يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

دراسة سمية الجسيمات النانوية أكسيد الزنك في ثقافة الخلية وفي Drosophila melanogaster

10.9K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/59510

⸱

سبتمبر 19, 2019

في هذه المقالة

ملخص

نحن نصف بروتوكول مفصل لتقييم الملامح السمية للجسيمات النانوية أكسيد الزنك (ZnO NPs) على وجه الخصوص، ونوع موت الخلايا في الخلايا البشرية MRC5 الخلايا الليفية وتشكيل ROS في ذبابة الفاكهة Drosophila.

الملخص

الجسيمات النانوية أكسيد الزنك (ZnO NPs) لديها مجموعة واسعة من التطبيقات، ولكن عدد التقارير عن السمية المرتبطة NP ZnO نمت بسرعة في السنوات الأخيرة. ومع ذلك، فإن الدراسات التي توضح الآليات الأساسية للسمية الناجمة عن NP ZnO ضئيلة. حددنا ملامح سمية ZnO NPs باستخدام كل من في المختبر وفي النماذج التجريبية في الجسم الحي. ولوحظ انخفاض كبير في قدرة الخلايا على البقاء في الخلايا التي تتعرض لها الخلايا المضادة للخلايا من قبل شركة ZNO والخلايا الليفية الرئوية من قبل شركة MRC5، مما يدل على أن الـ ZnO NPs تمارس تأثيرات سامة للخلايا. وبالمثل، من المثير للاهتمام، القناة الهضمية المعرضة لZnO NPs أظهرت زيادة كبيرة في مستويات أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في ذبابة الفاكهة دروسوفيلا. ويلزم إجراء المزيد من الدراسات المتعمقة لإجراء تقييم للمخاطر من أجل زيادة استخدام المستهلكين للملوثات غير المنخفضة من النينيو.

المقدمة

تشير تقنية النانو إلى تطبيق المواد النانوية التي تستخدم في جميع المجالات العلمية، بما في ذلك الطب وعلوم المواد والكيمياء الحيوية. على سبيل المثال، يتم استخدام NPs ZnO المعروفة بتشتت الأشعة فوق البنفسجية، والاستشعار الكيميائي، والخصائص المضادة للميكروبات، فضلا عن الموصلية الكهربائية العالية، في إنتاج مختلف المنتجات الاستهلاكية مثل تغليف المواد الغذائية، ومستحضرات التجميل، المنسوجات والمطاط والبطاريات، ومحفز لمعالجة غاز الذيل السيارات، والتطبيقات الطبية الحيوية ذات الصلة1،2،3.

ومع ذلك، فإن التطبيقات المتنامية للمنتجات القائمة على NP ZnO، مما أدى إلى زيادة تعرض الإنسان للNO NPs، أثارت مخاوف بشأن آثارها السلبية المحتملة على صحة الإنسان. وقد أظهر عدد من الدراسات الخلوية في المختبر أن NPs ZnO يمكن أن تحفز الإجهاد التأكسدي، والسمية الخلوية المتصلة autophagy، التهاب، والسمية الجينية4،5،6،7،8 . وتجدر الإشارة إلى أن سمية الـ ZnO NPs يفترض أنها ناجمة عن انحلال الزنك لتحرير أيونات زن2+ ، وكذلك التفاعل السطحي لZnO ، مما يؤدي إلى الاختلالات الأيونية والأيضية الخلوية التي ترتبط بضعف التوازن الأيوني واختلال التوازن الأيوني واختلال التوازن الأيوني وخلل في التوازن الأيوني و تثبيط النقل أيون4،7،9،10. والأهم من ذلك، أظهرت الدراسات أن توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) هو إحدى الآليات الرئيسية الكامنة وراء السمية المرتبطة بـ ZnO NPs. وقد ثبت عدم كفاية النشاط المضاد للأكسدة بعد إهانة ROS لتكون مسؤولة عن الحصول على السمية الخلوية وتلف الحمض النووي9. كما تم الإبلاغ عن الآثار السامة للNPs ZnO في النماذج الحيوانية، بما في ذلك القوارض1،حمار وحشي11،12،فضلا عن اللافقاريات Drosophila13.

Drosophila بمثابة نموذج حيواني بديل راسخلفحص السمية للكيانات الكيميائية والمواد النانوية (NMs)14،15. الأهم من ذلك، هناك مستويات عالية من التشابه الوراثي والفسيولوجي بين الإنسان وDrosophila التي تبرر استخدام Drosophila كنموذج في الجسم الحي لتقييم الاستجابات البيولوجية للملوثات البيئية مثل NMs 16.وعلاوة على ذلك، هناك العديد من المزايا لاستخدام Drosophila بسبب صغر حجمها، وعمرها القصير، والقدرة على الصيانة الوراثية، وصيانة سهلة وفعالة من حيث التكلفة. وعلاوة على ذلك، تم اعتماد دروسوفيلا على نطاق واسع لدراسة علم الوراثة، والبيولوجيا الجزيئية والتنموية، منذ أن تم تسلسل الجينوم الكامل قبل سنوات في عام 2000، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من الفرز عالية الإنتاجية ولمعالجة المسائل البيولوجية التي لم تحل17و18و19و20و21. في السنوات الأخيرة، تم الإبلاغ عن عدد من الدراسات المتعلقة بالسمية المناعية باستخدام أنواع مختلفة من الملوثات غير الالحكومية الوطنية في دروسوفيلا 15،22،23،24. وقد ساعدت هذه المعرفة الأساسية الجديدة التي تم الحصول عليها من الدراسات باستخدام Drosophila لتوفير المزيد من الرؤى في فهمنا للسمية النانوية.

ROS هو الجاني المعروف للسمية الخلوية والسمية الجينية الناجمة عن NPs، وعلى وجه الخصوص، NPs القائمة على المعادن25. ROS هي الأنواع الكيميائية التي تحتوي على الأكسجين مع خصائص رد الفعل أعلى من الأكسجين الجزيئي. الجذور الحرة مثل الجذر فوق أكسيد (O2-) وحتى، الجزيئات غير الراديكالية مثل بيروكسيد الهيدروجين (H2O2)يمكن أن تكون بمثابة ROS. في ظل الحالة الفسيولوجية العادية، ومطلوب منهم للحفاظ على التوازن الخلوي26،ومع ذلك، ROS المفرط ة بسبب الإفراط في الإنتاج أو خلل تنظيم نظام الدفاع المضادة للأكسدة يمكن أن يسبب الإجهاد التأكسدي، مما يؤدي إلى تلف البروتينات، الدهون وحمض ديوكسيريبونوكليك (DNA)27. على سبيل المثال، مع زيادة مستويات ROS وانخفاض مستوى الجلوتاثيون (GSH) في وقت واحد، يحدث اضطراب الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ويرتفع مستوى اللاكتات dehydrogenase (LDH) في المتوسط، وبلغت ذروتها في موت الخلايا27.

هنا، نحن نقدم بروتوكولات لإجراء التحليلات الخلوية والوراثية باستخدام خلايا الثدييات المستزرعة ودروسوفيلا لتحديد الآثار السلبية المحتملة للNO NPs. ويرد في الشكل 1لمحة عامة عن الطريقة المستخدمة في دراسة سمية الملوثات غير السمية لـ ZnO.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. تحليل فرز الخلايا المنشطة الفلورية (FACS) على الخلايا الحية / الثابتة

  1. سونيكات ZnO NPs في تعليق لمدة 15 دقيقة.
  2. إعداد NPs ZnO بتركيزات مختلفة (على سبيل المثال، 0 و10 و25 و50100 و200 ميكروغرام/مل) باستخدام 1 ملغ/مم زنو NP الأوراق المالية الحل للمخزون لعلاج الخلايا المستزرعة.
  3. بذور MRC5 الخلايا الليفية الرئة البشرية (1 × 105 خلايا / جيدا) على لوحة ثقافة 6 جيدا في اليوم مقدما، ومن ثم علاج الخلايا مع 2 مل من NPs ZnO (في triplicates) لمدة 8 ساعة، 16 ح، و 24 ح.
  4. في كل نقطة زمنية، وجمع الخلايا عن طريق الطرد المركزي في 300 × ز لمدة 5 دقائق.
  5. غسل الكريات الخلية مرتين مع الفوسفات المخزنة المالحة المخزنة (PBS).
  6. إعادة تعليق الخلايا مع 1X العازلة ملزمة، والتي تتكون من 0.1 M HEPES / هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم( هيدروكسيد الصوديوم)، 1.4 M كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم)، و 25 مل كلوريد الكالسيوم (CaCl2)،بتركيز 1 × 105 خلايا لكل 100 ميكرولتر.
  7. إضافة 5 ميكرولتر من الفلورسين إيزوثيوسينات (FITC) المرفق الخامس وصمة عار و 5 ميكرولتر من البربيديوم يوديد (PI) وصمة عار الحمض النووي، واحتضان الخلايا لمدة 15 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (RT؛ 25 درجة مئوية) في الظلام.
  8. قم بتعبئة العينات باستخدام 400 لتر إضافية من المخزن المؤقت للربط 1x قبل فرز الخلايا عن طريق قياس التدفق. يتم تحليل ما لا يقل عن 10،000 خلية لكل عينة.
  9. جدولة الرسم البياني الشريطي باستخدام الكثافة الوسيطة التي تم الحصول عليها.

2- تعرض الـ ZnO NPs لدروسوفيلا

  1. إضافة 1 مل من الجسيمات النانوية بتركيزات مختلفة في قارورة، تليها 9 مل من أغذية الذبابة لجعل التركيز النهائي من 0.1 ملغ /مل، 0.25 ملغم/مل أو 0.5 ملغم/مل زنو نمس.
  2. خلط الجسيمات النانوية مع الطعام جيدا في قارورة باستخدام ماصة.
  3. السماح للأغذية يطير التي تحتوي على NPs ZnO لتبرد لمدة 2-3 ساعة على الأقل قبل الاستخدام.
  4. إدخال الذباب الكبار الذكور والإناث في قارورة لمدة 5 أيام، والسماح لهم لزميله ووضع البيض (التي تظهر كبقع بيضاء) على سطح الطعام.
  5. إزالة الذباب الأبوي، والسماح للبيض للخضوع لمزيد من التنمية، والتي تتكون من 4 مراحل التنمية المختلفة (الجنينية، اليرقات، الجرو ومرحلة الكبار).

3. تشريح ذبابة

  1. جمع اليرقات في وقت متأخر 3rd instar من جدار القنينات للتحليلات. البيض الطازج تتطور عادة إلى اليرقات في وقت متأخر 3rd instar بعد 72-120 ساعة في RT.
  2. تنظيف طبق تشريح وملء البئر مع تشريح المتوسطة / PBS.
  3. تشريح اليرقات (في وقت متأخر 3rd instar) تحت المجهر المجسم، وذلك باستخدام زوج من الملقط.
  4. استخدام غيض من ملقط لجعل حفرة صغيرة وكسر فتح طبقة بشرة من اليرقات. سحب بعناية الأمعاء ووضعها في أنبوب الطرد المركزي الصغير 1.5 مل التي تحتوي على وسيط ة Drosophila شنايدر، قبل خطوة تحديد باستخدام 1 مل من 4٪ paraformaldehyde (PF).
  5. 3.5إصلاح الأمعاء في PF لمدة 10 دقيقة في RT، للتجارب اللاحقة، مثل تلطيخ المناعة.

4. الكشف عن ROS باستخدام ديهيدروثيديميوم (DHE) تلطيخ

  1. علاج اليرقات بتركيزات مختلفة من الـ ZnO NPs كما هو موضح في الخطوة 2-1.
  2. بعد تشريح الأمعاء من يرقات instarالثالثة كما هو موضح تحت القسم 3، احتضان الأمعاء في وسيط دروسوفيلا شنايدر في RT قبل تنفيذ تلطيخ الأنسجة. حل 1 ميكرولتر من صبغة DHE (من تركيز المخزون من 30 مل) في 1 مل من المتوسط شنايدر، مما يجعل تركيز العمل النهائي من 10-30 درجة مئوية صبغة DHE.
  3. قم باحتضان الأمعاء لمدة 5 دقائق في RT في الظلام، ثم اغسل ثلاث مرات باستخدام وسيط شنايدر لكل 5 دقائق.
  4. إصلاح القناة الهضمية مع 4٪ PF (خطوة اختيارية) وجبل الأمعاء على الشرائح الزجاجية، مع المضادة تتلاشى تصاعد المتوسطة التي تحتوي على 4′،6-دياميدينو-2-فينيليندول (DAPI). التقاط الصور تحت المجهر البؤري.

5. قياس الفلورة باستخدام برنامج ImageJ

  1. استيراد الصور الفلورية التي تم التقاطها باستخدام الفحص المجهري الفلوري أو الفحص المجهري للمسح الضوئي بالليزر البؤري إلى برنامج ImageJ.
  2. انقر على القائمة تحليل وحدد تعيين القياسات.
  3. حدد مقياس الإخراج مثل الكثافة المتكاملة للمنطقة ومتوسط القيمة الرمادية.
  4. انقر فوق قياس.
  5. حدد منطقة بدون فلورة لتعيين الخلفية.
  6. تصدير البيانات إلى جدول بيانات Excel وتحديد الفلورة الخلية الإجمالية المصوبة (CTCF)، باستخدام الحساب كما هو موضح أدناه.
    CTCF = الكثافة المتكاملة - (منطقة الخلية المختارة X متوسط الفلورة من قراءات الخلفية)
  7. إنشاء مخطط شريطي وإجراء تحليل إحصائي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تمت معالجة الخلايا المكشوفة NP مع مجموعة الكاشف تلطيخ الخلية، تليها فرز الخلايا باستخدام قياس التدفق الخلوي. تظهر الخلايا المعالجة بـ ZnO NP (أسفل، لوحة إلى اليمين) نسبة أعلى من الخلايا المبرمجة المبكرة (R3)/في وقت متأخر من خلايا التحكم (R5، أسفل، لوحة يسرى). يشير إلى موت الخلايا النخرية بواسطة R4 (أعلى، لوحة اليمين)(الشكل 2). وترد في الشكل 2نتائج التسياق الخامس للفيتك/الملحقين الخامس بشأن الخلايا الليفية التي تعالجها شركة ZNO من...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

من أجل تقييم ما إذا كان ZnO NP يمكن أن تحفز المبرمج في الخلايا الليفية MRC5، ونحن نستخدم قياس التدفق للتمييز بين الخلايا من موت الخلايا النخرية أو المبرمج. في الخلايا الحية العادية ، يتم توطين فوسفاتيديلسيرين (PS) في غشاء الخلية. في حالة حدوث المبرمج، يتم نقل PS إلى النشرة خارج الخلية من غشاء البلازما، مما يسمح لربط الملحق الخامس المسمى مع الفلورسين (FITC Annexin V)29. من ناحية أخرى، وأحمر الفلورسنت بروبيوديوم يوديد (PI)، وهو صبغة ملزمة حمض نووي، هو غير قابل للنفاذ إلى الخلايا الحية والخلايا المبر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ويعلن صاحبا البلاغ أنهما ليس لديهما مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

وقد تم دعم الدراسة من قبل رقم المنحة R706-000-043-490. ولا تمثل الدراسة رأي مقدم المنحة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
15٪ ميثيل 4-هيدروكسي بنزواتسيجما ألدريتش
4٪ بارافورمالديهايدسيجما ألدريتشP6148
باكتو أجارBD العلوم البيولوجية
<م > cncCK6 / TM3 ، SB < / em >هدية من دكتور Kerppola T
دقيق الذرة ، الجلوكوز ، الخميرة البيرةSigma Aldrich
CyAn ADP مع برنامج القمةDAKOhttps://flow.usc.edu/files/2014/07/BC-Cyan-ADP-User-Guide-2016.pdf
ثنائي هيدروإيثيديوم (هيدروإيثيدين)ThermoFisher ScientificD11347
FITC Annexin V مجموعة الكشف عن موت الخلايا المبرمج IBD Biosciences556547
مجهر الفلورسنتسوبر
جلوكلين
برنامج ImageJNIH
MRC5 الخلايا الليفية للرئة البشريةATCCCCL-171
Schneider s ذبابة الفاكهة< / em> متوسطThermo Fisher Scientific21720-024
وسيط تركيب Vectashield المضاد للبهتان معDAPI Vector LaboratoriesH-1200
Wild-type Canton-S ؛ Sod2N308 / CyO< / em>NIG-FLY
الجسيمات النانوية لأكسيد الزنكSigma Aldrich721077راجع الورقة 2
ماركت أوليمبوس

المراجع

  1. Kim, Y. R., et al. Toxicity of 100 nm zinc oxide nanoparticles: a report of 90-day repeated oral administration in Sprague Dawley rats. International Journal of Nanomedicine. 9 Suppl 2, 109-126 (2014).
  2. Xie, Y., He, Y., Irwin, P. L., Jin, T., Shi, X. Antibacterial activity and mechanism of action of zinc oxide nanoparticles against Campylobacter jejuni. Applied and Environmental Microbiology. 77, 2325-2331 (2011).
  3. Colvin, V. L. The potential environmental impact of engineered nanomaterials. Nature Biotechnology. 21, 1166-1170 (2003).
  4. De Angelis, I., et al. Comparative study of ZnO and TiO(2) nanoparticles: physicochemical characterisation and toxicological effects on human colon carcinoma cells. Nanotoxicology. 7, 1361-1372 (2013).
  5. Johnson, B. M., et al. Acute exposure to ZnO nanoparticles induces autophagic immune cell death. Nanotoxicology. 9, 737-748 (2015).
  6. Singh, N., et al. NanoGenotoxicology: the DNA damaging potential of engineered nanomaterials. Biomaterials. 30, 3891-3914 (2009).
  7. Song, W., et al. Role of the dissolved zinc ion and reactive oxygen species in cytotoxicity of ZnO nanoparticles. Toxicology Letters. 199, 389-397 (2010).
  8. Wahab, R., et al. ZnO nanoparticles induced oxidative stress and apoptosis in HepG2 and MCF-7 cancer cells and their antibacterial activity. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 117, 267-276 (2014).
  9. Namvar, F., et al. Cytotoxic effects of biosynthesized zinc oxide nanoparticles on murine cell lines. Evidence-Based Complementary and Alternative. 2015, (2015).
  10. Wong, S. W., Leung, P. T., Djurisic, A. B., Leung, K. M. Toxicities of nano zinc oxide to five marine organisms: influences of aggregate size and ion solubility. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 396, 609-618 (2010).
  11. Hua, J., Vijver, M. G., Richardson, M. K., Ahmad, F., Peijnenburg, W. J. Particle-specific toxic effects of differently shaped zinc oxide nanoparticles to zebrafish embryos (Danio rerio). Environmental Toxicology and Chemistry. 33, 2859-2868 (2014).
  12. Zhao, X., Wang, S., Wu, Y., You, H., Lv, L. Acute ZnO nanoparticles exposure induces developmental toxicity, oxidative stress and DNA damage in embryo-larval zebrafish. Aquatic Toxicology. 136-137, 49-59 (2013).
  13. Alaraby, M., Annangi, B., Hernandez, A., Creus, A., Marcos, R. A comprehensive study of the harmful effects of ZnO nanoparticles using Drosophila melanogaster as an in vivo model. Journal of Hazardous Materials. 296, 166-174 (2015).
  14. Rand, M. D. Drosophotoxicology: the growing potential for Drosophila in neurotoxicology. Neurotoxicology and Teratology. 32, 74-83 (2010).
  15. Ong, C., Yung, L. Y., Cai, Y., Bay, B. H., Baeg, G. H. Drosophila melanogaster as a model organism to study nanotoxicity. Nanotoxicology. 9, 396-403 (2015).
  16. Hoffmann, J. A., Reichhart, J. M. Drosophila innate immunity: an evolutionary perspective. Nature Immunology. 3, 121-126 (2002).
  17. Hughes, T. T., et al. Drosophila as a genetic model for studying pathogenic human viruses. Virology. 423, 1-5 (2012).
  18. Jennings, B. H. Drosophila - a versatile model in biology & medicine. Materials Today. 14, 190-195 (2011).
  19. Adams, M. D., Sekelsky, J. J. From sequence to phenotype: reverse genetics in Drosophila melanogaster. Nature Reviews Genetics. 3, 189-198 (2002).
  20. Adams, M. D., et al. The genome sequence of Drosophila melanogaster. Science. 287, 2185-2195 (2000).
  21. Ong, C., et al. Silver nanoparticles disrupt germline stem cell maintenance in the Drosophila testis. Scientific Reports. 6, (2016).
  22. Alaraby, M., Demir, E., Hernandez, A., Marcos, R. Assessing potential harmful effects of CdSe quantum dots by using Drosophila melanogaster as in vivo model. Science of the Total Environment. 530-531, 66-75 (2015).
  23. Barik, B. K., Mishra, M. Nanoparticles as a potential teratogen: a lesson learnt from fruit fly. Nanotoxicology. , 1-27 (2018).
  24. Jovanovic, B., et al. The effects of a human food additive, titanium dioxide nanoparticles E171, on Drosophila melanogaster - a 20 generation dietary exposure experiment. Scientific Reports. 8, (2018).
  25. Cao, Y. The Toxicity of Nanoparticles to Human Endothelial Cells. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1048, 59-69 (2018).
  26. Akhtar, M. J., Ahamed, M., Alhadlaq, H. A., Alshamsan, A. Mechanism of ROS scavenging and antioxidant signalling by redox metallic and fullerene nanomaterials: Potential implications in ROS associated degenerative disorders. Biochimica Et Biophysica Acta-General Subjects. 1861, 802-813 (2017).
  27. Akter, M., et al. A systematic review on silver nanoparticles-induced cytotoxicity: Physicochemical properties and perspectives. Journal of Advanced Research. 9, 1-16 (2018).
  28. Vecchio, G. A fruit fly in the nanoworld: once again Drosophila contributes to environment and human health. Nanotoxicology. 9, 135-137 (2015).
  29. Marino, G., Kroemer, G. Mechanisms of apoptotic phosphatidylserine exposure. Cell Research. 23, 1247-1248 (2013).
  30. Stoddart, M. J. Cell Viability Assays: Introduction. Mammalian Cell Viability: Methods and Protocols. , Chapter 1 (2011).
  31. Yazdani, M. Concerns in the application of fluorescent probes DCDHF-DA, DHR 123 and DHE to measure reactive oxygen species in vitro. Toxicology in Vitro. 30, 578-582 (2015).
  32. Chen, J., Rogers, S. C., Kavdia, M. Analysis of kinetics of dihydroethidium fluorescence with superoxide using xanthine oxidase and hypoxanthine assay. Annals of Biomedical Engineering. 41, 327-337 (2013).
  33. Hartig, S. M. Basic image analysis and manipulation in ImageJ. Current Protocols in Molecular Biology. , Chapter 14, Unit14.15 (2013).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

حيوية الخلاياأنواع الأكسجين التفاعليةقياس التدفق الخلويالمجهر الفلوريالمجهر البؤريالخلايا الليفية الرئوية MRC5تحليل الأمعاءصبغ أنكسين V