PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikel: Bewertung der Toxizität und der schützenden Wirkung von Curcumin

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden CoFe₂O₄-Nanopartikel, die mit Polyethylenglycol (PEG) beschichtet sind, erfolgreich mittels hydrothermaler Technik synthetisiert. Morphologische Untersuchungen bestätigten die Bildung von polykristallinen, phasenreinen PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln mit einer Größe von etwa 24 nm. Die durch CoFe₂O₄-Nanopartikel induzierte Toxizität wurde untersucht, und biologische Assays wurden durchgeführt, um die toxischen Effekte zu überprüfen. Zudem wurde der heilende Effekt der bei lebenden Organismen induzierten Toxizität mittels Curcumin untersucht. Es zeigte sich, dass die biochemischen Indizes nach der Verabreichung von Curcumin entgiftet wurden und wieder ihr normales Niveau erreichten. Somit können hydrothermal synthetisierte, PEG-beschichtete CoFe₂O₄-Nanopartikel in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden, und Curcumin – ein natürlicher Wirkstoff ohne Nebenwirkungen – eignet sich zur Behandlung der durch Nanopartikel induzierten Toxizität in lebenden Organismen.

Hintergrund

Die Verwendung von Nanopartikeln (NPs) bietet viele Vorteile aufgrund ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die sich wesentlich von denen ihrer Bulk-Gegenstücke unterscheiden [1]. Cobaltferrit (CoFe₂O₄) als eines der wichtigsten magnetischen Materialien hat im Nanomaßstab enormes Interesse geweckt, da es vielfältige Anwendungen in modernen Technologien besitzt [2,3,4,5]. Es gilt als einer der vielversprechendsten Kandidaten für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere in der Medizintechnik, da es im Nanomaßstab die gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften aufweisen kann. Zudem lässt sich CoFe₂O₄ einfach und kosteneffizient mit kontrollierter Zusammensetzung, Form und Größe für eine bestimmte Anwendung herstellen. In diesem Zusammenhang kann der Durchmesser von CoFe₂O₄-Nanopartikeln für biologische Anwendungen unter 100 nm die physikochemischen Eigenschaften und die Pharmakokinetik in lebenden Organismen stark beeinflussen. Größere Partikel mit einem Durchmesser über 100 nm werden als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie des Gastrointestinaltrakts eingesetzt, während kleinere Partikel unter ~20 nm als Träger für Tumortherapien dienen. Für die klinische Anwendung von Cobaltferrit-Nanopartikeln ist es sehr wichtig, die Biosicherheit sowohl in vivo als auch in vitro zu untersuchen [6, 7]. Viele über orale oder intravenöse Aufnahme in den Körper gelangte Nanopartikel verteilen sich hauptsächlich in Leber, Niere und Lunge und führen dort zu verschiedenen Entzündungen. Im Vergleich zu anderen Materialien wurde Cobaltferrit noch nicht umfassend auf seine Toxizität in lebenden Organismen und die anschließende Heilung durch Curcumin untersucht, obwohl einige Arbeiten über die Toxizität und Biosicherheit von Polyethylenglycol (PEG)-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikeln berichtet haben.

Aus toxikologischer Sicht besteht die Hauptsorge in der übermäßigen Exposition, die die Elimination akkumulierter Nanopartikel aus biologischen Organen sowie die dringende Behandlung entzündlicher Erkrankungen erfordert. Einige Forscher haben versucht, verschiedene entzündungshemmende Medikamente zur Behandlung der Nanopartikel-Toxizität in vivo zu untersuchen und festgestellt, dass diese die Ausscheidung der im Körper akkumulierten Nanopartikel in gewissem Maße fördern können, um Gewebeentzündungen zu reduzieren oder zu eliminieren [8, 9]. Curcuma longa (Kurkuma) ist ein traditionelles Heilkraut mit einer langen Geschichte der Anwendung zur Behandlung entzündlicher Erkrankungen in Südostasien. Zahlreiche Studien berichten über die antioxidativen Eigenschaften, antimutagenen und antitumoralen Effekte sowie die karzinogenen Charakteristika von Curcumin [10, 11]. Curcumin besitzt die Fähigkeit, Wunden zu heilen sowie Lebererkrankungen, Harnwegserkrankungen und Hepatitis zu behandeln [11]. Es lindert oxidativen Stress und Entzündungen bei chronischen Erkrankungen über den Nrf2-Keap1-Signalweg. Curcumin kann pro-entzündliche Signalwege unterdrücken, die mit den meisten chronischen Erkrankungen assoziiert sind, und blockiert sowohl die Produktion von TNF als auch die durch TNF vermittelte Zellsignalisierung in verschiedenen Zelltypen. Zudem kann Curcumin auch als TNF-Blocker in vitro und in vivo wirken, indem es direkt an TNF bindet [12].

In dieser Studie haben wir erfolgreich PEG-beschichtete CoFe₂O₄-Nanopartikel mit kontrollierter Form und Größe von etwa 25 nm mittels hydrothermaler Technik hergestellt. Nach der Verabreichung unterschiedlicher Expositionsdosen (Dosen) von CoFe₂O₄-Nanopartikeln haben wir Blutanalysen, HE-Färbung und Biodistribution sowie den Behandlungseffekt von Curcumin auf die durch PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikel verursachte Toxizität untersucht. Diese Studie stellt einen neuen Ansatz dar, um den Toxizitätseffekt von CoFe₂O₄-Nanopartikeln zu untersuchen und anschließend die durch PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikel verursachte Toxizität in vivo mittels Curcumin zu behandeln.

Methoden

Herstellung von Cobaltferrit-Nanopartikeln

Cobaltferrit-Nanopartikel wurden mittels hydrothermaler Technik synthetisiert. Dazu wurden angemessene Mengen Eisen(III)-nitrat und Cobaltchlorid in deionisiertem Wasser gelöst und anschließend mit wässrigen Lösungen von PEG und Natriumhydroxid (NaOH) vermischt. Zweifach destilliertes deionisiertes Wasser wurde als Lösungsmittel verwendet, um das Vorhandensein von Verunreinigungen in den endgültigen Nanopartikeln zu vermeiden. Das Gemisch wurde etwa 30 Minuten mit einem Magnetrührer gerührt und anschließend in einen Autoklaven gegeben und 6 Stunden bei 180 °C erhitzt, um die hydrothermale Reaktion durchzuführen. Nach Abschluss der Reaktion wurde das Produkt auf Raumtemperatur abgekühlt und zweimal mit deionisiertem Wasser und anschließend mit Ethanol gewaschen, um überschüssiges PEG und andere ungelöste Salze zu entfernen, falls vorhanden. Schließlich wurde das Produkt über Nacht bei 80 °C getrocknet und zu Pulver vermahlen, um die gewünschten Cobaltferrit-Nanopartikel zu erhalten. In diesem Stadium waren die Nanopartikel amorph, was durch die in Abb. 2a gezeigte XRD bestätigt wurde. Um die Nanopartikel in kristalliner Form zu erhalten, wurden die Proben anschließend 6 Stunden bei 500 °C geglüht, und das Endprodukt wurde in Form von kristallinen PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln erhalten, was durch die in Abb. 2b gezeigte XRD bestätigt wurde.

⁹⁹ᵐTc-Markierung von PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln

Die Radiomarkierung von PEG-beschichteten CoFe₂O₄-Nanopartikeln wurde mit ⁹⁹ᵐTc unter Verwendung von Zinn(II)-chlorid (SnCl₂) als Reduktionsmittel durchgeführt, wobei die Nanopartikel in deionisiertem Wasser unter Ultraschallbedingungen für etwa 0,5 Stunden gelöst wurden. SnCl₂, Ascorbinsäure und ⁹⁹ᵐTcO₄⁻ wurden dann der Nanopartikelsuspension (mit Cobaltferrit von ~0,4 Gew.-%) zugesetzt. Für genaue Daten wurden die radioaktiven Zählimpulse innerhalb von 24 Stunden aufgrund der kurzen Halbwertszeit von ⁹⁹ᵐTc (~6 Stunden) gemessen. Der pH-Wert des Gemischs wurde im Bereich 5–10 mittels 1,0 M NaHCO₃-Lösung eingestellt; anschließend wurde die Suspension von PEG-CoFe₂O₄ hinzugefügt und das resultierende Gemisch bei 10.000 U/min für 25 Minuten bei 80 °C gerührt. Nach der Zentrifugation wurde der Überstand ab dekantiert, und das verbleibende Material wurde als ⁹⁹ᵐTc-PEG-CoFe₂O₄ identifiziert. Ein Papierchromatogramm (unter den chromatografischen Lösungen von physiologischer Kochsalzlösung und Aceton) wurde verwendet, um die Ausbeuten der markierten Verbindungen zu messen. Die radioaktive Markierungsausbeute der Nanopartikel lag bei etwa 70 %, was die reale Verteilung und den Stoffwechsel in vivo widerspiegelt.

Biodistribution von PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln

Kunming-Mäuse mit einem Gewicht von 15–18 g wurden vom Laborzentrum für Medizinische Wissenschaften der Lanzhou-Universität, Gansu, VR China, bereitgestellt. Alle Tiere wurden in Einzelkäfigen mit temperaturkontrolliertem System (21 bis 22 °C) gehalten, und das Licht war von 08:00 bis 20:00 Uhr eingeschaltet. Den Mäusen wurden entsprechend den Tierprotokollen der Richtlinie des Rates der Europäischen Gemeinschaften vom 24. November 1986 (86/609/EWG) und genehmigt von den institutionellen Tierschutz- und Verwendungsausschüssen des Medizinischen Tierzentrums der Provinz Gansu und des Tierschutzausschusses der Lanzhou-Universität (China) angemessenes Futter und Wasser gegeben. Die Mäuse wurden zufällig in sieben Gruppen (fünf Mäuse/Gruppe) eingeteilt, intravenös mit ⁹⁹ᵐTc-PEG-CoFe₂O₄-Lösung injiziert und dann 1, 6, 16 und 24 Stunden nach der Injektion getötet. Gewebe von Herz, Lunge, Leber, Milz und Niere wurden sofort entnommen, und eine erhebliche Menge Blut wurde gesammelt. Jedes Gewebe wurde in Folie gewickelt, sorgfältig gewogen und auf ⁹⁹ᵐTc gezählt. Die Datenpunkte wurden für den physikalischen Zerfall der Radioaktivität korrigiert. Die Gewebeverteilung wurde in Prozent der injizierten Dosis pro Gramm nassem Gewebe (%ID/g) angegeben, was durch den prozentual injizierten Anteil (Gewebeaktivität/gesamte Aktivitätsdosis) pro Gramm nassem Gewebe berechnet werden konnte.

Dosisabhängiger Toxizitätseffekt von PEG-CoFe₂O₄ an Mäusen

In diesem Experiment wurden 21 Mäuse in sieben Gruppen (drei Mäuse/Gruppe) eingeteilt. PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikel wurden Mäusen intravenös in unterschiedlichen Dosen von 125, 250 und 350 µg/Maus (0,2 ml) injiziert, wobei die Kontrollgruppe mit 0,9 % physiologischer Kochsalzlösung behandelt wurde. In der Behandlungsgruppe wurden ebenfalls unterschiedliche Dosen von 125, 250 und 350 µg/Maus Curcumin intravenös in Mäuse injiziert. Die Schadensgruppen wurden nach 24 Stunden getötet, während die Behandlungsgruppen nach 3 Tagen getötet wurden. Blut wurde von den Mäusen entnommen und etwa 10 Minuten zentrifugiert, um das Serum zu erhalten. Die Serumgehalte an Gesamtbilirubin (TB), Alanin-Aminotransferase (ALT), Aspartat-Transaminase (AST), Harnstoffstickstoff (BUN), Kreatinin (CREA) und Cystatin C (Cys-C) wurden gemessen. Gleichzeitig wurden Leber, Lunge, Milz, Niere und Herz sofort entnommen. Diese Gewebe wurden in 10 % gepuffertem Formalin fixiert und für die routinemäßige Histologie mit Hämatoxylin und Eosin verarbeitet. Die mikroskopische Untersuchung der Gewebe erfolgte mit einem Olympus Microphot-CX41 Mikroskop, gekoppelt mit einer Digitalkamera.

Ergebnisse und Diskussion

TEM- und XRD-Analysen

Die morphologische Charakterisierung wurde mit einem JEOL JEM-1400 Transmissionselektronenmikroskop und einem Röntgendiffraktometer (Shimadzu XRD-7000) mit Kupfer-Kα-Strahlung durchgeführt. Abbildung 1 zeigt die TEM-Bilder von PEG-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikeln mit unterschiedlichen Auflösungen (Abb. 1a, b), die die erfolgreiche Bildung von phasenreinen PEG-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikeln mit einer Partikelgröße von etwa 24 nm bestätigen. Abbildung 2 zeigt die Röntgendiffraktionsanalyse der hergestellten Nanopartikel. Abbildung 2a zeigt die XRD-Ergebnisse der als-hergestellten Proben, die darauf hinweisen, dass die Nanopartikel überwiegend in amorpher Form vorliegen. Nachdem die Proben jedoch 6 Stunden bei hoher Temperatur (500 °C) geglüht wurden, stellte sich heraus, dass die Nanopartikel in kristalline Form übergingen, was im in Abb. 2b dargestellten XRD-Bild zu sehen ist. Die mittlere Kristallitengröße wurde aus der Linienverbreiterung des stärksten Peaks in der XRD-Analyse (Abb. 2b) mittels der Debye-Scherrer-Gleichung (D = Kλ / βcosθ) [13] berechnet, was ~22 nm ergab. Die Positionen und relativen Intensitäten aller beobachteten Peaks im XRD-Muster deuten darauf hin, dass die kristalline Struktur die Bildung einer kubischen Spinellstruktur der Nanopartikel begünstigt, gemäß der JCPDF-Karte (Karte Nr. 20-1086), die im Inset von Abb. 2b gezeigt wird. Alle Peaks sind korrekt indiziert, und im XRD-Muster sind keine zusätzlichen Peaks zu sehen, was darauf hinweist, dass keine Verunreinigungen in den Proben vorhanden sind. Sowohl TEM- als auch XRD-Ergebnisse bestätigen die erfolgreiche Bildung kristalliner Nanopartikel von etwa 22–25 nm.

a, b Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) Bilder von PEG-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikeln, aufgenommen bei unterschiedlichen Auflösungen

XRD-Ergebnisse der Proben a als-hergestellt und b geglüht bei 500 °C. Das Inset zeigt die JCPDF-Karte für Cobaltferrit. Im erhaltenen XRD sind keine zusätzlichen Peaks zu sehen

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie, Raman- und TG-Analysen

Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde eingesetzt, um die strukturellen Eigenschaften und die Kationenverteilung der Cobaltferrit-Nanopartikel zu untersuchen. Abbildung 3 zeigt das Infrarotspektrum der Proben bei Raumtemperatur. Generell besitzt Cobaltferrit zwei starke Absorptionsbänder, ʋ₁ und ʋ₂, die im Bereich 400–600 cm⁻¹ auftreten [14,15,16], die in unserem Fall sehr deutlich sind. Das höherfrequente Band (ʋ₁) entspricht den intrinsischen Streckschwingungen des Metalls (M–O) an den tetraedrischen Gitterplätzen, während das niedrigerfrequente Band (ʋ₂) die Streckschwingungen der Metallionen an den oktaedrischen Plätzen darstellt [14,15,16]. Diese Ergebnisse belegen die erfolgreiche Bildung von kubisch strukturierten Cobaltferrit-Nanopartikeln. Aus den FTIR-Daten deutet der bei ~3400 cm⁻¹ gezeigte Peak eindeutig auf den PEG-Peak hin, was die erfolgreiche Anlagerung von PEG an die Cobaltferrit-Nanopartikel bestätigt.

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) im Bereich 500–4000 cm⁻¹ zur Untersuchung der strukturellen Eigenschaften der Proben. Die Daten bestätigen die PEG-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikel

Das bei Raumtemperatur gemessene Ramanspektrum der Proben ist in Abb. 4 dargestellt, das verschiedene Peaks im Bereich 190–684 cm⁻¹ zeigt. Der Hauptpeak bei hoher Frequenz (684 cm⁻¹) ist der charakteristische Peak des Spinellferrits, der dem A₁g-Modus zugeschrieben wird und der symmetrischen Streckung der Sauerstoffionen entlang der Fe–O-Bindungen an tetraedrischen Plätzen entspricht [17]. Die niedrigerfrequenten Peaks gehören ebenfalls zum spinellstrukturierten Cobaltferrit. Das Auftreten all dieser Peaks im Ramanspektrum bei angemessenen Energien bestätigt die erfolgreiche Bildung von PEG-beschichteten kubischen CoFe₂O₄-Nanopartikeln.

Ramanspektrum der Proben bei Raumtemperatur, aufgenommen im Frequenzbereich 190–1000 cm⁻¹

Die thermogravimetrische Analyse (TGA) der Proben (CoFe₂O₄, PEG und PEG-CoFe₂O₄) wurde zwischen 50 und 600 °C durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Diese Thermogramme zeigen, dass CoFe₂O₄-Nanopartikel ihr Gewicht im Bereich 200–300 °C verlieren, PEG sein Gewicht bei einer Temperatur unter 400 °C verliert, während PEG-CoFe₂O₄ sein Gewicht im Temperaturbereich 200–400 °C verliert. Es ist zu sehen, dass die thermische Stabilität von PEG relativ gering ist (durch die rechte Seite der Abbildung angezeigt); die thermische Stabilität von PEG-CoFe₂O₄ scheint jedoch mehr als 80 % zu betragen. Reine Cobaltferrit-Nanopartikel sind in Wasser unlöslich; nach der Beschichtung mit PEG können sie jedoch aufgrund ihrer hydrophilen Natur leicht in Wasser gelöst werden, wie in Abb. 6 gezeigt. In der Abbildung ist zu sehen, dass sich die Partikel mit der Zeit am Flaschenboden absetzen, was wahrscheinlich auf die Schwerkraft der Nanopartikel zurückzuführen ist. Abbildung 6 zeigt die zeitliche Entwicklung der Auflösung von PEG-beschichteten Cobaltferrit-Nanopartikeln. In unserem Fall dispergierten wir die Nanopartikel vor der Injektion in den Mäusekörper vollständig in Kochsalzlösung, um ihre ordnungsgemäße Verteilung in verschiedenen Organen der Mäuse zu gewährleisten.

Thermogravimetrische Analyse (TGA) von reinem CoFe₂O₄, PEG und PEG-beschichtetem CoFe₂O₄ im Temperaturbereich 50–600 °C

Löslichkeit von PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln in deionisiertem Wasser zu verschiedenen Zeitintervallen (5, 10, 30 und 60 min)

Biodistributionsstudien

Um die Menge des Nanoträgers in jedem Organ nach der Verabreichung in lebenden Organismen genau zu quantifizieren, wurde die Biodistribution von ⁹⁹ᵐTc-PEG-CoFe₂O₄ an normalen Mäusen durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Anreicherung von PEG-CoFe₂O₄ in Leber und Milz höher ist, wie in Abb. 7 dargestellt, und diese Ergebnisse stimmen mit Referenz [18] überein, wo die Anreicherung von radiomarkiertem Cobaltferrit 1 Stunde nach Injektion in Leber und Milz dreimal höher ist als die anderer magnetischer Nanopartikel. Der Grund dafür ist, dass Gewebe, die an das retikuloendotheliale System gebunden sind, wie Leber und Milz, diese Fremdpartikel weitgehend aufnehmen, da diese Organe Kupffer-Zellen besitzen, die eine Reinigungsfunktion ausüben und eine Hauptrolle bei der Entfernung von Nano- und Mikromaterialien aus der Körperzirkulation durch Phagozytose spielen [19]. In dieser Arbeit wird beobachtet, dass die Verteilung von PEG-CoFe₂O₄ in den Geweben mit der Zeit abnimmt, was bedeutet, dass PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikel über den Urin ausgeschieden werden. Die Niere ist das Ausscheidungssystem für die Nanopartikel über den Urin. In Abb. 7 wird die maximale Biodistribution in der Niere nach 1 Stunde beobachtet [20]. Die Blutanreicherung war nur unmittelbar nach der Injektion hoch, was auf eine relativ schnelle Clearance der Radioaktivität aus dem Blutpool des Körpers hinweist, wie in Abb. 7 gezeigt, was dem Fall bei Eisenoxid-Nanopartikeln mit PEG-Ketten ähnelt, die eine verlängerte Präsenz im Blutpool aufweisen [21, 22]. Zudem wurde festgestellt, dass die Biodistribution im Herzen sehr gering ist, was mit Referenz [23] übereinstimmt. Bemerkenswert ist, dass die Milz ein primärer Ort für die Zerstörung alter roter Blutkörperchen und das anschließende Recycling von hämoglobin-gebundenem Eisen ist [18, 24]. Es wurde beobachtet, dass im Laufe der Zeit langsamere, aber effizientere Prozesse in der Milz aktiv sind und besser in der Lage sind, die Nanopartikel aus der Zirkulation zu eliminieren, was zu erhöhten Geweberadioaktivitätskonzentrationen nach 1 Stunde post Injektion führt. Die Lungenaufnahme von PEG-CoFe₂O₄ war in unserer Studie durchgängig unbedeutend, wie in Abb. 7 gezeigt. Ähnliche Arbeiten wurden in Referenz [23] berichtet. Dies deutet darauf hin, dass keine Mikroaggregate irreversibel in den Lungenkapillaren gefangen werden können [23, 25, 26].

Biodistribution von PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln in Blut, Herz, Leber, Milz, Lunge und Niere nach verschiedenen Zeitintervallen (1, 6, 16 und 24 h) der Exposition gegenüber Mäusen. Die Fehlerbalken in den erhaltenen Daten sind in der Abbildung dargestellt

Dosisabhängiger Effekt von PEG-CoFe₂O₄ auf die Toxizität

Um potenzielle toxische Effekte von PEG-CoFe₂O₄ aufzudecken, führten wir Biochemietests an Mäusen in vivo durch. Dazu injizierten wir eine gemischte Lösung aus Kochsalzlösung und PEG-CoFe₂O₄ in unterschiedlichen Mengen (150, 250 und 350 µg) und töteten die Mäuse nach 24 Stunden. Für die Blutanalyse wurde das Blut entnommen und etwa 10 Minuten zentrifugiert, um das Serum zu erhalten. Verschiedene Parameter wurden mit Fokus auf Leber- und Nierenfunktionsmarker einschließlich Cys-C, CREA, ALT, AST, TB und BUN getestet. Diese Parameter wurden dann mit Kontrollgruppen mittels SPSS-Software (p < 0,05 bezeichnet einen signifikanten Unterschied) verglichen, und die Ergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt. Ein signifikanter Unterschied ist bei ALT, BUN und CREA-A zwischen Expositions- und Kontrollgruppen zu sehen. Es zeigt sich, dass TB und Cys-C, die hauptsächlich für einen Biomarker der Nierenfunktion verantwortlich sind, bei der Exposition von 150 µg pro Maus PEG-CoFe₂O₄ signifikant abnahmen und bei 250 µg pro Maus signifikant zunahmen, während sie bei 350 µg pro Maus wieder das normale Niveau erreichten. Dies deutet darauf hin, dass die Nierenfunktion bis zu einem gewissen Grad durch die Exposition gegenüber PEG-CoFe₂O₄ beeinträchtigt wird, das Gewebe jedoch nicht signifikant geschädigt wurde. AST, ein Biomarker für die Lebergesundheit, nahm bei der Exposition gegenüber allen Dosen signifikant ab, was darauf hindeutet, dass es die Leberfunktion stärker beeinflussen kann als die Kontrollgruppe. Aus all diesen Ergebnissen geht hervor, dass eine PEG-CoFe₂O₄-Dosis von 250 µg/Maus relativ mehr Schaden verursacht. Daher verwendeten wir für weitere Analysen und Tests in unserem Experiment 250 µg/Maus PEG-CoFe₂O₄-Dosis.

Biochemische Indizes im Serum nach unterschiedlichen Dosen (in µg) von PEG-CoFe₂O₄-Exposition an Mäusen mit Fehlerbalken

Wirkung von Curcumin auf die Toxizität von PEG-CoFe₂O₄

In dieser Studie wurde Curcumin eingesetzt, um die Entzündung durch den Schadenseffekt von PEG-CoFe₂O₄ zu reduzieren. Um den Effekt von Curcumin auf die Toxizität von PEG-CoFe₂O₄ zu untersuchen, wurden biochemische Indizes und Gewebehistologie der Mäuse gemessen. Diese biochemischen Indizes umfassen BUN, CREA, Cys-C, ALT, AST und TB im Serum der Behandlungsgruppen-Mäuse. Es zeigt sich, dass BUN, CREA, Cys-C und AST in den verschiedenen Curcumin-Dosierungen im Vergleich zur Expositionsgruppe signifikant abnehmen, während bei einer Dosierung von 150 µg/Maus Curcumin ALT, AST und CREA im Vergleich zur Kontrollgruppe wieder das normale Niveau erreichen, wie in Abb. 9 dargestellt. Bei TB- und ALT-Gehalten zeigen alle Curcumin-Dosierungen einen signifikanten Rückgang im Vergleich zur PEG-CoFe₂O₄-Expositionsgruppe. In Abb. 9 deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Curcumin einen positiven Behandlungseffekt auf den durch PEG-CoFe₂O₄ verursachten Schaden an Mäusen aufweist und verschiedene Curcumin-Dosierungen einen besseren Behandlungseffekt zeigen. Diese Arbeit untersucht den schützenden Effekt von Curcumin gegen die Serumwerte von Leberenzymen (ALT und AST) und Nierenenzymen (BUN, CREA, Cys-C und TB). In dieser Studie erhöhte PEG-CoFe₂O₄ die Serumwerte von ALT, AST, BUN, CREA, Cys-C und TB signifikant im Vergleich zur Kontrollgruppe, die sich nach Curcumin-Verabreichung größtenteils wieder dem Normalwert annäherten. Nekrose oder Zellmembranschäden können die Freisetzung dieser Enzyme in das Blut verursachen. Der Serumspiegel dieser Enzyme ist jedoch mit der Leber- und Nierenleistung assoziiert. In den Gruppen, die Curcumin erhielten, wurde die Menge dieser Enzyme reduziert, was die schützende Wirkung von Curcumin gegen die Toxizität von PEG-CoFe₂O₄-Nanopartikeln anzeigt. Dies ist auf den antioxidativen Effekt von Curcumin zurückzuführen, der oxidativen Stress reduziert. Zudem spielen TNF-α und IL-1 eine Rolle bei der Induktion von Lebernekrose. Daher kann Curcumin die Toxizitätswirkung reduzieren, indem es die Sekretion von TNF-α und IL-1 durch Makrophagen hemmt [11]. Diese Ergebnisse stimmen mit anderen in Referenz [27] berichteten Ergebnissen überein.

Biochemische Indizes im Serum in der Curcumin-Behandlungsgruppe der Mäuse mit in der Grafik angegebenen Fehlerbalken

Die histopathologische Analyse von Leber, Nieren und Milz wurde ebenfalls durchgeführt, um mögliche toxische Effekte der Nanopartikelverabreichung zu überprüfen. Die Organe jeder Maus wurden entnommen, in 10 % Formalin behandelt und in Paraffin eingebettet. Fünf-Mikrometer-Schnitte wurden mit Hämatoxylin-Eosin (H&E) gefärbt und mikroskopisch untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass in den analysierten Organen keine relevanten histopathologischen Veränderungen registriert wurden, die in Abb. 10 dargestellt sind. Die Untersuchungen von Leber und Milz zeigten, dass die Organarchitektur durch die Verabreichung von Cobaltferrit-Nanopartikeln nicht beeinträchtigt wurde. Dies ist auf zwei mögliche Gründe zurückzuführen: erstens ist die Partikelgröße der Nanopartikel relativ groß (d.h., 24 nm), und zweitens gaben wir eine kleine Dosis Cobaltferrit-Nanopartikel (d.h., 150, 250 und 350 µm) und töteten die Mäuse nach 24 Stunden. Dies beeinflusst also nur die Funktion der Organe, nicht jedoch deren Architektur. Dies ist ähnlich dem Fall, der von Autoren in Referenz [28] berichtet wurde, wo sie 20 mg/kg (höher als in unserem Fall) für 7 Tage verabreichten. Ebenso wurden in einem anderen in Referenz [29] berichteten Fall keine histopathologischen Veränderungen in den Organen überwacht.

Histologie-Schnitte von Geweben nach Exposition von PEG-CoFe₂O₄ oder Curcumin an Mäusen

Schlussfolgerung

In dieser Arbeit haben wir erfolgreich 24-nm PEG-beschichtete Cobaltferrit-Nanopartikel mittels hydrothermaler Technik hergestellt. Die durch unterschiedliche Dosen von PEG-Cobaltferrit-Nanopartikeln in verschiedenen Organen von Mäusen induzierte Toxizität wurde detailliert untersucht, und anschließend wurde ihr heilender Effekt mittels Curcumin studiert. Biologische Assays wurden durchgeführt, um die Toxizität von CoFe₂O₄-Nanopartikeln zu überprüfen. Positive Veränderungen wurden in den biochemischen Indizes nach der Behandlung mit Curcumin überwacht, die entweder das normale Niveau erreichten oder substantially abnahmen. Diese Studie zeigt, dass hydrothermal synthetisiertes, PEG-beschichtetes CoFe₂O₄ ein gutes Modell für einen Wirkstoffträger darstellt und Curcumin, ein natürlicher Wirkstoff ohne Nebenwirkungen, zur Behandlung von Toxizität sowie anderer Erkrankungen in lebenden Organismen eingesetzt werden könnte.

Abkürzungen

ALT:

Alanin-Aminotransferase

AST:

Aspartat-Transaminase

BUN:

Blutharnstoffstickstoff

CREA:

Kreatinin

Cys-C:

Cystatin C

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

H&E:

Hämatoxylin-Eosin

NPs:

Nanopartikel

Nrf2:

Nukleärer Faktor Erythroid 2-bezogener Faktor 2

PEG:

Polyethylenglycol

TB:

Gesamtbilirubin

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TGA:

Thermogravimetrische Analyse

TNF:

Tumornekrosefaktor

XRD:

Röntgendiffraktion