ZURÜCKZIEHTER ARTIKEL:Eine vergleichende Studie zur Toxizität von Polyethylenglykol-beschichteten Kobaltferrit-Nanosphären und -Nanopartikeln

Einführung

Magnetische Nanomaterialien haben in den letzten Jahren ein immenses Interesse sowohl in der Grundlagenforschung als auch in technologischen Anwendungen gefunden. Diese Anwendungen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Vehikel zur Arzneimittelabgabe [1,2,3], Magnetresonanztomographie (MRT) [4,5,6], Hyperthermie [7,8,9], Biosensoren [10], Zell- Trennung [11], Proteintrennungen [11, 12], Gen-Magnetofektion [13,14,15] und Umweltverschmutzung und -sanierung [16, 17]. Kobaltferrit wird als hartmagnetisches Material als Kontrastmittel für MRT, gezielte Medikamentenabgabe und Wärmemediator bei Hyperthermie verwendet [18,19,20,21,22,23]. Obwohl Kobaltferrit in biomedizinischen Anwendungen verwendet wird, weist es jedoch gewisse Einschränkungen auf, wie seine hohe Toxizität aufgrund der bemerkenswerten Menge an Kobalt, die in die Lösung freigesetzt wird, Aggregation in Lösung und schlechte Zugänglichkeit der Oberfläche bei Verwendung von Tensiden. Daher wurde dieses Problem durch die Verwendung von Oberflächenmodifikationen mit bestimmten biokompatiblen, ungiftigen und wasserstabilen und dispergierenden Materialien überwunden [24,25,26,27,28]. Darüber hinaus ist die Herstellung von Kobaltferrit mit maßgeschneiderten Zusammensetzungen, Formen und Größen für jede spezielle Anwendung einfach und kosteneffektiv. Es gibt eine Vielzahl von Techniken, die für die Synthese von Kobaltferrit in Nanogröße verwendet werden, einschließlich mechanochemischer [29], sonochemischer [30], gemeinsamer Fällung [31, 32], Mikroemulsion [33] und anderer [34,35,36,37 ,38]. In ähnlicher Weise wurden andere Techniken, einschließlich der einstufigen umweltfreundlichen Methode, zur Herstellung maßgeschneiderter fluoreszierender Kupfer-Nanocluster unter Verwendung von Curcumin als Templat verwendet [39]. Ein Hauptnachteil der meisten dieser Techniken ist die geringe Kristallinität des hergestellten Materials, was wiederum zu einer erheblichen Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften führt. In dieser Hinsicht sind hydrothermale [40] und solvothermale [41] Techniken die effektivsten und effizientesten Techniken, um Kobaltferrit mit kontrollierten Morphologien und Kristallinitäten zu synthetisieren.

In der Literatur wurde über verschiedene Nanomaterialien wie Silbernanopartikel (Ag-NPs) berichtet, die zur antimikrobiellen Behandlung und damit verbundenen Infektionskrankheiten verwendet werden, sowie als Nanovehikel für die Wirkstoffabgabe und Behandlung verschiedener Krankheiten [42]. In einem anderen Übersichtsartikel wurde berichtet, dass Ferrate zur Eliminierung verschiedenster chemischer und biologischer Spezies aus dem Abwasser verwendet werden [43]. Bei der biomedizinischen Anwendung von Kobaltferrit-Nanomaterialien ist das Hauptproblem die Anreicherung von Kobaltferrit in Organen, was zu einer Toxizität im Körper führt, die eine dringende Entfernung der gesammelten Nanomaterialien aus den Organen und eine Heilung der durch Kobaltferrit verursachten Schäden erfordert. Mehrere Forscher haben die entzündungshemmenden Medikamente untersucht und festgestellt, dass diese Medikamente die durch Nanomaterialien induzierte Toxizität reduzieren können [44, 45]. Curcumin mit antioxidativen, Antimutations-, Antitumor- und kanzerogenen Eigenschaften kann als Heilmittel für die durch Kobaltferrit-Nanomaterialien induzierte Toxizität verwendet werden [46,47,48]. Es kann in vitro und in vivo als TNF-Blocker verwendet werden, indem es direkt an den TNF bindet [49].

Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von mit Polyethylenglykol (PEG) beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokugeln mit kontrollierter Morphologie im Labor. Den Mäusen wurden verschiedene Dosen von Nanomaterialien intravenös injiziert und es wurden Blutanalysen, Bioverteilung, HE-Färbung und Zelllebensfähigkeit untersucht, um die Toxizität dieser Nanomaterialien zu bewerten. Es wurde ein Vergleich der Toxizität von Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokügelchen angestellt und Curcumin wurde als Heilmittel für die durch Kobaltferrit-Nanokügelchen bei Mäusen induzierte Toxizität verwendet. Es wurde gezeigt, dass Kobaltferrit-Nanokügelchen aufgrund ihrer vergrößerten Oberfläche giftiger sind als die Nanopartikel, was sie toxischer und reaktiver als die Nanopartikel macht. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste detaillierte Studie dieser Art, die noch nicht von uns durchgeführt wurde.

Materialien und Methoden

Vorbereitung von Nanomaterialien

Zur Herstellung von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln haben wir die hydrothermale Technik verwendet [40, 47]. Zu diesem Zweck wurden Lösungen von Kobaltchlorid (0,2 µM) und Eisennitrat (0,4 µM) getrennt in jeweils 25 µl entionisiertem (DI) Wasser hergestellt und diese Lösungen dann mit 25 µl wässrigen Lösungen von Polyethylenglykol (2,5 µm) und Natriumhydroxid (3&mgr;M). Die Mischung wurde dann 20 min gerührt und in den Edelstahl-(SS)-Autoklaven gegossen, der 6 h auf 180 °C erhitzt wurde. Nach Abschluss des Prozesses wurde die Mischung auf Raumtemperatur abgekühlt und dann wurde die Lösung 2–3 Mal mit DI-Wasser und Ethanol gewaschen, um alle unerwünschten Verunreinigungen aus der Mischung zu entfernen. Die Mischung wurde bei ca. 80 °C über Nacht im Ofen getrocknet und dann zu feinen Pulvern gemahlen, um die gewünschten Kobaltferrit-Nanopartikel zu erhalten.

Zur Herstellung von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanokügelchen wurde die Solvothermaltechnik verwendet. Dazu wurde Kobaltchlorid-Hexahydrat in 40 µl Ethylenglykol (2,5 µM) gelöst, gefolgt von der Zugabe von 1,35 µg Eisenchlorid-Hexahydrat und 1 µg Polyethylenglycol (PEG). Die Mischung wurde dann etwa 30 min gerührt und dann in einem mit Teflon ausgekleideten SS-Autoklaven verschlossen. Der Autoklav wurde dann 8 h auf 200 °C erhitzt und nach Beendigung der Reaktion auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Mischung wurde mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen und dann bei 80 °C über Nacht im Ofen getrocknet. Schließlich wurde die Mischung zu feinen Pulvern gemahlen, um PEG-beschichtete Kobaltferrit-Nanokügelchen mit Durchmessern im Bereich von 80–100 nm zu erhalten. Die Morphologie der hergestellten Nanomaterialien wurde durch Röntgenbeugung (XRD) nach der in Lit. verwendeten Methode untersucht. [50], Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM und TEM) wie in Lit. [50, 51], Fourier-Transform-Infrarot(FTIR)-Spektroskopie bei Raumtemperatur zur Bestimmung funktioneller Gruppen in Kobaltferrit ähnlich Lit. [51], Raman-Spektroskopie und thermogravimetrische (TGA)-Analyse wie in Lit. verwendet. [52].

Radioaktive Markierung von Nanomaterialien

Die radioaktive Markierung von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokügelchen wurde mit ^99m . durchgeführt Tc unter Verwendung von Zinn(II)-chlorid als Reduktionsmittel [53, 54,55]. Dazu frische ^99m TcO₄ Generatoreluat (50 µL mit einer Aktivität von ∼ 4 µmCi) wurde durch Zugabe zu 30 µL SnCl₂ . hergestellt Suspension (1 µg/ml in 0,5 µN HCl). Mit Hilfe von NaHCO₃ Lösung (1 M) wurde der pH-Wert der Suspension im Bereich von 8–10 eingestellt. Lösungen von Nanopartikeln und Nanokügelchen (jeweils 40 µl), die ~ 0,4 Gew.-% Kobaltferrit enthielten, wurden mit Suspensionen von Zinnchlorid (50 µg), Ascorbinsäure (10 µg/ml) und ^{99 ml} . gemischt TcO₄ . Die Mischung wurde dann 25 min bei 80°C mit 10.000 UpM gerührt. Für die genauen Messungen wurden die radioaktiven Zählungen aufgrund der kurzen Lebensdauer von ^99 m . innerhalb von 24 Stunden aufgezeichnet Tc (~ 6 h). Der Überstand wurde dann nach der Zentrifugation dekantiert und das verbleibende Material wurde als ^99m . identifiziert Tc-PEG-Kobaltferrit-Nanopartikel und -Nanosphären. Ein Papierchromatogramm wurde verwendet, um die radioaktiven Ausbeuten der markierten Verbindungen zu messen, die bei über 65 % lagen, was die tatsächliche Bioverteilung von Nanomaterialien in den Mäusen in vivo widerspiegelte.

Bioverteilung von Nanomaterialien

Wie in 1 gezeigt, wurden Kunming SPF-Mäuse (weiblich, 6–8 Wochen alt, Gewicht 18–20 g) vom Laborzentrum für medizinische Wissenschaften, Lanzhou University, China, bezogen. Alle Mäuse wurden in Käfigen unter einem Temperaturkontrollsystem von 21–22 °C gehalten und das Licht wurde von 08:00 bis 20:00 Uhr eingeschaltet. Den Mäusen wurde freier Zugang zu Nahrung und Leitungswasser gewährt und sie wurden gemäß den Protokollen der Labortierpflege der National Society of Medical Research und den Richtlinien der US National Institutes of Health behandelt. Die Mäuse wurden nach dem Zufallsprinzip in mehrere Gruppen eingeteilt, wobei jede Gruppe 5 Mäuse enthielt, und ihnen wurde dann ^99m . intravenös injiziert Tc-PEG-Kobalt-Ferrit-Lösungen von Nanopartikeln und Nanokugeln und abgetötet nach 1 h, 6 h, 16 h bzw. 24 h. Gewebe von Herz, Lunge, Leber, Milz und Niere wurden sofort seziert, in Folie gewickelt, gewogen und dann die Radioaktivität von ^99m . gemessen Tc in jedem Gewebe wurde unter Verwendung eines Gammazähler-Detektors gemessen. Die Bioverteilung von Nanomaterialien in verschiedenen Organen von Mäusen wurde in Prozent der injizierten Dosis pro Gramm des feuchten Gewebes (d. h. % ID/g) angegeben.

Schematische Darstellung des experimentellen Modells

Hämatoxylin- und Eosin-Färbung

Für die Hämatoxylin- und Eosin-(HE)-Färbung wurde das Paraffinwachs zum Entparaffinieren in Xylol geschnitten und der Vorgang zweimal für jeweils etwa 10 min wiederholt. Die Hydratation der Probe erfolgte durch Transferieren der Objektträger durch verschiedene Ethanollösungen mit Konzentrationen von 100 % Ethanol, 95 % Ethanol und 70 % Ethanol jeweils für 2 min. Spülen der Objektträger in fließendem Leitungswasser bei Raumtemperatur für ca. 2 min und als der Vorgang beendet war, wurden die Zellkerne in Hämatoxylin-Färbelösung bei 60 °C für 10 s und dann bei Raumtemperatur für 1 min gefärbt und die Objektträger wurden dann platziert unter fließendem Leitungswasser bei Raumtemperatur ca. 5 min. Man färbte die Proben 2 min lang in Eosin Y-Arbeitslösung und dehydrierte die Proben dann zunächst durch Eintauchen in 95 % Ethanol und dann jeweils 2 min lang in 100 % Ethanol. Das Zytoplasma wurde 7 Sekunden lang gefärbt, indem es 15 Sekunden lang in eine Eosin-Färbelösung getaucht wurde. Nach der Entfernung wurde das Zytoplasma gewaschen und mit absolutem Ethanol zweimal für jeweils 1 min dehydratisiert. Das Gewebe wurde dann mit Xylol für 15 s transparent gemacht und das Zytoplasma wurde untersucht und dann mit neutralen Zahnfleischsiegeln fotografiert. Die mikroskopische Untersuchung des Gewebes wurde mit dem Mikroskop Microphot-CX41 von Olympus in Verbindung mit einer Digitalkamera durchgeführt.

Biochemische Indizes und Entzündungsfaktoren

Den Mäusen der Expositionsgruppe wurden zweihundertfünfzig Mikrogramm PEG-beschichtete Kobaltferrit-Nanopartikel und -Nanokügelchen intravenös injiziert, während die Kontrollgruppe mit normaler Kochsalzlösung von 0,9% behandelt wurde und alle Mäuse dann nach 24 Stunden getötet wurden. Den Mäusen wurde Blut entnommen und etwa 10 min zentrifugiert, um das Blutserum zu erhalten. Die Serumgehalte von TB, ALT, AST, BUN, CREA und Cys-C wurden durch den Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) und Western Blot gemessen. Enzyme, die mit der Leber verbunden sind, IL-6, IL-8 und TNF-α, spielen eine Schlüsselrolle bei der durch Nekrose induzierten Entzündungsreaktion. Normalerweise treten hohe Konzentrationen dieser Ausdrücke auf, wenn ein Organ auf die Entzündung reagiert.

MTT Cell Viability Assay

Die zytotoxischen Potenziale von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokügelchen wurden mit MTT, einem kolorimetrischen Assay zur Bewertung der Stoffwechselaktivitäten der Zellen, bestimmt. Humane Epithelzellen L-132 und humane Monozyten THP-1, gekauft aus Shanghai, China, wurden unterschiedlichen Konzentrationen von Nanopartikeln im Bereich von 30–125 µg/ml und Nanokügelchen im Bereich von 50–250 µg/ml ausgesetzt und die optische Dichte war gemessen bei 590 nm für verschiedene Assays unter Verwendung eines Mikroplatten-Spektrophotometersystems (UNICO WFZ UV-2000, Shanghai, China). L-132-Zellen wurden ausgewählt, da die Inhalation ein Hauptweg für die Exposition von Nanomaterialien ist, und THP-1-Zellen wurden aufgrund ihrer Rolle bei der Beseitigung von Fremdmaterialien verwendet. In jedem Assay wurden die unbehandelten Zellen als negative Kontrolle bewertet. Die Hemmung der Enzymaktivität wurde in den Zellen beobachtet, die mit unbehandelten (Negativkontroll-)Zellen verglichen und die Werte als Verhältnis der Negativkontrolle abgeleitet und gegen die Konzentration an Nanopartikeln und Nanokügelchen aufgetragen wurden.

Statistische Analyse

Jeder Datenpunkt wurde als Mittelwert (±SEM) der dreifach durchgeführten Experimente angegeben. Die Signifikanz der Unterschiede wurde anhand der Varianzanalyse bewertet und statistische Diagramme wurden mit Hilfe von Origin und der Microsoft Excel-Software erstellt.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturanalyse

Strukturanalysen (XRD, FTIR, Raman und TGA) der präparierten Nanomaterialien sind in Abb. 2 gezeigt. Die XRD-Ergebnisse in Abb. 2a repräsentieren den beschichteten und unbeschichteten Kobaltferrit im Nanomaßstab, was bestätigt, dass Kobaltferrit erfolgreich hergestellt wurde. Die Positionen und relativen Intensitäten aller beobachteten Peaks in den XRD-Daten bestätigen die kristalline Natur von Kobaltferrit. Es wurden keine zusätzlichen Peaks beobachtet, was die Reinheit des hergestellten Kobaltferrits anzeigt. Die mittlere Kristallitgröße von Kobaltferrit wurde mit Hilfe der Scherrer-Gleichung [56] bestimmt, die zu ~ 24 nm gefunden wurde. Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie wurde durchgeführt, um die Kationenverteilung (von Nickel, Kobalt und Eisen) in Kobaltferrit zu untersuchen. Abbildung 2b zeigt die bei Raumtemperatur gesammelten FTIR-Daten. Theoretisch hat Kobaltferrit zwei starke Absorptionsbanden (ʋ₁ und ʋ₂ ) zusammen mit einigen anderen im Bereich von 400–600 cm ⁻¹ . Alle diese Peaks sind in unseren in Fig. 2b gezeigten Daten klar angegeben. In FTIR-Daten ʋ₁ entspricht den intrinsischen Streckschwingungen des Metalls an tetraedrischen Stellen, während ʋ₂ entspricht den Streckschwingungen der Metallionen an oktaedrischen Stellen [57,58,59]. Der im FTIR erscheinende Peak bei 3421 cm ⁻¹ entspricht Polyethylenglykol (PEG), was auf seine erfolgreiche Bindung auf der Oberfläche von Kobaltferrit hinweist. Die Raman-Analyse von Kobaltferrit, die bei Raumtemperatur gesammelt wurde, ist in Abb. 2c gezeigt, die 5 verschiedene Peaks anzeigt, die in den Daten zu sehen sind. Der Peak erscheint unter 700 cm ⁻¹ ist der Hauptmerkmalspeak (A _1g Modus) von Kobaltferrit, der der Streckung von Sauerstoffionen entlang der Fe-O-Bindungen an Tetraederplätzen entspricht [60], während die anderen in den Daten erscheinenden Peaks ebenfalls zu Kobaltferrit gehören. Dies bestätigt die erfolgreiche Herstellung von PEG-Kobalt-Ferrit in unserem Experiment. Abbildung 2d zeigt die TGA-Ergebnisse der im Temperaturbereich von 50–380 °C gesammelten Proben, die darauf hindeuten, dass Kobaltferrit bei verschiedenen Temperaturen an Gewicht verliert. Die TGA-Analyse zeigt auch, dass die thermische Stabilität von PEG relativ gering ist, während die von PEG-Kobaltferrit hoch ist.

a XRD-Ergebnisse des Kobaltferrits. b Fourier-Transformations-Infrarot-(FTIR)-Spektroskopie im Bereich von 500–4000 cm ⁻¹ . c Raumtemperatur-Raman-Spektrum der gesammelten Proben in 190–1000 cm ⁻¹ Frequenzbereich. d Thermogravimetrische Analyse (TGA) von PEG-beschichtetem CoFe₂ O₄ gesammelt im Temperaturbereich 50–400 °C

Elektronenmikroskopische Analysen der Proben sind in Abb. 3 gezeigt. Abb. 3(a) und (b) zeigen die SEM-Bilder von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln bzw. -Nanokugeln, während Abb. 3(c) und (d) zeigen die TEM-Analysen von Nanokugeln bzw. Nanopartikeln. Diese Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Größe von Nanopartikeln etwa 25 nm beträgt und die von Nanokugeln 80–100 nm beträgt. Aus TEM-Bildern von Nanokugeln ist ersichtlich, dass Nanokugeln aus einer großen Anzahl kleinerer Nanopartikel mit großen Oberflächen bestehen, wodurch sie mesoporös werden, was für medizinische Anwendungen von Nanomaterialien als Wirkstoffträger sehr wünschenswert ist. Alle diese Strukturanalysen bestätigen die erfolgreiche Bildung von phasenreinen PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokugeln.

SEM von Kobaltferrit-Nanopartikeln (a ) und Nanokugeln (b ). TEM-Bilder von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln (c ) und Nanokugeln (d ), gesammelt in verschiedenen Auflösungen

Bioverteilungsstudien

Quantitativ ist die Bioverteilung von PE-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanosphären in Blut, Herz, Leber, Milz, Lunge und Niere nach unterschiedlichen Zeitintervallen (1, 6, 16 und 24 h) in Abb. 4 dargestellt Das Vorhandensein von Kobaltferrit im Blut und anderen Organen wurde innerhalb von 24 Stunden nach der intravenösen Injektion von ^99m . festgestellt Tc-PEG-Kobalt-Ferrit-Lösung (Nanopartikel und Nanokugeln). Im Fall der in Abb. 4(a) gezeigten Nanokügelchen wurde festgestellt, dass die Blutretention von Kobaltferrit nach 1 h Exposition 6,5 ± 0,33% ID/g betrug und dann über die nächsten Zeitintervalle (d. h. 6, 16 und 24 Stunden). Es zeigte sich, dass Nanosphären hauptsächlich in Herz, Leber, Milz, Lunge und Niere verteilt waren; die meisten von ihnen wurden jedoch hauptsächlich in der Milz angereichert. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Bioverteilung von Nanosphären in verschiedenen Organen nach der ersten Stunde am höchsten war und dann allmählich abnahm und nach 6 Stunden bei weniger als 30% blieb. Im Fall von Kobaltferrit-Nanopartikeln betrug die Blutretention der Nanopartikel etwa 2,8 ± 0,14 % ID/g nach 1 Stunde der Exposition, was auf eine relativ schnelle Clearance von radioaktivem Material aus dem Blutpool des Körpers hinweist und dann im Laufe der Zeit abnahm wie in Fig. 4(b) gezeigt. Die Nanopartikel wurden in Herz, Leber, Milz, Lunge und Niere mit maximalen Konzentrationen in Milz und Leber verteilt. Aus der Abbildung wird deutlich, dass die Bioverteilung von Nanopartikeln in Blut und anderen Organen nach der ersten Stunde am höchsten war und dann nach 6 Stunden allmählich abnahm und schließlich nach 24 Stunden auf die niedrigsten Werte erreichte. Wenn wir die Bioverteilungsergebnisse von Nanokügelchen und Nanopartikeln vergleichen, zeigt sich, dass die Ansammlung/das Vorhandensein von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanokügelchen im Blut und anderen Organen der Mäuse im Vergleich zu den Nanopartikeln stärker war. Dies könnte mit einer großen Oberfläche und einer hohen Porosität der Nanokügelchen im Vergleich zu den Nanopartikeln zusammenhängen, was einer der kritischen Faktoren ist, um die Reaktivität von Nanomaterialien mit biologischen Systemen zu bestimmen. Im Fall von Nanopartikeln machte ihre nicht mesoporöse Natur mit geringer spezifischer Oberfläche sie unter den gleichen Bedingungen weniger reaktiv als die Nanokugeln. Diese Merkmale könnten die verlängerte Resistenz von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln im Blut und anderen Organen von Mäusen verringert haben. Darüber hinaus verursachen die Nanosphären eine Komplexbildung mit Biomolekülen und führen zu einem erhöhten Gehalt an Radikalspezies, einer Erhöhung des oxidativen Stresses, einer Schädigung der zellulären DNA und einer Folge von oxidativem Stress durch Lipidperoxidation.

Bioverteilung von PEG-CoFe₂ O₄ in Blut, Herz, Leber, Milz, Lunge und Niere nach unterschiedlichen Intervallen (1, 6, 16, 24 h) Nanosphären ausgesetzt (a ) und Nanopartikel (b )

Biochemische Indizes

Um die toxische Wirkung von PEG-Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanokügelchen bei Mäusen zu untersuchen, wurden biochemische Indizes gemessen und die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Verschiedene Parameter einschließlich ALT, AST, BUN, CREA, TB und Cys-C wurden für die Mäuse der Kontroll- und Expositionsgruppe. Zur Datenextraktion wurde SPSS-Software mit *P . verwendet <0,05, das bedeutet signifikante Veränderungen während der Messungen. Sowohl bei Nanokügelchen als auch bei Nanopartikeln zeigt sich, dass alle biochemischen Indizes im Vergleich zu Mäusen der Kontrollgruppe (*P <0,05). Im Falle der Expositionsgruppe mit Kobaltferrit-Nanosphären zeigen die Werte von ALT, AST und BUN signifikante Unterschiede (*P <0,05) im Vergleich zu Mäusen der Kontrollgruppe, während im Fall der Nanopartikel-Expositionsgruppe nur Cys-C einen signifikanten Unterschied zu Mäusen der Kontrollgruppe aufweist (*P <0,05). Es zeigt sich, dass TB und Cys-C, die hauptsächlich für den Biomarker der Nierenfunktion verantwortlich sind, bei Nanosphären signifikant verringert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Niere durch die Exposition von PEG-Kobaltferrit-Nanokügelchen im Vergleich zu Nanopartikeln stärker beeinflusst wird. AST als Biomarker für die Leber wurde stärker durch die Exposition sowohl von Nanopartikeln als auch von Nanokügelchen beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass die Exposition von Kobaltferrit die Leberfunktion beeinträchtigen kann. Aus all diesen Ergebnissen geht klar hervor, dass PEG-Kobaltferrit-Nanokügelchen bei Mäusen in vivo mehr Schäden verursachen als Kobaltferrit-Nanopartikel.

Biochemische Indizes im Blutserum der Mäuse der Kontroll-, Nanopartikel- und Nanosphären-Expositionsgruppe. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung von zwei unabhängigen Experimenten dar, die in dreifacher Ausführung durchgeführt wurden. *P <0,01

Histopathologische Studie

Wir haben die histopathologische Analyse der Kontroll-, Nanopartikel-, Nanosphären- und Behandlungsgruppen-Mäuse präsentiert, wie in Abb. 6 gezeigt. Wenn wir die Ergebnisse der Nanosphären- und Nanopartikel-Expositionsgruppen mit den Mäusen der Kontrollgruppe vergleichen, zeigt sich, dass PEG-Kobaltferrit-Nanosphären verursacht mehr Schäden in verschiedenen Organen (Leber, Milz, Niere und Lunge) von Mäusen im Vergleich zur Nanopartikel-Expositionsgruppe. In der Niere trat eine glomeruläre Stauung zusammen mit leichten Ödemen und interstitiellen Entzündungszellen bei der Aufnahme von Nanokügelchen im Vergleich zu Nanopartikel-Exposition und Mäusen der Kontrollgruppe auf. Es ist auch zu sehen, dass Nanopartikel weniger Entzündungen zeigen als die Nanokügelchen. Bei Exposition mit Nanopartikeln wurde festgestellt, dass die Lunge relativ weniger betroffen ist, während bei Nanokügelchen eine Verdickung der Alveolarwand und eine leichte Fibrose festgestellt wurde. Darüber hinaus zeigten die Hepatozyten in der Nanosphären-Expositionsgruppe Schwellungen und Ödeme traten auf, während bei Mäusen der Nanopartikel-Expositionsgruppe relativ weniger Entzündungen festgestellt wurden.

Histologieschnitte der Gewebe verschiedener Gruppen (Kontrolle, Nanopartikel, Nanosphären und Behandlung)

Entzündungsfaktoren und Oxidations-/Antioxidantienspiegel

Die Expressionsspiegel von IL-6, IL-8, TNF-α, MDA und T-AOC wurden gemessen und die Ergebnisse sind in Abb. 7 gezeigt. Abb. 7a zeigt die Western-Blot-Banden von IL-6, IL-8, und β-Aktin für die Kontroll-, Nanopartikel- und Nanosphären-Expositionsgruppen. Der relative Proteingehalt von IL-6 und IL-8 für die Kontroll-, Nanopartikel- und Nanosphären-Expositionsgruppen ist in Abb. 7b dargestellt, während die Gehalte an TNF-α, MDA und T-AOC in Abb. 7c– dargestellt sind. e mit *P <0,05 für die Expositionsgruppe versus Kontrollgruppe ± sem. Die Ergebnisse zeigten, dass die Konzentrationen von IL-6, IL-8, TNF-α und MDA bei Mäusen der Kobaltferrit-Nanosphären-Expositionsgruppe höher sind als die der Nanopartikel-Gruppe, und diese beiden Werte sind höher als bei den Mäusen der Kontrollgruppe. Im Fall von T-AOC war der Gehalt an Nanokügelchen niedriger als der von Nanopartikel-Expositions- und Kontrollgruppen-Mäusen. Alle diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nanopartikel und Nanosphären bei Mäusen Entzündungen verursachen, insbesondere in der Leber. Nanosphären wirken sich jedoch stärker auf die Organe aus als die Nanopartikel. Es ist allgemein bekannt, dass Nanomaterialien im Körper freie Sauerstoffradikale (ROS) erzeugen, die eine Reihe von qualitativen Reduktionen der Antioxidantien verursachen, was zu Oxidationsschäden von biologischem Gewebe führt, die sich nachteilig auf die zellulären Organismen auswirken [61, 62]. Darüber hinaus wurde beim Vergleich der Konzentrationen von IL-6, IL-8, TNF-α, MDA und T-AOC bei Mäusen, die Nanopartikeln ausgesetzt waren, mit denen verglichen, die Nanokugeln ausgesetzt waren, dass Kobaltferrit-Nanokugeln zu mehr Entzündungen führten im Vergleich zu den Mäusen der Nanopartikel-Expositionsgruppe.

Expressionen von IL-6, IL-8, TNF-α, MDA und T-AOC. a Western-Blot-Banden für IL-6, IL-8 und β-Aktin in den Kontroll-, Nanopartikel- und Nanosphären-Expositionsgruppen. b Relative Expressionsniveaus von IL-6 und IL-8. c Gehalt an TNF-α. d MDA-Niveau. e Statistisches Diagramm des T-AOC-Gehalts für die Kontroll- und Expositionsgruppen (Nanopartikel und Nanosphären). (*P <0,05 für die Expositionsgruppen versus Kontrollgruppe ± sem)

Zytotoxizitätsbewertung

Die Zytotoxizitätsstudien für verschiedene Konzentrationen von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanokügelchen und -Nanopartikeln wurden durchgeführt und die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Das prozentuale Überleben der L-132-Zellen ist in Abb. 8(a) gezeigt, während Abb. 8 (b) repräsentiert das prozentuale Überleben von THP-1-Zellen. Es ist ersichtlich, dass bei Konzentrationen über 100 μg/ml signifikante Veränderungen der Zelllebensfähigkeit für beide Zellen beobachtet werden, und es ist ersichtlich, dass die Ergebnisse im Fall von PEG-Nanokügelchen ausgeprägter sind. Dies bestätigt, dass Kobaltferrit-Nanokügelchen im Vergleich zu Nanopartikeln mehr Schäden verursachen. Darüber hinaus nimmt die Lebensfähigkeit der Zellen mit steigender Konzentration sowohl von Nanopartikeln als auch von Nanokügelchen ab, was darauf hindeutet, dass PEG-beschichteter Kobaltferrit in beiden Formen mit steigender Konzentration bei Mäusen eine stärkere Toxizität hervorruft. Aufgrund der zwei unterschiedlichen zellulären Targets (L-132 und THP-1) ist zu erwarten, dass die zelluläre Antwort je nach Zelltodmechanismus nicht identisch ist [63]. Ein möglicher Grund, die zellulären Target-Spezifitäten auch bei ähnlichen Partikelgrößen zu erklären, könnte auf die Funktion der Phagozytose zurückgeführt werden, die Monozyten (THP-1-Zellen), nicht aber die Lungenepithelzellen charakterisiert [64]. Es ist allgemein bekannt, dass eine einzelne Nanokugel aus einer großen Anzahl kleiner Nanopartikel besteht. Somit besitzt es im Vergleich zu den Nanopartikeln eine große Oberfläche und hat daher im Vergleich zu den Nanopartikeln mehr Reaktivität und mehr Möglichkeiten der Wechselwirkung mit biologischen Systemen (Geweben). Darüber hinaus können sie aufgrund der größeren Größe der Nanokügelchen nicht leicht über den Blut- oder Urinkreislauf ausgeschieden werden, sobald sie in das Organ gelangen. Daher verbleiben sie im Vergleich zu den Nanopartikeln relativ länger im Körper (Organen), was wiederum das Gewebe nachteilig beeinflusst. Darüber hinaus verursachen die Nanokügelchen eine verringerte Funktion von Makrophagen, eine verringerte Phagozytose der Nanokügelchen selbst und eine verringerte Mobilität der Makrophagen und eine Dysfunktion des Zytoskeletts.

Zytotoxizität von PEG-beschichteten Kobaltferrit-Nanopartikeln und -Nanosphären in L-132-Zellen (a ) und THP-1-Zellen (b ). *P <0,01 und **P <0,05 für die beiden Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Die Daten stellen den Mittelwert ± Standardabweichung von zwei unabhängigen Experimenten dar, die in dreifacher Ausfertigung durchgeführt wurden

Wirkung von Curcumin auf die Toxizität

Biochemical indexes in blood serum were studied for nanosphere exposure group and curcumin-treated group and the results were compared with control group mice, which are shown in Fig. 9. It was found that all these indices in the treatment group mice showed significant improvements after the administration of curcumin when compared their values with nanosphere exposure and control group mice. In the figure, it is seen that the expression levels of ALT, AST, BUN, CREA, CYS-C, and TB were approached towards the normal values after the administration of curcumin. This can be attributed to the fact that curcumin has strong antioxidant characteristics which reduces the oxidative stress produced as a result of the toxicity induced by cobalt ferrite [47]. It has also been reported that TNF-α and IL-1 play important role in the induction of hepatic necrosis and curcumin reduces the effect of toxicity by inhibiting the secretion of TNF-α and IL-1 by macrophages [48], similar to the work reported earlier in Ref. [65].

Biochemical indexes in blood serum of the control, nanosphere exposure, and treatment group mice (*P <0.05 compared with untreated controls)

Conclusion

In this work, we successfully fabricated PEG-coated cobalt ferrite nanoparticles and nanospheres via hydrothermal and solvothermal methods, respectively. From structural analyses, it was found that the prepared nanomaterials are highly pure, crystalline, and biocompatible in nature resulting from the successful attachment of PEG. It was found that both nanospheres and nanoparticles of cobalt ferrite are toxic to biological systems. Furthermore, it was shown that nanospheres of cobalt ferrite are more toxic than the nanoparticles due to their large surface area and more reactivity with biological tissues. Positive changes were monitored in biochemical indexes after the administration of curcumin which is a natural chemical possessing no side effects, thus confirming it can be used as the healing agent for the toxicity induced by cobalt ferrite nanospheres.

Change history

Abkürzungen

PEG:

Polyethylenglykol

XRD:

Röntgenbeugung

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

SPF:

Specific pathogens free

MRI:

Magnetic resonance imaging

TNF:

Tumor necrosis factor

HE:

Hematoxylin–eosin

SS:

Stainless steel

DI:

Deionized

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TB:

Total bilirubin

ALT:

Alanine aminotransferase

AST:

Aspartate transferase

BUN:

Blood urea nitrogen

CREA:

Creatinine

Cys-C:

Cystatin C

DNA:

Deoxyribonucleic acid

MDA:

Malondialdehyde assay

ROS:

Oxygen free radicals

T-AOC:

Total antioxidant capacity