Name: Détection électrique cellule-substrat pour l’évaluation en temps réel des profils toxicologiques des structures organométalliques (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-05-26T12:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 53 s
Description: Découvrez la détection électrique cellule-substrat pour évaluer la toxicité des structures organométalliques sur des cellules épithéliales pulmonaires humaines. Cette méthode permet un suivi continu en temps réel sans réactifs externes.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ces travaux ont été financés en partie par le programme T32 (T32 GM133369) de l’Institut national des sciences médicales générales (NIGMS) et la National Science Foundation (NSF 1454230). De plus, l’aide et le soutien des installations de recherche partagées de la WVU et de la biophysique appliquée sont reconnus.

Évaluation des changements de comportement cellulaire induits par le MOF par détection électrique cellule-substrat

Les auteurs ne signalent aucun conflit d’intérêts dans ce travail.

Des analyses antérieures ont montré que l’ECIS pouvait être utilisée pour évaluer le comportement des cellules exposées à des analytes (c’est-à-dire des nanotubes de carbone35, des médicaments43 ou des nanoargiles16). De plus, Stueckle et al. ont utilisé l’ECIS pour évaluer la toxicité des cellules BEAS-2B exposées à des nanoargiles et à leurs sous-produits et ont constaté que le comportement cellulaire et l’attachement dépendaient des caractéristiqu...

Les structures organométalliques (MOF) sont des hybrides formés par la combinaison d’ions métalliques et de liants organiques 1,2 dans des solvants organiques. En raison de la variété de ces combinaisons, les MOF possèdent une diversité structurelle3, une porosité accordable, une stabilité thermique élevée et des surfaces élevées 4,5. De telles caractéristiques en font des candidats attrayants dans une variété d’applications, du stockage de gaz 6,7 à la catalyse8,9, et des agents de contraste 10,11 aux unités d’administration de médicaments12,13. Cependant, la mise en œuvre des MOF dans de telles applications a soulevé des inquiétudes quant à leur sécurité pour les utilisateurs et l’environnement. Des études préliminaires ont montré, par exemple, que la fonction et la croissance cellulaires changent lors de l’exposition des cellules à des ions métalliques ou à des liants utilisés pour la synthèse du MOF 1,14,15. Par exemple, Tamames-Tabar et al. ont démontré que le MOF ZIF-8, un MOF à base de Zn, entraînait davantage de changements cellulaires dans une lignée cellulaire de cancer du col de l’utérus humain (HeLa) et une lignée cellulaire de macrophages de souris (J774) par rapport aux MOF à base de Zr et de Fe. De tels effets étaient vraisemblablement dus au composant métallique de ZIF-8 (c’est-à-dire Zn), qui pourrait potentiellement induire l’apoptose cellulaire lors de la désintégration de la structure et de la libération d’ions Zn1. De même, Gandara-Loe et al. ont démontré que HKUST-1, un MOF à base de Cu, provoquait la plus forte réduction de la viabilité des cellules de rétinoblastome de souris lorsqu’il était utilisé à des concentrations de 10 μg/mL ou plus. Cela était probablement dû à l’ion métallique Cu incorporé lors de la synthèse de cette armature qui, une fois libéré, pouvait induire un stress oxydatif dans les cellules exposées15.
De plus, l’analyse a montré que l’exposition à des MOF ayant des caractéristiques physico-chimiques différentes pouvait entraîner des réponses variables des cellules exposées. Par exemple, Wagner et al. ont démontré que ZIF-8 et MIL-160 (un cadre à base d’Al), utilisés dans l’exposition d’une cellule épithéliale bronchique humaine immortalisée, conduisaient à des réponses cellulaires dépendantes des propriétés physico-chimiques des cadres, à savoir l’hydrophobicité, la taille et les caractéristiques structurelles16. En complément, Chen et al. ont démontré qu’une concentration de 160 μg/mL de MIL-100(Fe) exposée à des cellules hépatiques normales humaines (HL-7702) entraînait la plus grande perte de viabilité cellulaire, probablement en raison de la composante métallique de ce cadre spécifique (c’est-à-dire Fe17).
Bien que ces études classent les effets délétères des MOF sur les systèmes cellulaires en fonction de leurs caractéristiques physico-chimiques et de leurs concentrations d’exposition, soulevant ainsi des préoccupations potentielles quant à la mise en œuvre d’un cadre, en particulier dans les domaines biomédicaux, la plupart de ces évaluations sont basées sur des tests colorimétriques à point temporel unique. Par exemple, il a été démontré que lorsque des dosages de (3-(4,5-diméthylthiazol-2-yl)-2,5-diphényltétrazolium bromure) tétrazolium (MTT) et de sel de tétrazolium soluble dans l’eau (WST-1) étaient utilisés, ces réactifs biochimiques pouvaient conduire à des faux positifs lors de leurs interactions avec les particules auxquelles les cellules étaient également exposées18. Il a été démontré que le sel de tétrazolium et les réactifs rouges neutres possèdent une forte affinité d’adsorption ou de liaison sur les surfaces des particules, ce qui entraîne une interférence du signal de l’agent19. De plus, pour d’autres types de tests, tels que la cytométrie en flux, qui s’est déjà avérée être utilisée pour évaluer les changements dans les cellules exposées aux MOF20,21, il a été démontré que des problèmes majeurs doivent être contournés si l’on veut envisager une analyse viable des effets délétères des particules. En particulier, les plages de détection de la taille des particules, en particulier dans les populations mixtes comme celles offertes par les MOF ou les références des particules utilisées pour l’étalonnage avant les changements cellulaires, doivent être prises en compte22. Il a également été démontré que le colorant utilisé lors du marquage cellulaire pour de tels tests de cytométrie pouvait également interférer avec les nanoparticules auxquelles les cellules étaient exposées23.
L’objectif de cette étude était d’utiliser un test d’évaluation à haut débit en temps réel pour évaluer les changements de comportement des cellules lors de l’exposition à un MOF sélectionné. Les évaluations en temps réel peuvent aider à fournir des informations sur les effets dépendant du temps, en ce qui concerne les fenêtres d’exposition16. De plus, ils fournissent des informations sur les changements dans les interactions cellule-substrat, la morphologie cellulaire et les interactions cellule-cellule, ainsi que sur la façon dont ces changements dépendent des propriétés physico-chimiques des matériaux d’intérêt et des temps d’exposition24,25 respectivement.
Pour démontrer la validité et l’applicabilité de l’approche proposée, des cellules d’épithélium bronchique humain (BEAS-2B), ZIF-8 (un cadre hydrophobe de l’imidazolate zéolitique16) et la détection d’impédance cellule-substrat électrique (ECIS) ont été utilisées. Les cellules BEAS-2B représentent un modèle d’exposition pulmonaire 26 et ont déjà été utilisées pour évaluer les changements lors de l’exposition des cellules à des nanoargiles et à leurs sous-produits dégradés thermiquement26,27,28, ainsi que pour évaluer la toxicité de nanomatériaux, tels que les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT)18. De plus, ces cellules sont utilisées depuis plus de 30 ans comme modèle pour la fonction épithéliale pulmonaire29. Le ZIF-8 a été choisi en raison de sa large mise en œuvre dans la catalyse30 et en tant qu’agent de contraste 31 pour la bio-imagerie et l’administration de médicaments32, et donc pour le potentiel accru d’exposition pulmonaire lors de telles applications. Enfin, l’ECIS, la technique non invasive en temps réel, a déjà été utilisée pour évaluer les changements dans l’adhérence, la prolifération, la motilité et la morphologie cellulaires 16,26 à la suite d’une variété d’interactions entre les analytes (matériaux et médicaments) et les cellules exposées en temps réel 16,18,28. ECIS utilise un courant alternatif (AC) pour mesurer l’impédance des cellules immobilisées sur des électrodes en or, les changements d’impédance donnant un aperçu des changements de résistance et de capacité à l’interface cellule-substrat d’or, de la fonction barrière induite par les interactions cellule-cellule et de la couverture de la couche surcellulaire de ces électrodes en or33,34. L’utilisation de l’ECIS permet d’effectuer des mesures quantitatives à l’échelle nanométrique de manière non invasive et en temps réel26,34.
Cette étude évalue et compare la simplicité et la facilité d’évaluation des changements induits par le MOF dans le comportement cellulaire en temps réel avec des évaluations de test en un seul point. Une telle étude pourrait être extrapolée pour évaluer les profils cellulaires en réponse à l’exposition à d’autres particules d’intérêt, permettant ainsi des tests de particules sûrs dès la conception et une aide ultérieure à la mise en œuvre. De plus, cette étude pourrait compléter les tests génétiques et cellulaires qui sont des évaluations en un seul point. Cela pourrait conduire à une analyse plus éclairée des effets délétères des particules sur la population cellulaire et pourrait être utilisé pour cribler la toxicité de ces particules à haut débit16,35,36.

<table><tbody><tr><td>&nbsp ; 4-[3-(4-idophényl)-2-(4-nitrophényl)-2H-5-tétrazolio]-1,3-disulfonate de benzène (dosage WST-1)&nbsp ;</td><td>Roche</td><td>5015944001</td><td></td></tr><tr><td>0,25 % Trypsine-EDTA (1x)</td><td>Gibco</td><td>25255-056</td><td></td></tr><tr><td>Plaques de 100 mm</td><td>Corning</td><td>430167</td><td></td></tr><tr><td>1300 Series A2 hotte biofumeuse</td><td>Thermo Scientific</td><td>323TS</td><td></td></tr><tr><td>2510 Branson Bath sonicator</td><td>Équipement de process & Supply, Inc.&nbsp ;</td><td>251OR-DTH</td><td></td></tr><tr><td>2-méthylimidazole, 97 %</td> <td>Alfa Aesar</td><td>693-98-1</td><td></td></tr><tr><td>5 mL microtube stérile</td><td>Argos Technologies</td><td>T2076S-CA</td><td></td></tr><tr><td>50 mL&nbsp ; tubes&nbsp ;</td><td>Falcon</td><td>352098</td><td></td></tr><tr><td>96W10idf plaques de puits</td><td>Biophysique appliquée&nbsp ;</td><td>96W10idf PET</td><td></td></tr><tr><td>96-well plates</td><td>Fisherbrand</td><td>FB012931</td><td></td></tr><tr><td>Biorender</td><td>Biorender</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Lames de chambre de comptage de cellules Countess</td><td>Invitrogen</td><td>C10283</td><td></td></tr><tr><td>Countess II FL compteur de cellules automatisé</td><td>Life Technologies</td><td>C0916-186A-0303</td><td></td></tr><tr><td>Denton Desk V pulvérisateur et revêtement carbone</td><td>Denton Vacuum</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Dimethly sulfoxyde</td><td>Corning</td><td>25-950-CQC</td><td></td></tr><tr><td>DPBS/</td><td>Cytiva</td> modifié <td>SH30028.02</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco’s modified Eagle medium</td><td>Corning</td><td>10-014-CV</td><td></td></tr><tr><td>ECIS-Z&Theta ;</td><td>Biophysique appliquée&nbsp ;</td><td>ABP 1129</td><td></td></tr><tr><td>Excel</td><td>Microsoft</td><td>Version 2301</td><td></td></tr><tr><td>Falcon tubes (15 mL)</td><td>Corning</td><td>352196</td><td></td></tr><tr><td>Sérum fœtal bovin</td><td>Gibco</td><td>16140-071</td><td></td></tr><tr><td>FLUOstar OPTIMA lecteur de plaques</td><td>BMG LABTECH</td><td>413-2132</td><td></td></tr><tr><td>GraphPad Prism Software (9.0.0)</td><td>GraphPad Software, LLC</td><td>Version 9.0.0</td><td></td></tr><tr><td>HERAcell 150i Incubateur CO2</td><td>Thermo Scientific</td><td>50116047</td><td></td></tr><tr><td>Hitachi S-4700 Microscope électronique à balayage à émission de champ équipé d’un microscope à rayons X à dispersion d’énergie&nbsp ;</td><td>Hitachi High-Technologies Corporation</td><td>Logiciel d’analyse S4700 et EDAX TEAM</td> Logiciel ImageJ National Institutes of Health N/A Cellules épithéliales bronchiques humaines immortalisées American Type Culture Collection CRL-9609 Congélateur Isotemp Fisher Scientific&nbsp ;<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Méthanol, 99 %</td> <td>Fisher Chemical</td><td>67-56-1</td><td></td></tr><tr><td>Film d’étanchéité Parafilm</td><td>The Lab Depot</td><td>HS234526A</td><td></td></tr><tr><td>Pénicilline/Steptomycine</td><td>Gibco</td><td>15140-122</td><td></td></tr><tr><td>Centrifugeuse Sorvall Legend X1R&nbsp ;</td><td>Thermo Scientific</td><td>75004220</td><td></td></tr><tr><td>Sorvall T 6000B</td><td>DU PONT&</td><td>nbsp ; T6000B</td><td></td></tr><tr><td>Trypan blue, solution à 0,4 % dans PBS</td><td>MP Biomedicals, LLC</td><td>1691049</td><td></td></tr><tr><td>Chambre à vide</td><td>Belart</td><td>999320237</td><td></td></tr><tr><td>Nitrate de zinc hexahydraté, 98 % extra pur</td><td>Acros Organic</td><td>101-96-18-9</td><td></td></tr></tbody></table>

détection électrique cellule-substrat pour l’évaluation en temps réel des profils toxicologiques des structures organométalliques

Electric Cell-Substrate Sensing for Real-Time Evaluation of Metal-Organic Framework Toxicological Profiles

Les structures organométalliques (MOF) sont des hybrides formés par la coordination d’ions métalliques et de liants organiques dans des solvants organiques. La mise en œuvre des MOF dans les applications biomédicales et industrielles a suscité des inquiétudes quant à leur sécurité. Ici, le profil d’un MOF sélectionné, un cadre d’imidazole zéolitique, a été évalué lors de l’exposition à des cellules épithéliales pulmonaires humaines. La plate-forme d’évaluation était une technique en temps réel (c’est-à-dire la détection d’impédance cellule-substrat électrique [ECIS]). Cette étude identifie et discute certains des effets délétères du MOF sélectionné sur les cellules exposées. De plus, cette étude démontre les avantages de l’utilisation de la méthode en temps réel par rapport à d’autres tests biochimiques pour des évaluations cellulaires complètes. L’étude conclut que les changements observés dans le comportement cellulaire pourraient faire allusion à une éventuelle toxicité induite lors de l’exposition à des MOF de différentes caractéristiques physico-chimiques et au dosage de ces cadres utilisés. En comprenant les changements dans le comportement des cellules, on entrevoit la possibilité d’améliorer les stratégies de sécurité dès la conception des MOF à utiliser pour des applications biomédicales en adaptant spécifiquement leurs caractéristiques physico-chimiques.

À l’aide d’une lignée cellulaire modèle in vitro commune39 (BEAS-2B), cette étude visait à démontrer la faisabilité et l’applicabilité de l’ECIS pour évaluer les changements de comportement cellulaire lors de l’exposition à un MOF synthétisé en laboratoire. L’évaluation de ces changements a été complétée par une analyse à l’aide de tests colorimétriques conventionnels.
Les caractéristiques physico-chimiques du cadre ont d’abord été évaluées afin de s’assurer de...

L’étude suivante évalue le profil toxicologique d’un cadre métallo-organique sélectionné à l’aide de la détection d’impédance cellule-substrat électrique (ECIS), une technique de criblage à haut débit en temps réel.

Détection électrique cellule-substrat pour l’évaluation en temps réel des profils toxicologiques des structures organométalliques

Metal-organic frameworks (MOFs) are hybrids formed through the coordination of metal ions and organic linkers in organic solvents. The implementation of ...

Ma recherche vise à évaluer les changements dans le comportement des cellules épithéliales pulmonaires humaines lors de l’exposition à une structure organique métallique, des hybrides formés en combinant des ions métalliques dans des liants organiques dans des solvants organiques. Cette recherche a démontré que la composition physique et chimique des structures organométalliques, ainsi que leurs ratios d’exposition cellulaire, affectent le comportement des cellules épithéliales pulmonaires humaines de manière dépendante du temps et de la dose. Cela peut être enregistré à haut débit en temps réel.Nos recherches permettent d’évaluer, de comprendre les mécanismes de toxicité des structures organométalliques lors de l’exposition aux systèmes cellulaires. La méthode actuelle permet une surveillance continue des cellules en temps réel et à haut débit. De plus, cette méthode ne repose sur aucun réactif externe, ce qui réduit les interférences possibles qu’ils pourraient avoir avec les cadres utilisés pour l’exposition.Notre laboratoire continuera de se concentrer sur la compréhension et l’évaluation des mécanismes de toxicité associés à l’exposition aux nanomatériaux, ainsi que sur l’utilisation de ces informations pour synthétiser de nouveaux systèmes sûrs qui pourraient être mis en œuvre dans des applications biomédicales avec un minimum de risques pour l’utilisateur ou l’environnement.

electric-cell-substrate-sensing-for-real-time-evaluation-metal

Research

Recherche

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingénierie

Le transistor électrochimique organique est intégré avec des cellules vivantes et utilisé pour contrôler le flux d'ions à travers la barrière épithéliale gastro-intestinal. Dans cette étude, une augmentation du flux d'ions, lié à la perturbation des jonctions serrées, induite par la présence du chélateur de calcium EGTA (ethylene glycol-bis (éther bêta-amino-éthyl)-N, N, N ', acétique N'-tétra acide), est mesurée.

Détection de perturbation des tissus barrière avec un transistor électrochimique organique

Des tests de neurotoxicité in vitro améliorés aideraient à identifier de nouveaux composés neuroprotecteurs. L’utilité d’un analyseur de cellules basé sur l’impédance en temps réel pour déterminer la cytotoxicité et la cytoprotection dans les lignées cellulaires neuronales et pour délimiter l’implication des secondes voies messagères, permettant ainsi de mieux comprendre le mécanisme de la neuroprotection, est présentée.

Analyseur portable à base d&#39;impédance en temps réel comme un outil pour délimiter voies moléculaires impliquées dans la neurotoxicité et la neuroprotection dans une lignée cellulaire neuronale

Ce manuscrit décrit comment préparer des biopuces fluidiques avec des cellules épithéliales branchiales de truite arc-en-ciel pour une utilisation dans un capteur d’impédance de substrat de cellule électrique portable sur le terrain.  Le protocole d’exécution d’un test rapide de toxicité de l’eau potable avec le capteur est également décrit.

Préparation et essai d&#39;impédance basée sur biopuces fluidiques avec des cellules RTgill-W1 pour l&#39;évaluation rapide des échantillons d&#39;eau potable pour la toxicité

L’objectif de l’étude était d’évaluer l’impact biologique de 15 constituants de la fumée de cigarette en utilisant une combinaison d’un analyseur de cellules en temps réel basé sur l’impédance et d’une plateforme basée sur le criblage à haut contenu (HCS) pour l’évaluation toxicologique in vitro. Cette étude fournit des informations sur les doses efficaces, la toxicité et les modes d’action des composés testés.

Haut Analyse de dépistage du contenu pour évaluer les effets toxicologiques des composants nocifs et potentiellement dangereux (HPHC)

Ce protocole décrit une stratégie générale pour régénérer des microélectrodes or déployèrent commerciales équipés pour un analyseur de cellules libres étiquette visant à économiser sur les haute marche frais ofmicrochip analyses. Le processus de régénération comprend la digestion trypsique, lavage à l’éthanol et l’eau et une étape de filature, ce qui permet une utilisation répétée des micropuces.

Régénération des microélectrodes or rangés, équipé d’un analyseur de cellule en temps réel

Ce manuscrit décrit l’utilisation de reporters fluorogène génétiquement encodé dans une application de l’imagerie de cellules vivantes pour l’examen du stress oxydatif induit par les xénobiotiques. Cette approche expérimentale offre inégalée de résolution spatio-temporelle, sensibilité et spécificité tout en évitant beaucoup des défauts des méthodes conventionnelles utilisées pour la détection du stress oxydatif toxicologique.

Imagerie des approches pour les évaluations toxicologiques stress oxydatif, à l’aide de capteurs codés génétiquement fluorogène

Cette procédure a été établie pour être utilisée pour développer des cultures hépatiques 3D avancées in vitro, ce qui peut fournir une évaluation plus physiologiquement pertinente des dangers génotoxiques associés aux expositions aux nanomatériaux sur un régime de dose répété aigu ou à long terme.

Modèles hépatiques 3D avancés pour les tests de génotoxicité in vitro après une exposition à long terme aux nanomatériaux

Nous présentons ici le protocole de fabrication d’un dispositif à transistor à effet de champ à modulation de charge organique (OCMFET) pour l’interfaçage cellulaire in vitro . Le dispositif, appelé micro réseau OCMFET, est un dispositif flexible, peu coûteux et sans référence, qui permettra de surveiller les activités électriques et métaboliques des cultures cellulaires électroactives.

In vitro Analyse cellulaire multiparamétrique par des réseaux de transistors à effet de champ à modulation de charge micro organique

Les levés magnétiques ex situ peuvent fournir directement des informations en vrac et locales sur une électrode magnétique pour révéler son mécanisme de stockage de charge étape par étape. Ici, la résonance de spin électronique (ESR) et la susceptibilité magnétique sont démontrées pour surveiller l’évaluation des espèces paramagnétiques et leur concentration dans un cadre organométallique (MOF) rédox-actif.

Caractérisation magnétométrique des intermédiaires dans l’électrochimie à l’état solide de structures métal-organiques rédox-actives

Dans le cadre de ces travaux, nous avons discuté du protocole de conception et de développement d’un dispositif POCT E-Eye-Enable pour détecter Fe, Cr, As et F dans des échantillons environnementaux, des échantillons biologiques, des aliments et des boissons. Près de 2000 échantillons ont été testés, et les résultats sont conformes à la technique de référence.

TD-DFT Technique avancée de détection E-Eye guidée pour la quantification sur site de Fe, Cr, F et As dans les échantillons environnementaux, biologiques et alimentaires

Découvrez la détection électrique cellule-substrat pour évaluer la toxicité des structures organométalliques sur des cellules épithéliales pulmonaires humaines. Cette méthode permet un suivi continu en temps réel sans réactifs externes.

Détection électrique cellule-substrat pour l’évaluation en temps réel des profils toxicologiques des structures organométalliques (Vidéo) | JoVE Journal

Détection électrique cellule-substrat pour l’évaluation en temps réel des profils toxicologiques des structures organométalliques

Explorer plus de vidéos