Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Elektrisk celle-substrat sensing til realtidsevaluering af metal-organiske ramme toksikologiske profiler

Published: May 26, 2023 doi: 10.3791/65313
Automatic Translation
1, 2,3, 1
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, West Virginia University, 2Department of Anthropology for Energy, West Virginia University, 3Department of Hospitality and Tourism, West Virginia University

Summary

Følgende undersøgelse evaluerer den toksikologiske profil af en udvalgt metal-organisk ramme ved hjælp af elektrisk celle-substratimpedans sensing (ECIS), en realtidsscreeningsteknik med høj kapacitet.

Abstract

Metal-organiske rammer (MOF'er) er hybrider dannet ved koordinering af metalioner og organiske bindere i organiske opløsningsmidler. Implementeringen af MOF'er i biomedicinske og industrielle applikationer har ført til bekymringer vedrørende deres sikkerhed. Heri blev profilen af en udvalgt MOF, en zeolitisk imidazolramme, evalueret ved eksponering for humane lungeepitelceller. Platformen for evaluering var en realtidsteknik (dvs. elektrisk celle-substratimpedans sensing [ECIS]). Denne undersøgelse identificerer og diskuterer nogle af de skadelige virkninger af den valgte MOF på de eksponerede celler. Desuden viser denne undersøgelse fordelene ved at bruge realtidsmetoden versus andre biokemiske assays til omfattende celleevalueringer. Undersøgelsen konkluderer, at observerede ændringer i celleadfærd kunne antyde mulig toksicitet induceret ved eksponering for MOF'er med forskellige fysisk-kemiske egenskaber og doseringen af disse rammer, der anvendes. Ved at forstå ændringer i celleadfærd forudser man evnen til at forbedre strategier for sikker design af MOF'er, der skal bruges til biomedicinske applikationer ved specifikt at skræddersy deres fysisk-kemiske egenskaber.

Introduction

Metal-organiske rammer (MOF'er) er hybrider dannet ved kombinationen af metalioner og organiske bindere 1,2 i organiske opløsningsmidler. På grund af de mange forskellige kombinationer har MOF'er strukturel mangfoldighed3, justerbar porøsitet, høj termisk stabilitet og høje overfladearealer 4,5. Sådanne egenskaber gør dem attraktive kandidater i en række applikationer, fra gaslagring 6,7 til katalyse8,9 og fra kontrastmidler 10,11 til lægemiddelleveringsenheder 12,13. Implementeringen af MOF'er i sådanne applikationer har imidlertid givet anledning til bekymring med hensyn til deres sikkerhed for både brugerne og miljøet. Foreløbige undersøgelser har for eksempel vist, at cellulær funktion og vækst ændres ved eksponering af celler for metalioner eller linkere, der anvendes til MOF-syntese 1,14,15. For eksempel demonstrerede Tamames-Tabar et al., at ZIF-8 MOF, en Zn-baseret MOF, førte til flere cellulære ændringer i en human livmoderhalskræftcellelinje (HeLa) og en musemakrofagcellelinje (J774) i forhold til Zr-baserede og Fe-baserede MOF'er. Sådanne virkninger skyldtes formodentlig metalkomponenten i ZIF-8 (dvs. Zn), som potentielt kunne inducere celleapoptose ved rammeopløsning og Zn-ionfrigivelse1. Tilsvarende viste Gandara-Loe et al., at HKUST-1, en Cu-baseret MOF, forårsagede den højeste reduktion i museretinoblastomcellelevedygtighed, når den blev anvendt i koncentrationer på 10 μg / ml eller derover. Dette skyldtes formodentlig Cu-metalionen, der blev inkorporeret under syntesen af denne ramme, som, når den blev frigivet, kunne fremkalde oxidativ stress i de eksponerede celler15.

Desuden viste analysen, at eksponering for MOF med forskellige fysisk-kemiske egenskaber kunne føre til varierende reaktioner fra eksponerede celler. For eksempel demonstrerede Wagner et al., at ZIF-8 og MIL-160 (en Al-baseret ramme), der blev brugt til eksponering af en udødeliggjort human bronchial epitelcelle, førte til cellulære reaktioner afhængige af rammernes fysisk-kemiske egenskaber, nemlig hydrofobicitet, størrelse og strukturelle egenskaber16. Som supplement viste Chen et al., at en koncentration på 160 μg/ml MIL-100(Fe) udsat for humane normale leverceller (HL-7702) forårsagede det største tab i cellulær levedygtighed, formodentlig på grund af metalkomponenten i denne specifikke ramme (dvs. Fe17).

Mens disse undersøgelser kategoriserer MOF'ers skadelige virkninger på cellulære systemer baseret på deres fysisk-kemiske egenskaber og eksponeringskoncentrationer og dermed rejser potentielle bekymringer med rammeimplementering, især inden for biomedicinske områder, er de fleste af disse evalueringer baseret på kolorimetriske analyser med et enkelt tidspunkt. For eksempel blev det vist, at når (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid) tetrazolium (MTT) og vandopløseligt tetrazoliumsalt (WST-1) assays blev anvendt, kunne disse biokemiske reagenser føre til falske positive ved deres interaktioner med partiklerne, som cellerne også blev udsat for18. Tetrazoliumsaltet og neutrale røde reagenser viste sig at have en høj adsorption eller bindingsaffinitet på partiklernes overflader, hvilket resulterede i agentsignalinterferens19. For andre typer assays, såsom flowcytometri, som tidligere viste sig at blive anvendt til vurdering af ændringer i celler udsat for MOF'er20,21, blev det desuden vist, at store problemer skal omgås, hvis en levedygtig analyse af partiklernes skadelige virkninger skal overvejes. Især skal detektionsområder for partiklernes størrelser, især i blandede populationer som dem, der tilbydes af MOF'er eller referencer for de partikler, der anvendes til kalibrering før cellulære ændringer, behandles22. Det blev også vist, at farvestoffet, der blev anvendt under cellemærkning til sådanne cytometriassays, også kunne forstyrre nanopartiklerne, som cellerne blev udsat for23.

Målet med denne undersøgelse var at bruge et evalueringsassay i realtid med høj kapacitet til at vurdere ændringer i celleadfærd ved eksponering for en udvalgt MOF. Realtidsevalueringer kan bidrage til at give indsigt i tidsafhængige virkninger i forbindelse med eksponeringsvinduerne16. Endvidere giver de information om ændringer i celle-substrat-interaktioner, cellemorfologi og celle-celle-interaktioner, samt hvordan sådanne ændringer afhænger af de fysisk-kemiske egenskaber af de relevante materialer og eksponeringstider henholdsvis24,25.

For at demonstrere gyldigheden og anvendeligheden af den foreslåede tilgang blev humane bronchiale epitelceller (BEAS-2B), ZIF-8 (en hydrofob ramme af zeolitisk imidazolat16) og elektrisk celle-substratimpedansdetektion (ECIS) anvendt. BEAS-2B-celler repræsenterer en model for lungeeksponering 26 og er tidligere blevet brugt til at evaluere ændringer ved eksponering af celler for nanoler og deres termisk nedbrudte biprodukter26,27,28 samt vurdere toksiciteten af nanomaterialer, såsom enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er)18. Desuden er sådanne celler blevet anvendt i mere end 30 år som model for lungeepitelfunktion29. ZIF-8 blev valgt på grund af dets brede implementering i katalyse30 og som kontrastmidler31 til bioimaging og lægemiddelafgivelse32 og dermed for det udvidede potentiale for lungeeksponering under sådanne applikationer. Endelig blev ECIS, den ikke-invasive, realtidsteknik, tidligere brugt til at evaluere ændringer i celleadhærens, proliferation, motilitet og morfologi 16,26 som et resultat af en række interaktioner mellem analysander (både materialer og lægemidler) og eksponerede celler i realtid 16,18,28. ECIS bruger en vekselstrøm (AC) til at måle impedansen af celler immobiliseret på guldelektroder, hvor impedansændringerne giver indsigt i ændringer i modstand og kapacitans ved celle-guldsubstratgrænsefladen, barrierefunktion som induceret af celle-celle-interaktioner og over-cellelagsdækning af sådanne guldelektroder33,34. Brug af ECIS muliggør kvantitative målinger i nanoskalaopløsning på en ikke-invasiv realtidsmåde26,34.

Denne undersøgelse vurderer og sammenligner enkelheden og letheden ved evaluering af MOF-inducerede ændringer i cellulær adfærd i realtid med enkeltpunktsanalyseevalueringer. En sådan undersøgelse kunne ekstrapoleres yderligere til evaluering af celleprofiler som reaktion på eksponering for andre partikler af interesse, hvilket muliggør sikker partikeltest ved design og efterfølgende hjælper med implementeringen. Desuden kan denne undersøgelse supplere genetiske og cellulære assays, der er enkeltpunktsevalueringer. Dette kunne føre til en mere informeret analyse af partiklers skadelige virkninger på cellepopulationen og kunne bruges til screening af sådanne partiklers toksicitet på en høj gennemstrømningsmåde16,35,36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ZIF-8 syntese

  1. I dette eksempel skal du bruge et masseforhold på 1:10:100 (metal:linker:opløsningsmiddel) til at syntetisere ZIF-8. Til dette skal du måle zinknitrathexahydrat og registrere målingen. Brug eksemplet masseforhold til at beregne den nødvendige mængde til linkeren, 2-methylimidazol og opløsningsmidlet (dvs. methanol).
  2. Anbring zinknitrathexahydrat og linker i to forskellige hætteglas. Tilsæt halvdelen af den beregnede mængde methanol til zinknitrathexahydratet og den anden halvdel til linkeren. Lad hver opløsning opløses.
  3. Kombiner de to opløsninger (dvs. opløsninger, der indeholder henholdsvis metal og linker). Beholderen med den kombinerede reaktionsopløsning anbringes på en omrøringsplade og omrøres ved 700 o/min i 24 timer ved stuetemperatur (RT).

2. ZIF-8 samling

  1. Når ovennævnte reaktion er afsluttet (dvs. efter 24 timer), anbringes opløsningen i 50 ml centrifugeglas og centrifugeres ved 3,075 x g i 5 minutter (der anvendes lige store mængder og rotoren afbalanceres). En eller flere supernatanter fjernes fra de centrifugerede glas.
  2. Tilsæt methanol (5-15 ml) til centrifugeglassene og redisperser partiklerne.
  3. Gentag centrifugerings- og vasketrinnene mindst to til fire gange mere. Efter den sidste vask tømmes supernatanten.
    BEMÆRK: Vasketrinnene fjerner alle ikke-udfældede arter.
  4. Fjern lågene på rørene, og læg parafilmtape over toppen; Stik derefter huller i parafilmen. Glasset/glassene med prøven anbringes i et vakuumkammer ved RT for at tørre i 24 timer.

3. ZIF-8 overflademorfologi (scanningelektronmikroskopi [SEM])

  1. Monter de tørre pulvere af ZIF-8 på kulstoftape og sputter i 120 s med guldpalladium for at forhindre opladning, der kan forekomme under SEM-analysen.
  2. Indstil mikroskopets accelererende spænding til 15 kV. Bring partiklerne i fokus, og juster forstørrelsen (forstørrelser på 500x, 1.000x, 1.500x, 4.000x, 10.000x, 20.000x, 30.000x og 40.000x blev brugt.)
  3. Afbild partiklerne under forstørrelsen, der tillader både en klar partikelstørrelse og morfologivurdering (anbefales at overveje intervaller for partikler på 5 μm, 10 μm og 20 μm).
  4. Indsaml data fra mindst tre forskellige synsfelter, og overvej forskellige forstørrelser for hver.

4. ZIF-8 elementær sammensætning

  1. Følg trinnene for SEM-billeddannelse.
  2. Brug den energidispersive røntgen (EDX) spektroskopienhed i SEM-mikroskopet til at analysere prøvens elementære sammensætning.
  3. Sørg for, at SEM-accelerationsspændingen og forstørrelsen matcher EDX-skærmen. Sluk for det infrarøde kamera på SEM-mikroskopet.
  4. På EDX-skærmen skal du gå til Collect Spectrum og indtaste en indsamlingstid på 200 s. Dette anbefales for at undgå partikelfyldning og opløsning, der kan føre til falske evalueringer.
  5. Indsaml data fra mindst tre forskellige synsfelter. Når indsamlingen er færdig, skal du analysere dataene og identificere de elementer, der er af interesse.

5. Cellekultur

  1. Kultur udødeliggjort BEAS-2B celler i medier suppleret med 5% føtalt bovin serum (FBS) og 0,2% penicillin / streptomycin.
    BEMÆRK: Passager mellem 5-10 skal bruges til at sikre, at der ikke tidligere har fundet fænotypiske ændringer sted i den cellebatch, der anvendes37 (alle reagenser er angivet i materialetabellen).
  2. Tag en 100 mm cellekulturplade og læg 10 ml af mediet på pladen. Der tilsættes 1 ml BEAS-2B-celleopløsning til pladen.
  3. Pladen anbringes i en inkubator (37 °C, 5% CO2) og lader cellerne vokse.
  4. Kontroller pladen efter 24 timer for at afgøre, om cellerne har nået 80% sammenløb. Heri refererer 80% sammenløbet til procentdelen af overfladen dækket af klæbende celler. Hvis ikke, skift mediet og lad cellerne vokse, indtil 80% sammenløbsniveauet er nået.

6. Celletælling

  1. Når cellerne på pladen har nået en sammenløb på 80%, fjernes mediet fra pladen. Pladen vaskes med 5 ml fosfatbufret saltvand (PBS).
  2. Fjern PBS fra pladen. Tilsæt 2 ml trypsin til pladen og læg den i inkubatoren (37 ° C, 5% CO 2) i2 minutter.
  3. Tilsæt 2 ml medier til pladen, og pipet mediet op og ned for at fjerne cellerne fra pladen. Overfør opløsningen til et 15 ml glas og centrifuger ved 123 x g i 5 min.
  4. Supernatanten tages ud af glasset og tilsættes 2 ml substrat. Pipet mediet op og ned for at sprede cellerne igen.
  5. Brug et 1,5 ml rør til at tilsætte 20 μL trypanblåt og derefter 20 μL af celleopløsningen (forholdet 1:1 trypanblå:celleopløsning).
  6. Anbring 10 μL af celleblandingen på et glasglas og anbring den på en automatisk celletæller. Vent, indtil skærmen kommer i fokus, og vælg derefter optag.
  7. Skærmen viser de levende cellenumre og cellelevedygtighed. Måleområdet strækker sig fra 1 x 104-1 x 107 celler.
  8. Alternativt kan du tælle cellerne manuelt ved hjælp af et hæmocytometer.
    1. Til dette tilsættes 15-20 μL af trypanblåbehandlet celleopløsning til hæmocytometeret.
    2. Brug et opretstående mikroskop med et 10x objektivt fokus på hæmocytometerets gitterlinjer.
    3. Tæl antallet af celler i de fire ydre firkanter, og divider tallet med fire. Gang derefter med 10,000 for at få det levende celletal.
    4. For at beregne cellelevedygtighed skal du lægge det levende og døde celleantal sammen for at opnå det samlede celleantal og derefter dividere det levende celleantal med det samlede celletal.

7. ZIF-8 dosis forberedelse

  1. Lav en ZIF-8 stamopløsning på 1 mg / ml. Til dette måles mængden af ZIF-8 og tilsættes deioniseret (DI) vand til partiklerne for at nå en koncentration på 1 mg / ml.
  2. Sonikere (sæt sonikatoren til sonics) ZIF-8 stamopløsningen i 2 minutter med 30 s intervaller i et vandbad.
  3. Lav forskellige doser af ZIF-8 til cellulære eksponeringer ved at beregne mængden af stamopløsning og Dulbeccos modificerede ørnemedium (DMEM), der er nødvendigt for at nå de ønskede doser ved hjælp af ligningen C 1 V1= C 2 V2. Doserne vil variere fra 0-950 μg/ml.
    BEMÆRK: I dette eksperiment blev doser på 0 μg / ml, 1 μg / ml, 10 μg / ml, 50 μg / ml, 100 μg / ml, 250 μg / ml, 500 μg / ml, 750 μg / ml og 950 μg / ml valgt.

8. Halvmaksimal hæmmende koncentration (IC 50)

  1. Efter celletælling frø BEAS-2B-cellerne med en densitet på 4 x 104 celler / ml i en 96-brøndplade med et volumen på 100 μL / brønd.
    1. For at opnå en massefylde på 4 x 104 celler / ml skal du bruge C 1V1 = C 2 V2til at beregne mængden af celleopløsning, der skal kombineres med mediet.
    2. Sørg for at opretholde tomme brønde for hver dosis; Lad disse brønde være tomme indtil ZIF-8-eksponering.
  2. 96-brøndpladen anbringes i inkubatoren ved 37 °C og 5% CO2 og lader cellerne vokse til et sammenflydende monolag i 24 timer.
  3. Fjern mediet fra brøndene og udsæt BEAS-2B-cellerne for ZIF-8-doser fra 0-950 μg / ml. Der tilsættes 100 μL ZIF-8 til deres respektive tomme felter og cellehuller.
  4. Placer pladerne med 96 brønde tilbage i inkubatoren for en eksponeringstid på 48 timer.
  5. Efter eksponeringen tilsættes 10 μL 4-[3-(4-idophenyl)-2-(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]-1,3-benzendisulfonat (WST-1) til hvert hul (blindprøve- og cellehuller) og inkuberes i 2 timer. Medierne forbliver i brøndene; Forholdet er 1:10 (reagens: medier).
  6. Absorbansændringerne aflæses på en pladelæser med en absorbans på 485 nm.
  7. Beregn cellelevedygtigheden gennem softwaren for at bestemme IC 50-værdien (se afsnit10 ).

9. Elektrisk celle-substrat impedans sensing (ECIS)

  1. Brug en plade med 96 brønde (96W10idf) til at udføre ECIS-analyse. Pladen28 indeholder interdigiterede fingerforbindelseselektroder, der dækker et areal på ca. 4 mm2.
  2. Test først, at alle brønde læses af sensorerne. For dette skal du placere 96-brøndpladen på brøndstationen og klikke på knappen Opsætning .
  3. Hvis brøndene er tilsluttet korrekt, vises grønt; Alle ikke-forbundne brønde identificeres som røde. Hvis et sådant tilfælde opstår, skal du fjerne og genindsætte brøndpladen og klikke på knappen Opsætning igen, indtil alle brønde tilbyder levedygtige grønne aflæsninger.
  4. Stabiliser elektroderne i 40 minutter med 200 μL medier pr. brønd for at forhindre potentiel afdrift. Der tilsættes 200 μL medier til hver anvendt brønd, og 96-brøndpladen anbringes derefter på ECIS-stationen. Klik på Opsætning/kontrol for at sikre, at pladen er korrekt tilsluttet. Klik på Stabiliser.
  5. Når stabiliseringen er fuldført, skal du fjerne pladen fra stationen og fjerne mediet fra hvert hul.
  6. BEAS-2B-cellerne besås med en massefylde på 4 x 104 celler/ml med et volumen på 100 μL pr. hul i hullerne, der indeholder cellerne, og pladen anbringes på ECIS-stationen i inkubatoren.
  7. Klik på Kontroller på skærmen for at bestemme, at alle elektroderne læses af sensorerne på stationen.
  8. Konfigurer tidsbanemålingen ved at vælge Flere frekvenser/tid (MFT). Programmet måler hver brønd ved syv forskellige frekvenser.
  9. Klik på Start , og lad det køre i 24 timer, så cellerne kan danne et sammenflydende monolag.
  10. Efter 24 timer vil brøndene, der indeholder celler, vise øget modstand på skærmen. Dette er en indikator for, at celler har fastgjort til elektroderne.
  11. Tryk på Pause på skærmen for at stoppe dataindsamlingen.
  12. ZIF-8-doserne ved, over og under den beregnede IC50-værdi ved at følge trinene beskrevet i afsnit 7 ovenfor.
  13. Udsæt ZIF-8-nanopartiklerne for deres respektive blank- og cellebrønde med et volumen på 100 μL pr. brønd, og placer 96-brøndpladen tilbage på stationen.
  14. Klik på Kontroller igen på skærmen for at sikre, at sensorerne læser alle elektroderne. Klik på Genoptag og lad systemet køre i 72 timer for at overvåge cellulær adfærd og vedhæftning.
  15. Når dataindsamlingen er afsluttet, skal du klikke på Udfør på skærmen. Hvis du vil gemme filen, skal du klikke på Filer > Gem som. Gem dataene som en regnearksfil.
  16. For at få alfaparametrene skal du klikke på Model. På pop op-skærmen skal du klikke på Kun mediebrønd og derefter vælge den brønd, der kun har medier.
  17. Klik på Indstil ref. Klik på Find på skærmen.
  18. Hvis det hul, der vises i systemet, ikke er det samme som det, der blev valgt, skal du gentage trin 9.16.
  19. Klik på Indstil. Klik på Fit T-Range for at bestemme det ønskede tidsinterval for dataindsamling.
  20. Mens det behandles, skal du klikke på Alpha. Når systemet er færdig med analysen, skal du klikke på Gem RbA og gemme den som en regnearksfil.
    BEMÆRK: Se ECIS-manualen, som findes på producentens websted38.

10. Analyse af data

  1. SEM
    1. Åbn billedbehandlingssoftwaren for at analysere SEM-billederne. Klik på Filer > Åbn, og vælg derefter det billede, der skal analyseres.
    2. Klik på Billede > Skriv > 8 bit for at konvertere billedet til gråtoner for at udføre tærskeloperationen.
    3. Kalibrer afstandsmålingen af pixels til mikron. Klik på værktøjet Straight-Line og spor længden af hver partikel, der skal måles.
    4. Klik på Analysér og derefter på Indstil skalering. Den kendte afstand indstilles til længden af størrelsen på skalabjælken på SEM-billedet. Den kendte længdeenhed indstilles til mikron. Markér Global , og tryk på OK.
    5. Klik på værktøjet Straight-Line og spor partiklens diameter, og vælg derefter Analysér og mål. Optag længderesultatet.
    6. Gentag for alle de indsamlede billeder. Alle diametre beregnes som gennemsnit fra mindst 60 partikler for en passende statistisk vurdering.
  2. EDX
    1. Gennemsnit alle vægtprocenterne for hvert element sammen fra alle de indsamlede billeder (se EDX-afsnittet ovenfor).
    2. Brug et regneark til at tegne et søjlediagram for hvert element på x-aksen og deres gennemsnitlige elementvægtprocent på y-aksen.
  3. IC50
    1. Gennemsnittet af de tomme felter og gennemsnittet af dosishullerne for hver replikat anvendes.
    2. Den justerede blindprøve beregnes ved at trække gennemsnittet af kontrolblinde fra gennemsnittet af dosisblinde. Beregn den sande celleværdi for hver dosis ved at trække det justerede blindprøve fra den gennemsnitlige dosisværdi.
    3. Den justerede blindprøve for hver dosis trækkes fra den gennemsnitlige kontrolværdi. Beregn cellelevedygtigheden for hver dosis ved hjælp af ligningen: cellelevedygtighed = (sand celleværdi / (kontrolværdi - justeret blindværdi)) x 100.
    4. Gentag dette for alle andre replikater.
    5. Gennemsnit cellelevedygtigheden for hver replikat sammen for at få den endelige cellelevedygtighed for hver dosis.
    6. I softwaren skal du vælge fanen XY på skærmen.
    7. Indtast koncentrationsværdierne (dosis) i X-kolonnen og cellelevedygtigheden (%) fra hver dosis i Y-kolonnen.
    8. Transformér X-værdierne ved at klikke på Analysér > Transformér > OK og Transformér X = Log(X).
    9. Normaliser Y-værdierne ved at vælge arket Transformerede data , klikke på Analysér og derefter vælge Normaliser.
    10. Vælg dataarket Normaliser transformer , klik på Analysér, og vælg Ikke-lineær regression (kurvetilpasning). Vælg Dosis-respons-hæmning, og klik på Log( Inhibitor) Vs. responsvariabel hældning (fire parametre). Klik på OK for at se resultaterne.
  4. ECIS
    1. Fra regnearket skal du tage modstandskolonnerne (ohm) for hver replikat (tomme brønde og dosisbrønde) og beregne gennemsnittet af dem sammen fra frekvensen på 4.000 Hz. Denne frekvens tillader evaluering af celle-cellekontakt38.
    2. Den korrigerede resistens beregnes ved at trække den gennemsnitlige blindprøve fra den gennemsnitlige dosis for hver replikat. Gennemsnittet af den korrigerede resistens for replikaterne for hver dosis.
    3. Gentag de samme trin for alfaværdierne for at beregne den gennemsnitlige alfaparameter. X-aksen afbildes som tid (h) og y-aksen som de gennemsnitlige modstands-/alfaværdier for hver dosisværdi.

11. Statistisk analyse

  1. SEM
    1. Udfør en standardafvigelse i regnearksfilen, hvor ZIF-8-partiklernes gennemsnitlige diametre blev beregnet.
    2. Brug STDEV-funktionen i regnearket til at fremhæve dataene for de 60 partikler og klikke på Enter. Graf standardafvigelsen for hver beregnet gennemsnitsdiameter.
  2. EDX
    1. I lighed med SEM (trin 11.1.1-11.1.2) beregnes standardafvigelsen for hver gennemsnitlig elementær sammensætning ved hjælp af STDEV-funktionen i regnearket. Graf standardafvigelserne for hver gennemsnitlig elementær sammensætning.
  3. IC50
    1. Åbn softwaren, der bruges til at beregne IC50 , og klik på Grupperet datablad.
    2. Indtast ZIF-8-doserne i rækkerne mærket gruppe A, gruppe B osv. Indtast den gennemsnitlige cellelevedygtighed for hver dosis, og repliker i kolonnen, der svarer til ZIF-8-dosis.
    3. Klik på Analysér, og vælg Envejs ANOVA (og ikke-parametrisk eller blandet) under Kolonneanalyser.
    4. På fanen Eksperimentelt design skal du vælge Ingen matchning eller parring. Under Gaussisk fordeling af residualer skal du vælge Ja brug ANOVA. Til sidst skal du vælge Ja Brug almindelig ANOVA Test under Antag lige SD'er.
    5. Under fanen Flere sammenligninger skal du vælge Sammenlign middelværdien af hver kolonne med middelværdien af en kontrolkolonne. Klik på OK for at se resultaterne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjælp af en fælles in vitro-modelcellelinje39 (BEAS-2B) havde denne undersøgelse til formål at demonstrere gennemførligheden og anvendeligheden af ECIS til at vurdere ændringer i celleadfærd ved eksponering for en laboratoriesyntetiseret MOF. Denne ændringsvurdering blev suppleret med analyse gennem konventionelle kolorimetriske assays.

Rammens fysisk-kemiske egenskaber blev først evalueret for at sikre reproducerbarheden af de anvendte metoder, gyldigheden af de opnåede resultater og de relevante diskussioner af sådanne resultater. Analysen af overflademorfologien af ZIF-8 blev for eksempel udført gennem SEM; billeder viste, at rammerne viste en rhombisk dodekaedermorfologi40 og havde en gennemsnitlig størrelse på 62,87 nm ± 9,61 nm (figur 1A). MOF'ernes grundstofsammensætning blev bestemt viaEDX-spektroskopi. Resultaterne viste, at hovedsammensætningen af ZIF-8 bestod af C, N og Zn (dvs. sammensætningen af imidazolatlinkeren og metalionen, Zn16) (figur 1B). Tidligere røntgendiffraktion viste, at ZIF-8 krystallinske faser har identificeret specifikke toppe ved 10,33 °, 12,8 °, 14,7 °, 16,5 ° og 18 °, hvor sådanne toppe tilskrives planer (002), (112), (022), (013) og (222), henholdsvis 16,41.

Til den foreslåede screening af celleadfærd blev IC 50 (koncentration, hvor ZIF-8 hæmmer cellevækst med50 %) bestemt29. Til dette blev celler udsat for ZIF-8 i 48 timer ved doser fra 0-950 μg / ml (figur 2A). Dosis-responsgrafen for eksponerede celler er vist i figur 2B med den efterfølgende registrerede IC50 på 35,7 μg/ml. Derudover afslørede analysen en dosisafhængig tendens i cellernes levedygtighed ved eksponering for ZIF-8.

Efter bestemmelse af IC50 blev ECIS-analysen udført. Kort fortalt blev ECIS anvendt som en realtidsscreeningsstrategi for BEAS-2B eksponeret for ZIF-8 MOF'er ved IC50 såvel som under og over denne koncentration, nemlig henholdsvis 15,7 μg/ml (C1), 35,7 μg/ml (C2), 55,7 μg/ml (C3) og 75,7 μg/ml (C4), hvor cellerne blev eksponeret i en samlet periode på 72 timer. Inkluderingen af ECIS var tænkt for at give indsigt i at bestemme ændringer i celledækning, morfologi og levedygtighed, alt sammen i realtid. ECIS-resultaterne blev registreret som ændringer i resistens og ændringer i celle-substrat-interaktioner, nemlig alfaparameter42.

Resistenstendenserne vises i figur 3A som ændringer i profilerne for cellerne behandlet med ZIF-8 sammenlignet med kontrollen (sort linje) (dvs. ikke-eksponerede celler). Specifikt viste analysen, at brøndene indeholdende celler på guldelektroderne udsat for C2-C4-doser viste en indledende lille stigning i resistens umiddelbart efter celleeksponering for rammerne (alle i forhold til kontrollen [dvs. ueksponerede celler]). Disse indledende ændringer blev efterfølgende efterfulgt af kraftige fald i registrerede modstande, hvor sådanne fald var fremherskende mellem 6-8 timer fra eksponeringen (figur 3A). Et fuldstændigt tab i resistens blev observeret efter 14-18 timer fra eksponeringstiden. Celler udsat for doser under IC50-værdien viste modstande, ligesom brøndene med kontrolceller, indtil ca. 16-18 timer fra eksponeringen, når resistenstab forekommer. Under den cellulære eksponering blev der også observeret en kontinuerlig signalforstyrrelse af signalet fra de brønde, der blev anvendt i eksperimenterne. Disse forstyrrelser fortsatte under analysen af alfa-parameteren (figur 3B), hvor denne analyse yderligere viste, at eksponerede celler ændrer deres celle-substrat-interaktioner med profiler svarende til resistenscellerne. Desuden var sådanne ændringer afhængige af tiden fra eksponeringen og den dosis, der blev anvendt ved en sådan eksponering.

Figure 1
Figur 1: SEM-billede og gennemsnitlig grundstofsammensætning ZIF-8-partikler. (A) Repræsentativt SEM-billede af ZIF-8-partikler. B) Gennemsnitlig grundstofsammensætning af ZIF-8-partikler (± standardafvigelse [SD] søjler). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Cellelevedygtighed. (A) Cellebehandlingsskema (oprettet med Biorender.com). B) levedygtighed af BEAS-2B-celler, der udsættes for ZIF-8-partikler ved doser fra 0-950 μg/ml denne analyse blev anvendt til at bestemme IC50 (± SD-søjler; ***p = 0,0001 og **** p < 0,0001 i forhold til kontrollen). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Repræsentativ cellulær modstand og ændringer i cellulær binding. (A) Repræsentativ cellulær resistens af BEAS-2B-celler udsat for ZIF-8-partikler under, ved og over IC50-koncentrationen. (B) Ændringer i den cellulære binding (dvs. ændringer i alfa-parameteren) af BEAS-2B-celler, når de udsættes for ZIF-8-partikler under og over IC50-koncentrationen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tidligere analyser viste, at ECIS kunne bruges til at vurdere adfærden hos celler udsat for analysander (dvs. kulstofnanorør35, lægemidler43 eller nanoler16). Desuden anvendte Stueckle et al. ECIS til at evaluere toksiciteten af BEAS-2B-celler udsat for nanoler og deres biprodukter og fandt, at den cellulære adfærd og vedhæftning var afhængig af sådanne materialers fysisk-kemiske egenskaber42. Heri foreslog vi at bestemme de mulige ændringer af BEAS-2B-celler som reaktion på eksponering for MOF'er for således at bidrage til den viden, der sigter mod at differentiere eventuelle skadelige virkninger af ZIF-8 på cellulære systemer in vitro, alt sammen på en høj gennemstrømning og realtidsmåde.

Analysen tillod først evaluering af rammeegenskaber for således at hjælpe med at korrelere ændringerne i cellulær adfærd til de fysisk-kemiske egenskaber hos de testede MOF'er44. Specifikt ved cellulær eksponering for MOF'er med regelmæssige geometrier af lignende elementær sammensætning (se resultater ovenfor) viste analysen ændringer i cellulær adfærd, formodentlig som følge af optagelsen af rammerne og deres profilcellulære nedbrydning. Specifikt med hensyn til optagelsen viste tidligere analyser af toksicitet på hydrofobe materialer, såsom denne ramme, at når sådanne materialer udsættes for celler, er deres optagelse mere forstyrrende for en cellemembran end optagelsen af deres hydrofile modstykker, formodentlig på grund af deres evne til at fjerne lipider fra membranens strukturelle dobbeltlag16, 45 under deres cellulære translokation, hvilket fører til membrandysfunktioner eller plasmamembranforstyrrelser46,47. Især viste lipidfjernelse sig at føre til ændringer i membranintegritet, cellesignalering48 og en stigning i cellulær optagelse49 med en ulempe ved cellefunktionseffekter. For eksempel viste Farcal et al., at et hydrofobTiO2-nanomateriale havde en øget cytotoksisk virkning sammenlignet med dets hydrofile modstykke i eksponerede alveolære makrofager50. Derudover viste Wagner et al., at hydrofob ZIF-8 forårsagede mere forstyrrelse af BEAS-2B-celler sammenlignet med hydrofil MIL-16016.

De registrerede ændringer i celleadfærd skyldes formodentlig forstyrrelser i celle-substrat-interaktioner26 og/eller cellelevedygtighed og proliferation16 på elektroderne som følge af celleeksponering for den valgte ramme. For eksempel evaluerede Wagner et al. lignende parametre i celler udsat for nanoler. Forfatterne fandt, at et fuldstændigt tab i celle-substrat-interaktion blev observeret i løbet af 72 timers eksperimenter. Derudover demonstrerede forfatterne en tidsafhængig effekt på cellelevedygtighed og spredning, når BEAS-2B'erne blev udsat for deres udvalgte nanoler26. Mens partiklerne, der testes heri, er MOF'er, er den mulige udvidede tilknytning til de virkninger, der ses for nanoler, mulig, da nogle af de fysisk-kemiske egenskaber ved disse partikler (nemlig størrelse, hydrofobicitet og sammensætning) ligner MOF'erne. Desuden viste Stueckle et al. også tids- og behandlingsafhængig cellulær adfærd, når nanoler blev udsat for udødeliggjorte BEAS-2B-celler. Andre har vist, at ZIF-8 i en dosis på 100 μg / ml får BEAS-2B-celler til at have et fuldstændigt tab i cellemonolaget og cellelevedygtigheden, formodentlig på grund af ændringer i celle-substrat-interaktioner16. Det bemærkes imidlertid, at ZIF-8-partiklerne i sådanne undersøgelser blev opnået under forskellige syntesebetingelser (dvs. 10 min versus 24 timer anvendt i denne undersøgelse), hvor sådanne syntesebetingelser efterfølgende resulterede i forskellige former / morfologier af rammerne for således at understøtte tidligere konklusioner. Dette viser, at reaktionstiden6, temperatur2 og opløsningsmiddel44 , der anvendes under partikelsyntese, påvirker deres form, størrelse og sammensætningsprofiler og efterfølgende fører til differentielle effekter og adfærd i eksponerede celler.

Analysen viste også, at celler udsat for ZIF-8-doser under IC50-værdien viste resistenser svarende til kontrollernes, formodentlig da sådanne doser ikke var signifikante nok til at inducere ECIS-observerbar celletransformation under de betingelser og den tidsramme, disse eksperimenter blev udført i. Ved doser over IC50 blev der imidlertid observeret et fuldstændigt tab i cellulær resistens og kun inden for få timer efter eksponeringen, sandsynligvis på grund af ændringer i cellelevedygtighed og inducerede mulige ændringer i celle-substratinteraktioner16 (figur 3A). Disse påstande understøttes af tidligere undersøgelser, der viste, at ikke-levedygtige celler ændrer deres form og løsner sig fra substraterne. For eksempel brugte Verma et al. en realtids impedanssensorteknik til at vurdere cytotoksiciteten af nanoler i en human alveolær epitelcellelinje (A549). Det blev vist, at nanoler af blodpladetypen forårsagede en stigning i antallet af løsrevne og deformerede celler sammenlignet med nanoler af rørformet type51. Derudover demonstrerede Xiao et al., at cytoskelettet af fibroblastiske V79-celler blev kompromitteret, når det blev udsat for cadmiumchlorid på grund af en tilstrømning af vand, ekstracellulære ioner og cytotoksiske kemikalier fra kulturmediet. Ændringerne i cellecytoskelet førte til tab af celle-substratinteraktioner. Når benzalkoniumchlorid blev udsat for V79-celler, var der desuden et signifikant fald i cellulær resistens på grund af beskadigelse af cellemembranen, som eksponeringen forårsagede52.

Ændringer i resistens kan også skyldes cellereaktionerne på ZIF-8's fysisk-kemiske egenskaber. Især er ZIF-8 en hydrofob ramme; Tidligere analyser har vist, at hydrofobicitet kan forårsage en stigning i toksicitet16. Metalioner, såsom Zn, har også tidligere vist sig at fremkalde en højere grad af toksicitet sammenlignet med andre metaller som Zr og Fe1 , nemlig muligvis bidrager til højere cellulær død.

Det blev yderligere vist, at alle celler registrerede et indledende fald i resistens lige efter eksponering, efterfulgt af en efterfølgende stigning. Eldawud et al. viste lignende virkninger, når SWCNT'er blev udsat for BEAS-2B-celler. Forfatterne fortolkede stigningen i cellulær resistens som værende på grund af, at BEAS-2B-cellerne overvandt forstyrrelserne forårsaget af materialers eksponering og efterfølgende genvandt deres integritet18 , alt imens elektrodedriftelimineres 28 for således at sikre reproducerbarheden af dataanalysen (se ECIS-håndbog).

Selvom denne undersøgelse viste, at ECIS kunne være et værdifuldt værktøj til brug i screening af celleadfærd, især på grund af high-throughput-funktionen, anbefales det, at teknikken ikke erstatter enkelttidsanalyser, når der ønskes et fuldstændigt billede af et materiales skadelige vurdering. Navnlig kan enkeltpunktsanalysen yderligere muliggøre evaluering af celletransformation på deres genetiske niveau 45,53, som vist af Eldawud et al., f.eks. for BEAS-2B-celler eksponeret for nanodiamanter og gennem fluorescensaktiveret cellesortering (FACS)45.   Yu et al., brugte også FACS til at evaluere humane tyktarmskræftceller (HCT0116) udsat for hyaluronsyremodificerede mesoporøse silicananopartikler (HA-MSN'er)54.

De fremlagte resultater tyder på, at ændringsvejen afhænger af MOF'ernes fysisk-kemiske egenskaber samt tid og dosering af sådanne rammer, der anvendes i eksponeringer. Resultaterne og metoderne beskrevet heri understreger yderligere vigtigheden af realtidsmålinger og deres fordele i forståelsen af ændringerne i cellulære profiler. Disse kan potentielt suppleres med yderligere biokemiske assays for at evaluere toksicitetsmekanismen, hvilket fører til strategier for sikker design af MOF'er, der ikke har nogen skadelige virkninger på celleadfærd, registreret som cellebinding, celle-celle-interaktioner eller celle-substrat-interaktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne rapporterer ingen interessekonflikter i dette arbejde.

Acknowledgments

Dette arbejde blev delvist finansieret af National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) T32-program (T32 GM133369) og National Science Foundation (NSF 1454230). Derudover anerkendes WVU Shared Research Facilities og Applied Biophysics assistance og støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tamames-Tabar, C., et al. Cytotoxicity of nanoscaled metal-organic frameworks. Journal of Materials Chemistry. B. 2 (3), 262-271 (2014).
  2. Lin, W. X., et al. Low cytotoxic metal-organic frameworks as temperature-responsive drug carriers. ChemPlusChem. 81 (8), 804-810 (2016).
  3. Vasconcelos, I. B., et al. Cytotoxicity and slow release of the anti-cancer drug doxorubicin from ZIF-8. RSC Advances. 2 (25), 9437-9442 (2012).
  4. Yang, B. C., Shen, M., Liu, J. Q., Ren, F. Post-synthetic modification nanoscale metal-organic frameworks for targeted drug delivery in cancer cells. Pharmaceutical Research. 34 (11), 2440-2450 (2017).
  5. Lucena, M. A. M., et al. Application of the metal-organic framework Eu(BTC) as a luminescent marker for gunshot residues: A synthesis, characterization, and toxicity study. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (5), 4684-4691 (2017).
  6. Kayal, S., Sun, B. C., Chakraborty, A. Study of metal-organic framework MIL-101(Cr) for natural gas (methane) storage and compare with other MOFs (metal-organic frameworks). Energy. 91, 772-781 (2015).
  7. Gutov, O. V., et al. Water-stable zirconium-based metal-organic framework material with high-surface area and gas-storage capacities. Chemistry. 20 (39), 12389-12393 (2014).
  8. Ghorbanloo, M., Safarifard, V., Morsali, A. Heterogeneous catalysis with a coordination modulation synthesized MOF: morphology-dependent catalytic activity. New Journal of Chemistry. 41 (10), 3957-3965 (2017).
  9. Valvekens, P., et al. Base catalytic activity of alkaline earth MOFs: a (micro) spectroscopic study of active site formation by the controlled transformation of structural anions. Chemical Science. 5 (11), 4517-4524 (2014).
  10. Taylor, K. M. L., Rieter, W. J., Lin, W. B. Manganese-based nanoscale metal-organic frameworks for magnetic resonance imaging. Journal of the American Chemical Society. 130 (44), 14358-14359 (2008).
  11. Taylor-Pashow, K. M. L., Della Rocca, J., Xie, Z. G., Tran, S., Lin, W. B. Postsynthetic modifications of iron-carboxylate nanoscale metal-organic frameworks for imaging and drug delivery. Journal of the American Chemical Society. 131 (40), 14261-14263 (2009).
  12. Kundu, T., et al. Mechanical downsizing of a gadolinium(III)-based metal-organic framework for anticancer drug delivery. Chemistry. 20 (33), 10514-10518 (2014).
  13. Orellana-Tavra, C., et al. Drug delivery and controlled release from biocompatible metal-organic frameworks using mechanical amorphization. Journal of Materials Chemistry. B. 4 (47), 7697-7707 (2016).
  14. Su, H. M., et al. A highly porous medical metal-organic framework constructed from bioactive curcumin. Chemical Communications. 51 (26), 5774-5777 (2015).
  15. Gandara-Loe, J., et al. Metal-organic frameworks as drug delivery platforms for ocular therapeutics. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (2), 1924-1931 (2019).
  16. Wagner, A., et al. Toxicity screening of two prevalent metal organic frameworks for therapeutic use in human lung epithelial cells. International Journal of Nanomedicine. 14, 7583-7591 (2019).
  17. Chen, G. S., et al. In vitro toxicity study of a porous iron(III) metal-organic framework. Molecules. 24 (7), 1211 (2019).
  18. Eldawud, R., Wagner, A., Dong, C. B., Rojansakul, Y., Dinu, C. Z. Electronic platform for real-time multi-parametric analysis of cellular behavior post-exposure to single-walled carbon nanotubes. Biosensors & Bioelectronics. 71, 269-277 (2015).
  19. Kroll, A., Pillukat, M. H., Hahn, D., Schnekenburger, J. Current in vitro methods in nanoparticle risk assessment: Limitations and challenges. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 72 (2), 370-377 (2009).
  20. Lucena, F. R. S., et al. Induction of cancer cell death by apoptosis and slow release of 5-fluoracil from metal-organic frameworks Cu-BTC. Biomedicine & Pharmacotherapy. 67 (8), 707-713 (2013).
  21. Orellana-Tavra, C., et al. Tuning the endocytosis mechanism of Zr-based metal-organic frameworks through linker functionalization. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (41), 35516-35525 (2017).
  22. Zucker, R. M., Ortenzio, J. N. R., Boyes, W. K. Characterization, detection, and counting of metal nanoparticles using flow cytometry. Cytometry. Part A. 89 (2), 169-183 (2016).
  23. Robson, A. L., et al. Advantages and limitations of current imaging techniques for characterizing liposome morphology. Frontiers in Pharmacology. 9, 80 (2018).
  24. Giaever, I., Keese, C. R. Micromotion of mammalian cells measured electrically. Proceedings of the National Academy of Sciences. 88 (17), 7896-7900 (1991).
  25. Wegener, J., Keese, C. R., Giaever, I. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) as a noninvasive means to monitor the kinetics of cell spreading to artificial surfaces. Experimental Cell Research. 259 (1), 158-166 (2000).
  26. Wagner, A., et al. Toxicity evaluations of nanoclays and thermally degraded byproducts through spectroscopical and microscopical approaches. Biochimica et Biophysica Acta. General Subjects. 1861, 3406-3415 (2017).
  27. Wagner, A., et al. Early assessment and correlations of nanoclay's toxicity to their physical and chemical properties. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (37), 32323-32335 (2017).
  28. Wagner, A., et al. Incineration of nanoclay composites leads to byproducts with reduced cellular reactivity. Scientific Reports. 8 (1), 10709 (2018).
  29. Zhao, F., Klimecki, W. T. Culture conditions profoundly impact phenotype in BEAS-2B, a human pulmonary epithelial model. Journal of Applied Toxicology. 35 (8), 945-951 (2015).
  30. Wu, S. X., Wang, W. H., Fang, Y. Z., Kong, X. J., Liu, J. H. Efficient Friedel-Crafts acylation of anisole over silicotungstic acid modified ZIF-8. Reaction Kinetics Mechanisms and Catalysis. 122, 357-367 (2017).
  31. Shu, F. P., et al. Fabrication of a hyaluronic acid conjugated metal organic framework for targeted drug delivery and magnetic resonance imaging. RSC Advances. 8 (12), 6581-6589 (2018).
  32. Shi, Z. Q., et al. FA-PEG decorated MOF nanoparticles as a targeted drug delivery system for controlled release of an autophagy inhibitor. Biomaterials Science. 6 (10), 2582-2590 (2018).
  33. Ebrahim, A. S., et al. Functional optimization of electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) using human corneal epithelial cells. Scientific Reports. 12 (1), 14126 (2022).
  34. Szulcek, R., Bogaard, H. J., van Nieuw Amerongen, G. P. Electric cell-substrate impedance sensing for the quantification of endothelial proliferation, barrier function, and motility. Journal of Visualized Experiments. (85), e51300 (2014).
  35. Eldawud, R., et al. Carbon nanotubes physicochemical properties influence the overall cellular behavior and fate. Nanoimpact. 9, 72-84 (2018).
  36. An, Y., Jin, T. Y., Zhang, F., He, P. Electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) for profiling cytotoxicity of cigarette smoke. Journal of Electroanalytical Chemistry. 834, 180-186 (2019).
  37. Kaur, G., Dufour, J. M. Cell lines. Spermatogenesis. 2 (1), 1-5 (2012).
  38. Applied Biophysics, Allied Biophysics. , Available from: https://biophysics.com (2023).
  39. Park, Y. H., Kim, D., Dai, J., Zhang, Z. Human bronchial epithelial BEAS-2B cells, an appropriate in vitro model to study heavy metals induced carcinogenesis. Toxicology and Applied Pharmacology. 287 (3), 240-245 (2015).
  40. Yang, F., et al. Morphological map of ZIF-8 crystals with five distinctive shapes: Feature of filler in mixed-matrix membranes on C3H6/C3H8 separation. Chemistry of Materials. 30 (10), 3467-3473 (2018).
  41. Rose, O. L., et al. Thin films of metal-organic framework interfaces obtained by laser evaporation. Nanomaterials. 11 (6), 1367 (2021).
  42. Stueckle, T. A., et al. Impacts of organomodified nanoclays and their incinerated byproducts on bronchial cell monolayer integrity. Chemical Research in Toxicology. 32 (12), 2445-2458 (2019).
  43. Eldawud, R., et al. Potential antitumor activity of digitoxin and user-designed analog administered to human lung cancer cells. Biochimica et Biophysica Acta. General Subjects. 1864 (11), 129683 (2020).
  44. Zhuang, J., et al. Optimized metal-organic-framework nanospheres for drug delivery: Evaluation of small-molecule encapsulation. ACS Nano. 8 (3), 2812-2819 (2014).
  45. Eldawud, R., et al. Combinatorial approaches to evaluate nanodiamond uptake and induced cellular fate. Nanotechnology. 27 (8), 085107 (2016).
  46. Houthaeve, G., De Smedt, S. C., Braeckmans, K., De Vos, W. H. The cellular response to plasma membrane disruption for nanomaterial delivery. Nano Convergence. 9 (1), 6 (2022).
  47. Otero-Gonzalez, L., Sierra-Alvarez, R., Boitano, S., Field, J. A. Application and validation of an impedance-based real time cell analyzer to measure the toxicity of nanoparticles impacting human bronchial epithelial cells. Environmental Science & Technology. 46 (18), 10271-10278 (2012).
  48. Ibarguren, M., Lopez, D. J., Escriba, P. V. The effect of natural and synthetic fatty acids on membrane structure, microdomain organization, cellular functions and human health. Biochimica et Biophysica Acta. 1838 (6), 1518-1528 (2014).
  49. Nor, Y. A., et al. Shaping nanoparticles with hydrophilic compositions and hydrophobic properties as nanocarriers for antibiotic delivery. ACS Central Science. 1 (6), 328-334 (2015).
  50. Farcal, L., et al. Comprehensive in vitro toxicity testing of a panel of representative oxide nanomaterials: First steps towards an intelligent testing strategy. PLoS One. 10 (5), e0127174 (2015).
  51. Verma, N. K., Moore, E., Blau, W., Volkov, Y., Babu, P. R. Cytotoxicity evaluation of nanoclays in human epithelial cell line A549 using high content screening and real-time impedance analysis. Journal of Nanoparticle Research. 14, 1137 (2012).
  52. Xiao, C. D., Lachance, B., Sunahara, G., Luong, J. H. T. Assessment of cytotoxicity using electric cell-substrate impedance sensing: Concentration and time response function approach. Analytical Chemistry. 74 (22), 5748-5753 (2002).
  53. Coyle, J. P., et al. Carbon nanotube filler enhances incinerated thermoplastics-induced cytotoxicity and metabolic disruption in vitro. Particle and Fibre Toxicology. 17 (1), 40 (2020).
  54. Yu, M. H., et al. Hyaluronic acid modified mesoporous silica nanoparticles for targeted drug delivery to CD44-overexpressing cancer cells. Nanoscale. 5 (1), 178-183 (2013).

Tags

Bioengineering nr. 195
Elektrisk celle-substrat sensing til realtidsevaluering af metal-organiske ramme toksikologiske profiler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rose, O. L., Arnold, M., Dinu, C. Z. … More

Rose, O. L., Arnold, M., Dinu, C. Z. Electric Cell-Substrate Sensing for Real-Time Evaluation of Metal-Organic Framework Toxicological Profiles. J. Vis. Exp. (195), e65313, doi:10.3791/65313 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter