本研究利用细胞电阻抗传感技术(ECIS)——一种实时、高通量的筛选方法,评估了一种选定金属-有机框架材料的毒理学特征。
方法文章
本研究利用细胞电阻抗传感技术(ECIS)——一种实时、高通量的筛选方法,评估了一种选定金属-有机框架材料的毒理学特征。
金属有机框架(MOFs)是由金属离子与有机连接体在有机溶剂中通过配位作用形成的杂化材料。MOFs在生物医学和工业应用中的推广引发了对其安全性的关注。本文针对一种选定的MOF——沸石咪唑酯骨架材料,在暴露于人肺上皮细胞后,对其生物学特性进行了评估。评估所采用的平台为一种实时检测技术,即细胞-基底电学阻抗传感(ECIS)。本研究识别并讨论了该MOF对暴露细胞产生的一些有害效应。此外,研究还展示了与传统生化检测方法相比,实时检测技术在全面评估细胞反应方面的优势。研究结论指出,观察到的细胞行为变化可能提示该MOF暴露可诱导潜在的细胞毒性。 关键词:金属有机框架,沸石咪唑酯骨架材料,细胞-基底电学阻抗传感,人肺上皮细胞,细胞毒性,实时检测 针对具有不同理化特性的金属有机框架材料(MOFs)及其使用剂量。通过理解细胞行为的变化,有望通过精确调控MOFs的理化特性,优化其面向生物医学应用的安全性设计策略。
金属有机框架(MOFs)是通过金属离子与有机连接体在有机溶剂中结合形成的杂化材料1,2。由于此类组合的多样性,MOFs具有结构多样性3、可调的孔隙率、高热稳定性和高比表面积4,5。这些特性使其在多种应用中具有广阔前景,从气体储存6,7到催化8,9,以及从造影剂10,11到药物递送系统12,13。然而,将MOFs应用于这些领域也引发了关于其对使用者和环境安全性的担忧。初步研究表明,细胞在暴露于用于MOF合成的金属离子或连接体后,其功能和生长会发生改变1,14,15。例如,Tamames-Tabar等人证明,一种基于锌的MOF材料ZIF-8相较于基于锆和铁的MOFs,在人宫颈癌细胞系(HeLa)和小鼠巨噬细胞系(J774)中引起更多的细胞变化。这些效应 可能归因于ZIF-8中的金属组分(即Zn),该组分在框架解体并释放Zn离子后可能诱导细胞凋亡1。类似地,Gandara-Loe等人证明,一种基于铜的MOF材料HKUST-1在浓度达到或超过10 µg/mL时,会导致小鼠视网膜母细胞瘤细胞活力显著降低。这可能归因于在该框架合成过程中掺入的Cu金属离子,一旦释放,便可能在暴露的细胞中引发氧化应激15。
此外,分析表明暴露 具有不同理化特性的MOFs可能导致暴露细胞产生不同的反应。例如,Wagner等人证明,将ZIF-8和MIL-160(一种基于Al的框架结构)用于永生化人支气管上皮细胞的暴露实验时,细胞反应依赖于这些框架结构的理化特性,即疏水性、尺寸和结构特征16互补地,Chen 等人证明,当人正常肝细胞(HL-7702)暴露于 160 µg/mL 的 MIL-100(Fe) 时,细胞活力下降最为显著,这可能是由于该特定框架的金属组分(即 Fe)所致17).
尽管这些研究根据金属有机框架材料(MOFs)的理化特性和暴露浓度对其在细胞系统中的有害效应进行了分类,从而引发了人们对这类材料在实际应用中潜在风险的担忧,尤其是在生物医学领域,但大多数评估依赖于单时间点的比色法检测。例如,已有研究表明,当使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴盐(MTT)和水溶性四氮唑盐(WST-1)检测时,这些生化试剂可能导致假阳性结果 他们的 细胞也暴露于这些颗粒物的相互作用18四唑盐和中性红试剂 已证明对颗粒表面具有高吸附性或高结合亲和力,从而导致检测信号干扰19此外,对于其他类型的检测方法,例如流式细胞术,此前已证明可用于评估细胞在接触金属有机框架材料(MOFs)后发生的变化20,21,研究表明,若要对颗粒物的有害效应进行有效分析,必须克服一些主要问题。特别是颗粒物尺寸的检测范围,尤其是在混合种群(如金属有机框架材料MOFs)中,或在细胞变化前用于校准的参考颗粒物,这些问题亟需解决22还发现,此类细胞计数实验中用于细胞标记的染料可能会干扰细胞所接触的纳米颗粒23.
本研究旨在利用一种实时、高通量的评估方法,检测细胞在暴露于特定金属有机框架材料(MOF)后其行为的变化。实时评估有助于揭示与暴露时间窗口相关的时间依赖性效应16。此外,该方法还可提供有关细胞-基质相互作用、细胞形态以及细胞间相互作用变化的信息,并阐明这些变化如何依赖于目标材料的理化性质及暴露时间24,25。
为验证所提出方法的有效性和适用性,采用人支气管上皮(BEAS-2B)细胞和ZIF-8(一种疏水性沸石咪唑酯骨架结构)16),并采用电细胞基底阻抗传感(ECIS)技术。BEAS-2B细胞是肺部暴露的模型26 并已先前用于评估细胞暴露于纳米黏土及其热降解副产物后的变化26,27,28, 以及评估纳米材料(如单壁碳纳米管(SWCNTs))的毒性18此外,此类细胞已被用作肺上皮功能研究的模型超过30年29ZIF-8因其广泛应用而被选用 在催化中30 以及作为对比剂31 用于生物成像与药物递送32,因此在这些应用中肺部暴露的潜在风险也相应增加。最后,ECIS 是一种非侵入性、实时检测技术,此前已被用于评估细胞黏附、增殖、迁移和形态的变化16,26 由于分析物(包括材料和药物)与暴露细胞之间在实时条件下的多种相互作用16,18,28. ECIS 使用交流电(AC)测量固定在金电极上的细胞的阻抗,通过阻抗变化来反映细胞层电阻和电容的变化 细胞-金基底界面、由细胞间相互作用诱导的屏障功能,以及金电极上的细胞层覆盖33,34使用ECIS可实现无创、实时的纳米级分辨率定量测量26,34.
本研究评估并比较了实时监测MOF诱导的细胞行为变化与单时间点检测方法在操作简便性和评价便捷性方面的优劣。该研究方法可进一步拓展用于评估细胞在暴露于其他关注颗粒物后的反应特征,从而实现“设计即安全”的颗粒物测试,并进一步推动 相关应用的实施。此外,本研究可作为遗传学和细胞学单时间点检测方法的有力补充,有助于更全面地分析颗粒物对细胞群体的有害效应,并可用于高通量筛选此类颗粒物的毒性16,35,36。
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1. ZIF-8 的合成
2. ZIF-8 的收集
3. ZIF-8 表面形貌(扫描电子显微镜 [SEM])
4. ZIF-8 元素组成
5. 细胞培养
6. 细胞计数
7. ZIF-8 剂量的制备
8. 半数抑制浓度(IC50)
9. 电细胞-基质阻抗传感(ECIS)
10. 数据分析
11. 统计分析
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使用一种常见的 体外 模式细胞系39 (BEAS-2B),本研究旨在验证利用ECIS评估细胞暴露于实验室合成的金属有机框架材料(MOF)后行为变化的可行性与适用性。这些变化的评估结果通过传统的比色法分析进行了补充。
首先评估了该框架的理化特性,以确保所采用方法的可重复性、所得结果的有效性以及对这些结果的相关讨论的合理性。例如,通过扫描电子显微镜(SEM)对ZIF-8的表面形貌进行分析;图像显示,该框架呈现出菱形十二面体形貌。40 平均大小为 62.87 nm ± 9.61 nm(图1A)。金属有机框架材料(MOFs)的元素组成已通过测定确定 通过EDX 能谱分析。结果表明,ZIF-8 的主要成分为 C、N 和 Zn(即咪唑酯连接体和金属离子 Zn)16) (图1B)。先前的X射线衍射结果...
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先前的分析表明,ECIS可用于评估细胞在接触分析物(即碳纳米管)后的生物学行为35,药物43,或纳米黏土16此外,Stueckle 等人利用 ECIS 评估了纳米黏土及其副产物对 BEAS-2B 细胞的毒性,发现细胞行为和贴附能力依赖于这些材料的理化特性42在此,我们拟研究BEAS-2B细胞在暴露于金属有机框架材料(MOFs)后可能发生的改变,从而为区分ZIF-8潜在有害效应的相关知识体系提供依据 在细胞系统上 体外,全部以高通量且实时的方式进行。
该分析首先允许评估框架的性质,从而有助于将细胞行为的变化与所测试MOFs的理化性质相关联44。具体而言,在细胞暴露于具有相似元素组成和规则几何结构的MOFs后(见上述结果),分析显示细胞行为发生改变,这可能是由于框架被细胞摄取及其在细胞内的降解特性所致。 特别是在...
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作者在本研究中无任何利益冲突。
本工作部分由美国普通医学科学研究所(NIGMS)T32项目(T32 GM133369)和美国国家科学基金会(NSF 1454230)资助。此外,感谢西弗吉尼亚大学共享研究设施和应用生物物理学提供的协助与支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-[3-(4-碘苯基)-2-(4-硝基苯基)-2H-四唑-5-基]-1,3-苯二磺酸钠(WST-1 检测) | 罗氏 | 5015944001 | |
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA(1×) | Gibco | 25255-056 | |
| 100 mm 培养皿 | 康宁 | 430167 | |
| 1300 系列 A2 生物安全柜 | 赛默飞世尔科技 | 323TS | |
| 2510 Branson 超声波清洗器 | 工艺设备 & Supply, Inc. | 251OR-DTH | |
| 2-甲基咪唑,97% | Alfa Aesar | 693-98-1 | |
| 5 mL 无菌微量离心管 | Argos Technologies | T2076S-CA | |
| 50 mL 管 | Falcon | 352098 | |
| 96孔板 | 应用生物物理学 | 96W10idf PET | |
| 96孔板 | Fisherbrand | FB012931 | |
| BioRender | BioRender | N/A | |
| Countess 细胞计数板载玻片 | Invitrogen | C10283 | |
| Countess II FL 全自动细胞计数仪 | Life Technologies | C0916-186A-0303 | |
| Denton Desk V 溅射与碳镀膜仪 | Denton Vacuum | N/A | |
| 二甲基亚砜 | 康宁 | 25-950-CQC | |
| DPBS/改良版 | Cytiva | SH30028.02 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基 | 康宁 | 10-014-CV | |
| ECIS-ZΘ | 应用生物物理学 | ABP 1129 | |
| Excel | Microsoft | 版本 2301 | |
| Falcon管(15 mL) | 康宁 | 352196 | |
| 胎牛血清 | Gibco | 16140-071 | |
| FLUOstar OPTIMA 酶标仪 | BMG LABTECH | 413-2132 | |
| GraphPad Prism 软件(9.0.0) | GraphPad Software, LLC | 版本 9.0.0 | |
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| 真空室 | Belart | 999320237 | |
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