Elektrische Zell-Substrat-Sensorik zur Echtzeit-Bewertung von toxikologischen Profilen metallorganischer Gerüstverbindungen
Summary
Die folgende Studie evaluiert das toxikologische Profil eines ausgewählten metallorganischen Gerüsts unter Verwendung der elektrischen Zellsubstrat-Impedanzmessung (ECIS), einer Echtzeit-Hochdurchsatz-Screening-Technik.
Abstract
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind Hybride, die durch die Koordination von Metallionen und organischen Linkern in organischen Lösungsmitteln gebildet werden. Die Implementierung von MOFs in biomedizinischen und industriellen Anwendungen hat zu Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit geführt. In dieser Arbeit wurde das Profil eines ausgewählten MOF, eines zeolithischen Imidazol-Gerüsts, bei Exposition bei menschlichen Lungenepithelzellen untersucht. Die Plattform für die Evaluierung war eine Echtzeittechnik (d. h. elektrische Zell-Substrat-Impedanzmessung [ECIS]). Diese Studie identifiziert und diskutiert einige der schädlichen Wirkungen des ausgewählten MOFs auf die exponierten Zellen. Darüber hinaus zeigt diese Studie die Vorteile der Verwendung der Echtzeitmethode gegenüber anderen biochemischen Assays für umfassende Zellbewertungen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass beobachtete Veränderungen im Zellverhalten auf eine mögliche Toxizität hindeuten könnten, die durch die Exposition gegenüber MOFs mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Dosierung dieser verwendeten Gerüste induziert wird. Durch das Verständnis von Veränderungen im Zellverhalten sieht man die Möglichkeit, Safe-by-Design-Strategien von MOFs für biomedizinische Anwendungen zu verbessern, indem ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften spezifisch angepasst werden.
Introduction
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind Hybride, die durch die Kombination von Metallionen und organischen Linkern 1,2 in organischen Lösungsmitteln gebildet werden. Aufgrund der Vielfalt solcher Kombinationen besitzen MOFs eine strukturelle Vielfalt3, eine einstellbare Porosität, eine hohe thermische Stabilität und große Oberflächen 4,5. Diese Eigenschaften machen sie zu attraktiven Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Gasspeicherung 6,7 bis zur Katalyse8,9 und von Kontrastmitteln 10,11 bis hin zu Wirkstoffabgabeeinheiten 12,13. Die Implementierung von MOFs in solche Anwendungen hat jedoch Bedenken hinsichtlich ihrer Sicherheit sowohl für die Benutzer als auch für die Umwelt aufgeworfen. Vorläufige Studien haben beispielsweise gezeigt, dass sich die Zellfunktion und das Zellwachstum ändern, wenn Zellen Metallionen oder Linkern ausgesetzt werden, die für die MOF-Synthese verwendet werden 1,14,15. Tamames-Tabar et al. zeigten beispielsweise, dass ZIF-8 MOF, ein Zn-basiertes MOF, im Vergleich zu Zr- und Fe-basierten MOFs zu mehr zellulären Veränderungen in einer menschlichen Gebärmutterhalskrebs-Zelllinie (HeLa) und einer Maus-Makrophagen-Zelllinie (J774) führte. Solche Effekte waren vermutlich auf die Metallkomponente von ZIF-8 (d.h. Zn) zurückzuführen, die möglicherweise die Apoptose von Zellen nach dem Zerfall des Gerüsts und der Freisetzung von Zn-Ionen1 induzieren könnte. In ähnlicher Weise zeigten Gandara-Loe et al., dass HKUST-1, ein Cu-basiertes MOF, die höchste Verringerung der Lebensfähigkeit von Maus-Retinoblastomzellen verursachte, wenn es in Konzentrationen von 10 μg/ml oder mehr verwendet wurde. Dies war vermutlich auf das Cu-Metallion zurückzuführen, das während der Synthese dieses Gerüsts eingebaut wurde und das, sobald es freigesetzt wurde, oxidativen Stress in den exponierten Zellen induzieren konnte15.
Darüber hinaus zeigte die Analyse, dass die Exposition bei MOFs mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften zu unterschiedlichen Reaktionen der exponierten Zellen führen könnte. Wagner et al. zeigten beispielsweise, dass ZIF-8 und MIL-160 (ein Al-basiertes Gerüst), das bei der Exposition einer immortalisierten menschlichen Bronchialepithelzelle verwendet wurde, zu zellulären Reaktionen führten, die von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Gerüste abhingen, nämlich Hydrophobie, Größe und strukturelle Merkmale16. Komplementär dazu zeigten Chen et al., dass eine Konzentration von 160 μg/ml MIL-100(Fe), die menschlichen normalen Leberzellen ausgesetzt war (HL-7702), den größten Verlust an zellulärer Lebensfähigkeit verursachte, vermutlich aufgrund der Metallkomponente dieses spezifischen Gerüsts (d. h. Fe17).
Während diese Studien die schädlichen Auswirkungen von MOFs auf zelluläre Systeme auf der Grundlage ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften und Expositionskonzentrationen kategorisieren, was potenzielle Bedenken hinsichtlich der Implementierung von Rahmenbedingungen aufwirft, insbesondere in biomedizinischen Bereichen, basieren die meisten dieser Bewertungen auf kolorimetrischen Assays zu einem einzigen Zeitpunkt. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass diese biochemischen Reagenzien bei der Verwendung von (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid) tetrazolium (MTT) und wasserlöslichem Tetrazoliumsalz (WST-1)-Assays zu falsch positiven Ergebnissen führen konnten, wenn sie mit den Partikeln interagierten, denen die Zellen ebenfalls ausgesetzt waren18. Es wurde gezeigt, dass das Tetrazoliumsalz und die neutralen roten Reagenzien eine hohe Adsorptions- oder Bindungsaffinität an den Oberflächen der Partikel besitzen, was zu einer Signalinterferenz des Mittelsführt 19. Darüber hinaus wurde für andere Arten von Assays, wie z. B. die Durchflusszytometrie, die zuvor zur Beurteilung von Veränderungen in Zellen, die MOFs ausgesetzt waren,20,21 verwendet wurde, gezeigt, dass wichtige Probleme umgangen werden müssen, wenn eine praktikable Analyse der schädlichen Auswirkungen von Partikeln in Betracht gezogen werden soll. Insbesondere müssen die Detektionsbereiche der Partikelgrößen, insbesondere in gemischten Populationen, wie sie von MOFs angeboten werden, oder Referenzen der Partikel, die für die Kalibrierung vor zellulären Veränderungen verwendet werden, berücksichtigt werden22. Es wurde auch gezeigt, dass der Farbstoff, der bei der Zellmarkierung für solche Zytometrie-Assays verwendet wird, auch die Nanopartikel stören kann, denen die Zellen ausgesetzt waren23.
Das Ziel dieser Studie war es, einen Echtzeit-Hochdurchsatz-Evaluierungsassay zu verwenden, um Veränderungen im Zellverhalten bei Exposition gegenüber einem ausgewählten MOF zu bewerten. Echtzeit-Auswertungen können helfen, Einblicke in zeitabhängige Effekte zu geben, die sich auf die Expositionsfenster beziehen16. Darüber hinaus liefern sie Informationen über Veränderungen der Zell-Substrat-Interaktionen, der Zellmorphologie und der Zell-Zell-Interaktionen sowie darüber, wie solche Veränderungen von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der interessierenden Materialien bzw. den Expositionszeiten abhängen24,25.
Um die Validität und Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes zu demonstrieren, wurden humane Bronchialepithelzellen (BEAS-2B), ZIF-8 (ein hydrophobes Gerüst aus zeolithischem Imidazolat16) und elektrische Zellsubstrat-Impedanzmessung (ECIS) verwendet. BEAS-2B-Zellen stellen ein Modell für die Lungenexpositiondar 26 und wurden zuvor verwendet, um Veränderungen bei der Exposition von Zellen gegenüber Nanotonerden und ihren thermisch abgebauten Nebenprodukten26,27,28 sowie die Toxizität von Nanomaterialien, wie z. B. einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs)18, zu bewerten. Darüber hinaus werden solche Zellen seit mehr als 30 Jahren als Modell für die Lungenepithelfunktion verwendet29. ZIF-8 wurde aufgrund seiner breiten Implementierung in der Katalyse30 und als Kontrastmittel 31 für die Biobildgebung und die Verabreichung von Medikamenten32 und damit wegen des erweiterten Potenzials für die Lungenexposition während solcher Anwendungen ausgewählt. Schließlich wurde ECIS, die nicht-invasive Echtzeit-Technik, zuvor verwendet, um Veränderungen der Zelladhärenz, Proliferation, Motilität und Morphologie 16,26 als Ergebnis einer Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen Analyten (sowohl Materialien als auch Medikamente) und exponierten Zellen in Echtzeit zu bewerten 16,18,28. ECIS verwendet einen Wechselstrom (AC), um die Impedanz von Zellen zu messen, die auf Goldelektroden immobilisiert sind, wobei die Impedanzänderungen Einblicke in Änderungen des Widerstands und der Kapazität an der Zell-Gold-Substrat-Grenzfläche, der Barrierefunktion, wie sie durch Zell-Zell-Wechselwirkungen induziert wird, und der Überdeckung der Zellschicht solcher Goldelektroden geben33,34. Die Verwendung von ECIS ermöglicht quantitative Messungen mit einer Auflösung im Nanobereich auf nicht-invasive Weise in Echtzeit26,34.
Diese Studie bewertet und vergleicht die Einfachheit und Leichtigkeit der Auswertung von MOF-induzierten Veränderungen des zellulären Verhaltens in Echtzeit mit Einzelpunkt-Assay-Auswertungen. Eine solche Studie könnte weiter extrapoliert werden, um Zellprofile als Reaktion auf die Exposition gegenüber anderen Partikeln von Interesse zu bewerten, was eine sichere Partikelprüfung und anschließende Unterstützung bei der Implementierung ermöglicht. Darüber hinaus könnte diese Studie genetische und zelluläre Assays ergänzen, bei denen es sich um Einzelpunktbewertungen handelt. Dies könnte zu einer fundierteren Analyse der schädlichen Auswirkungen von Partikeln auf die Zellpopulation führen und für das Screening der Toxizität solcher Partikel im Hochdurchsatz verwendet werden16,35,36.
Protocol
Representative Results
Discussion
Frühere Analysen zeigten, dass ECIS verwendet werden kann, um das Verhalten von Zellen zu bewerten, die Analyten ausgesetzt sind (d. h. Kohlenstoffnanoröhren35, Medikamente43 oder Nanotonerde16). Darüber hinaus verwendeten Stueckle et al. ECIS, um die Toxizität von BEAS-2B-Zellen zu bewerten, die Nanotonerden und ihren Nebenprodukten ausgesetzt waren, und stellten fest, dass das zelluläre Verhalten und die Anheftung von den physikalisch-chemisch…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise vom T32-Programm des National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) (T32 GM133369) und der National Science Foundation (NSF 1454230) finanziert. Darüber hinaus werden die WVU Shared Research Facilities und die Applied Biophysics Unterstützung und Unterstützung gewürdigt.
Materials
| 4-[3-(4-idophenyl)-2-(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]-1,3-benzene disulfonate (WST-1 assay) | Roche | 5015944001 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA (1x) | Gibco | 25255-056 | |
| 100 mm plates | Corning | 430167 | |
| 1300 Series A2 biofume hood | Thermo Scientific | 323TS | |
| 2510 Branson bath sonicator | Process Equipment & Supply, Inc. | 251OR-DTH | |
| 2-methylimidazole, 97% | Alfa Aesar | 693-98-1 | |
| 5 mL sterile microtube | Argos Technologies | T2076S-CA | |
| 50 mL tubes | Falcon | 352098 | |
| 96W10idf well plates | Applied Biophysics | 96W10idf PET | |
| 96-well plates | Fisherbrand | FB012931 | |
| Biorender | Biorender | N/A | |
| Countess cell counting chamber slides | Invitrogen | C10283 | |
| Countess II FL automated cell counter | Life Technologies | C0916-186A-0303 | |
| Denton Desk V sputter and carbon coater | Denton Vacuum | N/A | |
| Dimethly sulfoxide | Corning | 25-950-CQC | |
| DPBS/Modified | Cytiva | SH30028.02 | |
| Dulbecco's modified Eagle medium | Corning | 10-014-CV | |
| ECIS-ZΘ | Applied Biophysics | ABP 1129 | |
| Excel | Microsoft | Version 2301 | |
| Falcon tubes (15 mL) | Corning | 352196 | |
| Fetal bovine serum | Gibco | 16140-071 | |
| FLUOstar OPTIMA plate reader | BMG LABTECH | 413-2132 | |
| GraphPad Prism Software (9.0.0) | GraphPad Software, LLC | Version 9.0.0 | |
| HERAcell 150i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 50116047 | |
| Hitachi S-4700 Field emission scanning electron microscope equipped with energy dispersive X-ray | Hitachi High-Technologies Corporation | S4700 and EDAX TEAM analysis software | |
| ImageJ software | National Institutes of Health | N/A | |
| Immortalized human bronchial epithelial cells | American Type Culture Collection | CRL-9609 | |
| Isotemp freezer | Fisher Scientific | ||
| Methanol, 99% | Fisher Chemical | 67-56-1 | |
| Parafilm sealing film | The Lab Depot | HS234526A | |
| Penicillin/Steptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Sorvall Legend X1R Centrifuge | Thermo Scientific | 75004220 | |
| Sorvall T 6000B | DU PONT | T6000B | |
| Trypan blue, 0.4% solution in PBS | MP Biomedicals, LLC | 1691049 | |
| Vacuum Chamber | Belart | 999320237 | |
| Zinc Nitrate Hexahydrate, 98% extra pure | Acros Organic | 101-96-18-9 |
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