تقوم الدراسة التالية بتقييم الملف السمي لإطار معدني عضوي مختار باستخدام استشعار مقاومة الخلايا الكهربائية (ECIS) ، وهي تقنية فحص عالية الإنتاجية في الوقت الفعلي.
مقالة منهجية
تقوم الدراسة التالية بتقييم الملف السمي لإطار معدني عضوي مختار باستخدام استشعار مقاومة الخلايا الكهربائية (ECIS) ، وهي تقنية فحص عالية الإنتاجية في الوقت الفعلي.
الأطر المعدنية العضوية (MOFs) هي هجينة تتشكل من خلال تنسيق أيونات المعادن والروابط العضوية في المذيبات العضوية. أدى تنفيذ الأطر الفلزية العضوية في التطبيقات الطبية الحيوية والصناعية إلى مخاوف بشأن سلامتها. هنا ، تم تقييم ملف تعريف MOF المختار ، وهو إطار إيميدازول زيوليت ، عند التعرض للخلايا الظهارية الرئوية البشرية. كانت منصة التقييم تقنية في الوقت الفعلي (أي استشعار مقاومة الخلايا الكهربائية [ECIS]). تحدد هذه الدراسة وتناقش بعض الآثار الضارة للأطر الفلزية العضوية المختارة على الخلايا المكشوفة. علاوة على ذلك ، توضح هذه الدراسة فوائد استخدام طريقة الوقت الفعلي مقابل المقايسات الكيميائية الحيوية الأخرى لإجراء تقييمات شاملة للخلايا. وخلصت الدراسة إلى أن التغيرات الملحوظة في سلوك الخلية يمكن أن تلمح إلى السمية المحتملة الناجمة عن التعرض للأطر العضوية العضوية ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة وجرعة تلك الأطر المستخدمة. من خلال فهم التغيرات في سلوك الخلية ، يتوقع المرء القدرة على تحسين استراتيجيات التصميم الآمنة للأطر العضوية العضوية لاستخدامها في التطبيقات الطبية الحيوية من خلال تصميم خصائصها الفيزيائية والكيميائية على وجه التحديد.
الأطر المعدنية العضوية (MOFs) هي هجينة تتشكل من خلال مزيج من أيونات المعادن والروابط العضوية 1,2 في المذيبات العضوية. نظرا لتنوع هذه المجموعات ، تمتلك الأطر الفلزية العضوية تنوعا هيكليا3 ، ومسامية قابلة للضبط ، واستقرارا حراريا عاليا ، ومساحات سطح عالية 4,5. هذه الخصائص تجعلها مرشحة جذابة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، من تخزين الغاز 6,7 إلى الحفز8,9 ، ومن عوامل التباين 10,11 إلى وحدات توصيل الأدوية 12,13. ومع ذلك، فإن تنفيذ الأطر الفلزية العضوية في هذه التطبيقات قد أثار مخاوف تتعلق بسلامتها لكل من المستخدمين والبيئة. أظهرت الدراسات الأولية ، على سبيل المثال ، أن الوظيفة الخلوية والنمو يتغيران عند تعرض الخلايا لأيونات المعادن أو الروابط المستخدمة في تخليق الأطر الفلزيةالعضوية 1،14،15. على سبيل المثال، أثبت Tamames-Tabar et al. أن ZIF-8 MOF، وهو نوع من الأطر الفلزية العضوية القائمة على الزنك، يؤدي إلى المزيد من التغيرات الخلوية في خط خلايا سرطان عنق الرحم البشري (HeLa) وخط خلايا البلاعم الفأرية (J774) بالنسبة إلى الأطر الفلزية العضوية القائمة على Zr والحديد. من المفترض أن تكون هذه التأثيرات بسبب المكون المعدني ل ZIF-8 (أي Zn) ، والذي يمكن أن يحفز موت الخلايا المبرمج عند تفكك الإطار وإطلاق أيون الزنك1. وبالمثل ، أظهر Gandara-Loe et al. أن HKUST-1 ، وهو MOF قائم على النحاس ، تسبب في أعلى انخفاض في صلاحية خلايا الورم الأرومي الشبكي للفأر عند استخدامه بتركيزات 10 ميكروغرام / مل أو أكثر. من المفترض أن يكون هذا بسبب أيون معدن النحاس الذي تم دمجه أثناء تخليق هذا الإطار ، والذي ، بمجرد إطلاقه ، يمكن أن يحفز الإجهاد التأكسدي في الخلايا المكشوفة15.
علاوة على ذلك ، أظهر التحليل أن التعرض للأطر الفلزية العضوية ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة يمكن أن يؤدي إلى استجابات مختلفة للخلايا المكشوفة. على سبيل المثال ، أظهر Wagner et al. أن ZIF-8 و MIL-160 (إطار عمل قائم على Al) ، المستخدم في التعرض لخلية ظهارية قصبية بشرية خالدة ، أدى إلى استجابات خلوية تعتمد على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للأطر ، وهي الكارهة للماء والحجم والخصائص الهيكلية16. بشكل تكميلي ، أظهر Chen et al. أن تركيز 160 ميكروغرام / مل MIL-100 (Fe) المعرض لخلايا الكبد الطبيعية البشرية (HL-7702) تسبب في أكبر خسارة في الصلاحية الخلوية ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى المكون المعدني لهذا الإطار المحدد (أي Fe17).
في حين أن هذه الدراسات تصنف الآثار الضارة للأطر الفلزية العضوية على النظم الخلوية بناء على خصائصها الفيزيائية والكيميائية وتركيزات التعرض ، مما يثير مخاوف محتملة بشأن تنفيذ الإطار ، لا سيما في المجالات الطبية الحيوية ، فإن معظم هذه التقييمات تستند إلى مقايسات قياس لوني نقطة زمنية واحدة. على سبيل المثال ، تبين أنه عند استخدام مقايسات (3- (4،5-ثنائي ميثيل ثيازول-2-يل) -2،5-ثنائي فينيل تيترازوليوم بروميد) رباعي الأزوليوم (MTT) وملح التترازوليوم القابل للذوبان في الماء (WST-1) ، يمكن أن تؤدي هذه الكواشف الكيميائية الحيوية إلى إيجابيات كاذبة عند تفاعلاتها مع الجسيمات التي تعرضت لها الخلايا أيضا18. تبين أن ملح التترازوليوم والكواشف الحمراء المحايدة تمتلك امتزازا عاليا أو تقاربا ملزما على أسطح الجسيمات ، مما أدى إلى تداخل إشارة العامل19. علاوة على ذلك ، بالنسبة لأنواع أخرى من المقايسات ، مثل قياس التدفق الخلوي ، والذي ثبت سابقا أنه يستخدم لتقييم التغيرات في الخلايا المعرضة للأطر الفلزيةالعضوية 20,21 ، فقد تبين أنه يجب التحايل على القضايا الرئيسية إذا تم النظر في تحليل قابل للتطبيق للآثار الضارة للجسيمات. على وجه الخصوص ، يجب معالجة نطاقات الكشف عن أحجام الجسيمات ، خاصة في المجموعات المختلطة مثل تلك التي توفرها الأطر الفلزية العضوية أو مراجع الجسيمات المستخدمة للمعايرة قبل التغيرات الخلوية، 22. وقد تبين أيضا أن الصبغة المستخدمة أثناء وضع العلامات الخلوية لمقايسات القياس الخلوي هذه يمكن أن تتداخل أيضا مع الجسيمات النانوية التي تعرضت لها الخلايا23.
كان الهدف من هذه الدراسة هو استخدام مقايسة تقييم عالية الإنتاجية في الوقت الفعلي لتقييم التغيرات في سلوك الخلية عند التعرض ل MOF محدد. يمكن أن تساعد التقييمات في الوقت الفعلي في توفير رؤى حول التأثيرات المعتمدة على الوقت ، فيما يتعلق بنوافذ التعرض16. علاوة على ذلك ، فإنها توفر معلومات عن التغيرات في تفاعلات الخلية والركيزة ، ومورفولوجيا الخلية ، وتفاعلات الخلايا الخلوية ، وكذلك كيف تعتمد هذه التغييرات على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد ذات الأهمية وأوقات التعرض24,25 على التوالي.
لإثبات صحة وقابلية تطبيق النهج المقترح ، تم استخدام الخلايا الظهارية للشعب الهوائية البشرية (BEAS-2B) ، ZIF-8 (إطار كاره للماء من إيميدازولات الزيوليت16) ، واستشعار مقاومة الركيزة الخلوية الكهربائية (ECIS). تمثل خلايا BEAS-2B نموذجا لتعرض الرئة 26 وقد استخدمت سابقا لتقييم التغيرات عند تعرض الخلايا للطين النانوي ومنتجاتها الثانوية المتدهورة حراريا26،27،28 ، وكذلك تقييم سمية المواد النانوية ، مثل الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) 18. علاوة على ذلك ، تم استخدام هذه الخلايا لأكثر من 30 عاما كنموذج للوظيفة الظهارية الرئوية29. تم اختيار ZIF-8 بسبب تنفيذه على نطاق واسع في الحفز30 وكعوامل تباين 31 للتصوير الحيوي وتوصيل الأدوية32 ، وبالتالي للإمكانات الممتدة للتعرض للرئة أثناء مثل هذه التطبيقات. أخيرا ، تم استخدام ECIS ، وهي تقنية غير جراحية في الوقت الفعلي ، سابقا لتقييم التغيرات في التصاق الخلايا وانتشارها وحركتها ومورفولوجيا 16,26 نتيجة لمجموعة متنوعة من التفاعلات بين المواد التحليلية (المواد والأدوية) والخلايا المكشوفة في الوقت الفعلي 16,18,28. يستخدم ECIS تيارا مترددا (AC) لقياس مقاومة الخلايا التي يتم تجميدها على أقطاب الذهب ، مع تغييرات المعاوقة التي تعطي نظرة ثاقبة للتغيرات في المقاومة والسعة في واجهة الركيزة الذهبية الخلوية ، ووظيفة الحاجز كما هو ناتج عن تفاعلات الخلايا والخلايا ، وتغطية الطبقة فوق الخلية لأقطاب الذهبهذه 33,34. يسمح استخدام ECIS بإجراء قياسات كمية بدقة نانوية بطريقة غير جراحية في الوقت الفعلي26,34.
تقيم هذه الدراسة وتقارن بساطة وسهولة تقييم التغيرات التي يسببها الأطر الفلزية العضوية في السلوك الخلوي في الوقت الفعلي مع تقييمات الفحص أحادية النقطة. ويمكن زيادة استقراء هذه الدراسة لتقييم ملامح الخلية استجابة للتعرض لجسيمات أخرى ذات أهمية، مما يسمح باختبار الجسيمات بشكل آمن حسب التصميم والمساعدة اللاحقة في التنفيذ. علاوة على ذلك ، يمكن لهذه الدراسة أن تكمل المقايسات الجينية والخلوية التي هي تقييمات من نقطة واحدة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحليل أكثر استنارة للآثار الضارة للجسيمات على السكان الخلويين ويمكن استخدامه لفحص سمية هذه الجسيمات بطريقة عالية الإنتاجية16،35،36.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. توليف ZIF-8
2. مجموعة ZIF-8
3. مورفولوجيا سطح ZIF-8 (المجهر الإلكتروني الماسح [SEM])
4. تكوين عنصر ZIF-8
5. ثقافة الخلية
6. عد الخلايا
7. تحضير جرعة ZIF-8
8. تركيز مثبط نصف الحد الأقصى (IC 50)
9. استشعار مقاومة الخلايا الكهربائية والركيزة (ECIS)
10. تحليل البيانات
11. التحليل الإحصائي
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
باستخدام خط خلية نموذجي شائع في المختبر39 (BEAS-2B) ، تهدف هذه الدراسة إلى إثبات جدوى وقابلية تطبيق ECIS لتقييم التغيرات في سلوك الخلية عند التعرض ل MOF مركب في المختبر. تم استكمال تقييم هذه التغييرات بالتحليل من خلال المقايسات اللونية التقليدية.
تم تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للإطار أولا لضمان استنساخ الطرق المستخدمة ، وصحة النتائج التي تم الحصول عليها ، والمناقشات ذات الصلة بهذه النتائج. على سبيل المثال ، تم إجراء تحليل التشكل السطحي ل ZIF-8 من خلال ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
أظهر التحليل السابق أنه يمكن استخدام ECIS لتقييم سلوك الخلايا المعرضة للتحليلات (أي الأنابيب النانوية الكربونية35 أو الأدوية43 أو الطين النانوي16). علاوة على ذلك ، استخدم Stueckle et al. ECIS لتقييم سمية خلايا BEAS-2B المعرضة للطين النانوي ومنتجاته الثانوية ووجد أن السلوك الخلوي والتعلق يعتمدان على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لهذه المواد42. هنا ، اقترحنا تحديد التغييرات المحتملة لخلايا BEAS-2B استجابة للتعرض للأطر الفلزية ا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
لم يبلغ المؤلفون عن أي تضارب في المصالح في هذا العمل.
تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة (NIGMS) برنامج T32 (T32 GM133369) والمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF 1454230). بالإضافة إلى ذلك ، يتم الاعتراف بمرافق البحوث المشتركة WVU ومساعدة ودعم الفيزياء الحيوية التطبيقية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 4- [3- (4-إيدوفينيل) -2- (4-نيتروفينيل) -2H-5-tetrazolio] -1،3-ثنائي كبرث البنزين (فحص WST-1) ؛ | Roche | 5015944001 | |
| 0.25٪ Trypsin-EDTA (1x) | Gibco | 25255-056 | |
| لوحات 100 مم | Corning | 430167 | |
| 1300 Series A2 غطاء الدخان الحيوي | Thermo Scientific | 323TS | |
| 2510 برانسون حمام سونيكاتور | معدات العملية & Supply, Inc. | 251OR-DTH | |
| 2-methylimidazole, 97٪ | Alfa Aesar | 693-98-1 | |
| 5 مل أنبوب دقيق معقم | Argos Technologies | T2076S-CA | |
| 50 mL أنابيب | الصقر | 352098 | |
| 96W10idf ألواح الآبار | الفيزياء الحيوية التطبيقية | 96W10idf PET | |
| 96 ألواح بئر | Fisherbrand | FB012931 | |
| Biorender | Biorender | N / A | |
| شرائح غرفة عد الخلايا الكونتيسة Invitrogen | C10283 | ||
| الكونتيسة الثانية FL عداد الخلايا الآلي | Life Technologies | C0916-186A-0303 | |
| Denton Desk V الرش والكربون المغطي | Denton Vacuum | N / A | |
| كبريتات ثنائي الميثلي | Corning | 25-950-CQC | |
| DPBS / Modified | Cytiva | SH30028.02 | |
| Dulbecco's Eagle medium | Corning | 10-014-CV | |
| ECIS-Z & Theta ؛ | الفيزياء الحيوية التطبيقية | ABP 1129 | |
| Excel | Microsoft | الإصدار 2301 | |
| أنابيب الصقر (15 مل) | كورنينج | 352196 | |
| مصل الأبقار الجنيني | جيبكو | 16140-071 | |
| قارئ لوحة FLUOstar OPTIMA | BMG LABTECH | 413-2132 | |
| GraphPad Prism Software (9.0.0) | GraphPad Software، LLC | الإصدار 9.0.0 | |
| HERAcell 150i CO2< / sub> حاضنة | حراري علمية | 50116047 | |
| هيتاشي S-4700 مجهر إلكتروني مسح للانبعاثات الميدانية مجهز بالأشعة السينية المشتتة للطاقة ؛ | شركة هيتاشي للتقنيات | S4700 و EDAX TEAM برنامج | |
| التحليل ImageJ برنامج | المعاهد الوطنية للصحة | N / A | |
| الخلايا الظهارية القصبية البشرية الخالدة | من النوع الأمريكي | CRL-9609 | |
| فريزر Isotemp | فيشر العلمي | ||
| الميثانول ، 99٪ | فيشر كيميكال | 67-56-1 | |
| فيلم ختم Parafilm | مستودع المختبر | HS234526A | |
| البنسلين / ستيبتومايسين | جيبكو | 15140-122 | |
| Sorvall Legend X1R الطرد المركزي ؛ | 75004220 | Thermo Scientific | |
| Sorvall T 6000B | DU PONT | T6000B | |
| Trypan Blue ، محلول 0.4٪ في PBS | MP Biomedicals، LLC | 1691049 | |
| غرفة الفراغ | Belart | 999320237 | |
| نترات الزنك سداسي هيدرات ، 98٪ Acros Organic نقي | للغاية 101-96-18-9 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن