرد المركزي ويتم قياس اللحظة المغناطيسية لهذه الـ spheroids في أوقات مختلفة مع VSM. لحظة الحصول عليها هي بصمة مباشرة من سلامة الجسيمات النانوية ، مع انخفاض القيم التي تدل على تدهور الجسيمات النانوية. بالنسبة لكل من الجسيمات النانوية ، تقل اللحظة المغناطيسية خلال وقت الثقافة مما يكشف عن تحللها الحيوي. كما يظهر تأثير وقائي من طلاء حمض polyacrylic، بالمقارنة مع حمض الستريك.
Introduction
هناك اهتمام متزايد في الميزات المغناطيسية للجسيمات النانوية أكسيد الحديد لمجموعة واسعة من التطبيقات الطبية الحيوية. استجابتها للرنين المغناطيسي يجعلها عوامل التباين موثوقة للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، ميزة في الطب التجديدي حيث يمكن تتبع الخلايا المسماة بالجسيمات النانوية المغناطيسية في الجسم الحي بعد زرع1. باستخدام المجالات المغناطيسية، يمكن أيضا أن تسترشد الخلايا على مسافة؛ بهذه الطريقة، يمكن هندسة الخلايا spheroids2،3، حلقات4، أو أوراق5 مغناطيسيا وأيضا حفزت عن بعد6، وهو أصل في تطوير الأنسجة سقالة خالية. وتشمل مجموعة من الاحتمالات لهذه الجسيمات النانوية أيضا أنظمة تسليم المخدرات7,8 و المغناطيسية والمستحثة ضوئيا العلاج فرط الحرارة لقتل الخلايا السرطانية9,10,11. لجميع هذه التطبيقات، يتم دمج الجسيمات النانوية في البيئة البيولوجية إما عن طريق الحقن الوريدي أو عن طريق استيعاب مباشر في الخلايا ثم يتم تركها داخل، مما يشكك في مصيرها داخل الخلايا.
في تحليلات فيفو نقل فهم عام للمصير الجسيمات النانوية في الكائن الحي: عند الحقن في مجرى الدم، يتم التقاطها لأول مرة في الغالب من قبل الضامة للكبد (خلايا كوبفر)، الطحال ونخاع العظام، تتحلل تدريجيا، والانضمام إلى بركة الحديد للكائن الحي12،13،14،15،16،17،18،19. الملاحظات النوعية غير ممكنة إلا بسبب دوران الجسيمات النانوية في جميع أنحاء الكائن الحي. عادة، يمكن استخدام المجهر الإلكتروني الإرسال (TEM) لمراقبة الجسيمات النانوية بشكل مباشر ويمكن تحديد وجود الحديد في الأعضاء عن طريق الجرعة. في الآونة الأخيرة ، تم تقييم مصيرهم مباشرة على مجموعة من الخلايا ، وهذا يعني في دائرة قريبة مع عدم وجود هروب الحديد ، والسماح للقياس الكمي من التحولات الحيوية على مستوى الخلية20،21،22. ويمكن إجراء هذه القياسات من خلال تحليل الخصائص المغناطيسية للجسيمات النانوية التي ترتبط ارتباطاً وثيقاً بسلامتها الهيكلية. تذبذب العينة علم المغنطيسي (VSM) هو تقنية حيث تهتز العينة بشكل دوري بحيث لفائف قياس تدفق الناجمة يوفر لحظة المغناطيسي للعينة في المجال المغناطيسي التطبيقية. هذا الكشف المتزامن يسمح للقياس السريع ، وهو أحد الأصول لتحديد اللحظات المغناطيسية لعدد كبير من العينات20،21،22،23. ثم يعطي التوقيع المغناطيسي العياني الذي يسترجعه VSM نظرة عامة كمية عن العينة البيولوجية بأكملها المرتبطة مباشرة بحجم وهيكل الجسيمات النانوية. على وجه الخصوص، فإنه يوفر لحظة المغناطيسي في التشبع (أعرب في الاتحاد الاقتصادي والنقدي) من العينات، وهو تحديد كمي مباشر لعدد الجسيمات النانوية المغناطيسية الموجودة في العينة، على التوالي لخصائصها المغناطيسية المحددة.
وقد تبين أن معالجة داخل الخلايا من الجسيمات النانوية المغناطيسية يرتبط بإحكام إلى ميزاتها الهيكلية20. ويمكن التحكم في هذه الميزات عن طريق بروتوكولات التوليف الأمثل. كل بروتوكول يعرض مزايا وقيود. يتم تصنيع جسيمات أكسيد الحديد النانوية عادة في المحاليل مائي عن طريق coprecipitation من أيونات الحديد24. للتغلب على قيود الجسيمات النانوية تعدد التخصصات، وقد وضعت أساليب التوليف الأخرى مثل بوليول بوساطة سول هلام أساليب25. النهج غير المتخصصة من قبل التحلل الحراري يؤدي إلى إنتاج الجسيمات النانوية أكسيد الحديد جيدا جدا معايرة26. ومع ذلك، فإن استخدام كميات هائلة من المواد السطحية مثل الأوليلامين أو حمض الأوليك يعقد وظيفيتها ونقل المياه للتطبيقات الطبية الحيوية. لهذا السبب، ونحن توليف هذه الجسيمات النانوية المغناطيسية من خلال مسار هلام سول غير ية مما يؤدي إلى البلورة العالية، والنقاء والتكرار27. ينتج هذا البروتوكول جسيمات نانوية الحجم التي يتم التحكم فيها بشكل جيد ويمكن ضبطها من خلال تباين درجة الحرارة28. ومع ذلك، فإن الطريق غير مائي سول هلام بمساعدة الميكروويف لديه الحد الأقصى للجسيمات النانوية التي تم الحصول عليها من حوالي 12 نانومتر. ولن يتم تكييف هذا الإجراء للتطبيقات التي تستخدم الجسيمات المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى التوليف الأساسي، ميزة رئيسية أخرى للنظر فيها هي طلاء. الكذب على سطح الجسيمات النانوية، يعمل الطلاء كجزيء الرسو، مما يساعد على استيعاب المستهدفة من الجسيمات النانوية، أو أنها يمكن أن تحمي الجسيمات النانوية من التدهور. منذ البنزيل الكحول بمثابة مصدر الأكسجين ويغاند في نفس الوقت، يتم إنتاج جسيمات نانوية عارية دون الحاجة إلى مواد سطحية إضافية أو يغاند. ثم يتم اسطح جسيمات النانو وظيفية بسهولة بعد التوليف دون عملية تبادل السطحي.
هنا، يتم تقييم نوعين من الجسيمات النانوية التي تمتلك نفس النواة وتختلف في الطلاء. يتم تصنيعها الأساسية باستخدام تقنية الميكروويف سريعة وعالية الكفاءة على أساس. الطلاء اثنين مقارنة تتكون من حمض الستريك، واحدة من أكثر تستخدم كعامل طلاء في التطبيقات الطبية الحيوية29،30، وحمض polyacrylic (PAA) ، وطلاء البوليمر مع عدد كبير من وظائف chelating. ثم يتم استخدام قياسات قياس المغنطيسية VSM أولاً لتحديد امتصاص الجسيمات النانوية من قبل الخلايا، ثم كتقييم مباشر للسلامة الهيكلية للجسيمات النانوية عند الاستيعاب الداخلي في الخلايا الجذعية. وتبين النتائج أن تركيز الحضانة يؤثر على امتصاص الجسيمات النانوية وأن الطلاء يؤثر على تدهورها، مع وجود عدد كبير من جزيئات الرسو من PAA التي تحمي القلب من التدهور.
Protocol
Representative Results
Discussion
باستخدام توليف سريع وفعال قائم على الميكروويف، يمكن بسهولة توليف الجسيمات النانوية المغناطيسية، مع حجم تسيطر عليها، ومزيد من المغلفة مع جزيئات معينة. خطوة حاسمة هي لتخزين ملح الحديد والكحول البنزيل تحت فراغ للحفاظ على تشتت صغير في الحجم. يعمل الكحول البنزيل كما المذيبات و ligand في نفس الوق…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد حظي هذا العمل بدعم من الاتحاد الأوروبي (مشروع ERC-2014-CoG MaTissE #648779). الكتاب يود أن نعترف CNanoMat الفيزيائية الكيميائية وصف منصة جامعة باريس 13.
Materials
| 0.05% Trypsin-EDTA (1x) | Life Technologies | 25300-054 | |
| Benzyl alcohol for synthesis | Sigma Aldrich | 8.22259 | |
| Dexamethasone | Sigma | D4902 | Prepare a 1 mM stock solution diluted in Ethanol 100% and store at -20°C |
| Dichloromethane ≥99% stabilised, GPR RECTAPUR | VWR Chemicals | 23367 | |
| DMEM with Glutamax I | Life Technologies | 31966-021 | No sodium pyruvate, no HEPES |
| Ethanol absolute | VWR | 20821.310 | |
| Fetal Bovine Serum | Life Technologies | 10270-106 | |
| Formalin solution 10% neutral buffered | Sigma | HT5012 | |
| Hydrochloric acid, 1.0N Standardized Solution | Alfa Aesar | 35640 | |
| Iron(III) acetylacetonate (> 99.9%) | Sigma Aldrich | 517003 | |
| ITS Premix Universal Culture Supplement (20x) | Corning | 354352 | |
| L-Ascorbic Acid 2-phosphate | Sigma | A8960 | Prepare a fresh concentrated solution (25 mM) diluted in distilled water |
| L-Proline | Sigma | P5607 | Prepare a 175 mM stock solution diluted in distilled water and store at 4°C |
| Mesenchymal Stem Cell (MSC) | Lonza | PT-2501 | |
| Monowave glass vial | Anton Paar | 82723_us | |
| Microwave reactor | Anton Paar | Monowave 300 | |
| MSCGM BulletKit medium | Lonza | PT-3001 | For the complete medium, add the provided BulletKit (containing serum, glutamine and antibiotics) to the MSCGM medium |
| PBS w/o CaCl2 w/o MgCl2 | Life Technologies | 14190-094 | |
| Penicillin (10.000U/mL)/Streptomicin (10.000µg/mL) | Life Technologies | 15140-122 | |
| Poly(acrylic acid, sodium salt) | Sigma Aldrich | 416010 | MW = 1200 g/mol |
| RPMI medium 1640, no Glutamine | Life Technologies | 31870-025 | No sodium pyruvate, no HEPES |
| Sodium hydroxide, 1.0N Standardized Solution | Alfa Aesar | 35629 | |
| Sodium pyruvate solution 100mM | Sigma | S8636 | |
| Sterile conical centrifuge tube | Falcon | 352097 | 15 mL tubes |
| Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 25300054 | |
| Tri-sodium citrate | VWR | 33615.268 | Prepare a 1 M stock solution diluted in distilled water and store at 4°C |
| Tri-Sodium Citrate Dihydrate, Certified AR for Analysis | Sigma Aldrich | 10396430 | |
| Ultra centrifugal filter | Amicon | AC S510024 |
References
- Azevedo-Pereira, R. L., et al. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles as a tool to track mouse neural stem cells in vivo. Molecular Biology Reports. 46 (1), 191-198 (2019).
- Fayol, D., Frasca, G., Le Visage, C., Gazeau, F., Luciani, N., Wilhelm, C. Use of magnetic forces to promote stem cell aggregation during differentiation, and cartilage tissue modeling. Advanced Materials. 25 (18), 2611-2616 (2013).
- Kim, J. A., et al. High-throughput generation of spheroids using magnetic nanoparticles for three-dimensional cell culture. Biomaterials. 34 (34), 8555-8563 (2013).
- Yamamoto, Y., et al. Preparation of artificial skeletal muscle tissues by a magnetic force-based tissue engineering technique. Journal of Bioscience and Bioengineering. 108 (6), 538-543 (2009).
- Gonçalves, A. I., Rodrigues, M. T., Gomes, M. E. Tissue-engineered magnetic cell sheet patches for advanced strategies in tendon regeneration. Acta Biomaterialia. 63, 110-122 (2017).
- Du, V., et al. A 3D magnetic tissue stretcher for remote mechanical control of embryonic stem cell differentiation. Nature Communications. 8 (1), 400 (2017).
- Amiri, M., Salavati-Niasari, M., Pardakhty, A., Ahmadi, M., Akbari, A. Caffeine: A novel green precursor for synthesis of magnetic CoFe2O4 nanoparticles and pH-sensitive magnetic alginate beads for drug delivery. Materials Science and Engineering: C. 76, 1085-1093 (2017).
- Vangijzegem, T., Stanicki, D., Laurent, S. Magnetic iron oxide nanoparticles for drug delivery: applications and characteristics. Expert Opinion on Drug Delivery. 16 (1), 69-78 (2019).
- Cazares-Cortes, E., et al. Recent insights in magnetic hyperthermia: From the “hot-spot” effect for local delivery to combined magneto-photo-thermia using magneto-plasmonic hybrids. Advanced Drug Delivery Reviews. 138, 233-246 (2019).
- Espinosa, A., et al. Magnetic (Hyper)Thermia or Photothermia? Progressive Comparison of Iron Oxide and Gold Nanoparticles Heating in Water, in Cells, and in vivo. Advanced Functional Materials. 28 (37), 1803660 (2018).
- Plan Sangnier, A., et al. Targeted thermal therapy with genetically engineered magnetite magnetosomes@RGD: Photothermia is far more efficient than magnetic hyperthermia. Journal of Controlled Release. 279, 271-281 (2018).
- Pham, B. T. T., et al. Biodistribution and Clearance of Stable Superparamagnetic Maghemite Iron Oxide Nanoparticles in Mice Following Intraperitoneal Administration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (1), (2018).
- Kolosnjaj-Tabi, J., et al. Biotransformations of magnetic nanoparticles in the body. Nano Today. 11 (3), 280-284 (2016).
- Bargheer, D., et al. The distribution and degradation of radiolabeled superparamagnetic iron oxide nanoparticles and quantum dots in mice. Beilstein Journal of Nanotechnology. 6, 111-123 (2015).
- Freund, B., et al. A simple and widely applicable method to 59Fe-radiolabel monodisperse superparamagnetic iron oxide nanoparticles for in vivo quantification studies. ACS Nano. 6 (8), 7318-7325 (2012).
- Singh, S. P., Rahman, M. F., Murty, U. S. N., Mahboob, M., Grover, P. Comparative study of genotoxicity and tissue distribution of nano and micron sized iron oxide in rats after acute oral treatment. Toxicology and Applied Pharmacology. 266 (1), 56-66 (2013).
- Levy, M., et al. Long term in vivo biotransformation of iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 32 (16), 3988-3999 (2011).
- Briley-Saebo, K., et al. Hepatic cellular distribution and degradation of iron oxide nanoparticles following single intravenous injection in rats: implications for magnetic resonance imaging. Cell and Tissue Research. 316 (3), 315-323 (2004).
- Gu, L., Fang, R. H., Sailor, M. J., Park, J. H. In vivo Clearance and Toxicity of Monodisperse Iron Oxide Nanocrystals. ACS Nano. 6 (6), 4947-4954 (2012).
- Sangnier, A. P., et al. Impact of magnetic nanoparticle surface coating on their long-term intracellular biodegradation in stem cells. Nanoscale. , (2019).
- Mazuel, F., et al. Magneto-Thermal Metrics Can Mirror the Long-Term Intracellular Fate of Magneto-Plasmonic Nanohybrids and Reveal the Remarkable Shielding Effect of Gold. Advanced Functional Materials. 27 (9), 1605997 (2017).
- Van de Walle, A., et al. Biosynthesis of magnetic nanoparticles from nano-degradation products revealed in human stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (10), 4044-4053 (2019).
- Mazuel, F., et al. Massive Intracellular Biodegradation of Iron Oxide Nanoparticles Evidenced Magnetically at Single-Endosome and Tissue Levels. ACS Nano. 10 (8), 7627-7638 (2016).
- Bee, A., Massart, R., Neveu, S. Synthesis of very fine maghemite particles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 149 (1), 6-9 (1995).
- Feldmann, C., Jungk, H. O. Polyol-Mediated Preparation of Nanoscale Oxide Particles. Angewandte Chemie International Edition. 40 (2), 359-362 (2001).
- Hyeon, T., Lee, S. S., Park, J., Chung, Y., Na, H. B. Synthesis of Highly Crystalline and Monodisperse Maghemite Nanocrystallites without a Size-Selection Process. Journal of the American Chemical Society. 123 (51), 12798-12801 (2001).
- Pinna, N., Grancharov, S., Beato, P., Bonville, P., Antonietti, M., Niederberger, M. Magnetite Nanocrystals: Nonaqueous Synthesis, Characterization, and Solubility. Chemistry of Materials. 17 (11), 3044-3049 (2005).
- Richard, S., et al. USPIO size control through microwave nonaqueous sol-gel method for neoangiogenesis T2 MRI contrast agent. Nanomedicine. 11 (21), 2769-2797 (2016).
- Ngo, A. T., Pileni, M. P. Assemblies of Ferrite Nanocrystals: Partial Orientation of the Easy Magnetic Axes. The Journal of Physical Chemistry B. 105 (1), 53-58 (2001).
- Li, L., et al. Effect of synthesis conditions on the properties of citric-acid coated iron oxide nanoparticles. Microelectronic Engineering. 110, 329-334 (2013).
- Sun, X., et al. Tracking stem cells and macrophages with gold and iron oxide nanoparticles – The choice of the best suited particles. Applied Materials Today. 15, 267-279 (2019).
- Buchner, M., Höfler, K., Henne, B., Ney, V., Ney, A. Tutorial: Basic principles, limits of detection, and pitfalls of highly sensitive SQUID magnetometry for nanomagnetism and spintronics. Journal of Applied Physics. 124 (16), 161101 (2018).
- Wilhelm, C., Gazeau, F., Bacri, J. C. Magnetophoresis and ferromagnetic resonance of magnetically labeled cells. European Biophysics Journal. 31 (2), 118-125 (2002).
- Jing, Y., et al. Quantitative intracellular magnetic nanoparticle uptake measured by live cell magnetophoresis. The FASEB Journal. 22 (12), 4239-4247 (2008).
- Van de Walle, A., et al. Real-time in situ magnetic measurement of the intracellular biodegradation of iron oxide nanoparticles in a stem cell-spheroid tissue model. Nano Research. , (2020).
