Abhängigkeit der Nanopartikeltoxizität von ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften

Hintergrund

Die International Organization for Standardization definiert Nanopartikel (NPs) als Strukturen, deren Größen in einer, zwei oder drei Dimensionen im Bereich von 1 bis 100 nm liegen. Abgesehen von der Größe können NPs nach ihren physikalischen Parametern klassifiziert werden, z. B. elektrische Ladung; chemische Eigenschaften, wie die Zusammensetzung des NP-Kerns oder der NP-Schale; Form (Rohre, Folien, Stäbe usw.); und Herkunft:natürliche NPs (NPs enthalten in Vulkanstaub, Viruspartikeln usw.) und künstliche NPs, die im Mittelpunkt dieses Reviews stehen.

Nanopartikel sind in der Elektronik, Landwirtschaft, Textilproduktion, Medizin und vielen anderen Industrien und Wissenschaften weit verbreitet. Die Toxizität von NP für lebende Organismen ist jedoch der Hauptfaktor, der ihren Einsatz bei der Behandlung und Diagnose von Krankheiten einschränkt. Derzeit stehen Forscher oft vor dem Problem der Balance zwischen der positiven therapeutischen Wirkung von Nanopartikeln und Nebenwirkungen im Zusammenhang mit ihrer Toxizität. In dieser Hinsicht ist die Wahl eines geeigneten experimentellen Modells zur Abschätzung der Toxizität zwischen in vitro (Zelllinien) und in vivo (Versuchstiere) von größter Bedeutung. Die NP-toxischen Wirkungen auf einzelne Zellbestandteile und einzelne Gewebe lassen sich in in vitro-Modellen leichter analysieren, während in vivo-Experimente eine Abschätzung der NP-Toxizität für einzelne Organe oder den gesamten Körper ermöglichen. Darüber hinaus hängt die mögliche toxische Wirkung von NPs von ihrer Konzentration, der Dauer ihrer Wechselwirkung mit lebender Materie, ihrer Stabilität in biologischen Flüssigkeiten und der Anreicherungsfähigkeit in Geweben und Organen ab. Die Entwicklung sicherer, biokompatibler NPs, die zur Diagnose und Behandlung menschlicher Krankheiten verwendet werden können, kann nur auf einem vollständigen Verständnis der Wechselwirkungen zwischen allen Faktoren und Mechanismen basieren, die der NP-Toxizität zugrunde liegen.

Medizinische Anwendungen von Nanopartikeln

In der Medizin können NP zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken eingesetzt werden. In der Diagnostik können sie als Fluoreszenzmarker zum Nachweis von Biomolekülen und Krankheitserregern sowie als Kontrastmittel in Magnetresonanz- und anderen Studien dienen. Darüber hinaus können NPs zur gezielten Abgabe von Medikamenten verwendet werden, einschließlich Protein- und Polynukleotidsubstanzen; bei der photodynamischen Therapie und thermischen Zerstörung von Tumoren sowie bei der prothetischen Reparatur [1,2,3,4,5,6]. Einige Arten von NPs werden in der Klinik bereits erfolgreich für die Wirkstoffabgabe und die Bildgebung von Tumorzellen eingesetzt [7,8,9].

In letzter Zeit häufen sich Beispiele für die Verwendung von Gold-NPs. Sie haben sich als effiziente Träger von Chemotherapeutika und anderen Medikamenten erwiesen. Gold-NPs sind hoch biokompatibel; Obwohl Gold als Substanz gegenüber biologischen Objekten inert ist, kann jedoch nicht argumentiert werden, dass dies auch für Gold-NPs gilt, da noch keine schlüssigen Daten zum Fehlen einer verzögerten toxischen Wirkung vorliegen [10]. Als Wirkstoffträger werden neben Gold-NPs bereits solche auf der Basis von Micellen, Liposomen [11] und Polymeren mit angelagerten „Fängermolekülen“ [12] verwendet. Ein- und mehrwandige Nanoröhren sind gute Beispiele für Nanopartikel, die für die Wirkstoffabgabe verwendet werden. Sie eignen sich zum Anbringen verschiedener funktioneller Gruppen und Moleküle für den gezielten Transport und ihre einzigartige Form ermöglicht es ihnen, selektiv biologische Barrieren zu durchdringen [13]. Die Verwendung von NPs als Vehikel für Arzneimittel erhöht die Spezifität der Abgabe und verringert die minimale Menge an NPs, die zum Erreichen und Aufrechterhalten der therapeutischen Wirkung erforderlich ist, wodurch die eventuelle Toxizität verringert wird. Dies ist insbesondere bei hochtoxischen und kurzlebigen Chemo- und Strahlentherapeutika wichtig [14].

Quantum Dots (QDs) bilden eine weitere Gruppe von NPs mit hohem Potenzial für den klinischen Einsatz. QDs sind Halbleiter-Nanokristalle mit einer Größe von 2 bis 10 nm. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur Fluoreszenz in verschiedenen Spektralbereichen, einschließlich des Infrarotbereichs [15], eignen sie sich zur Markierung und Abbildung von Zellen, Zellstrukturen oder pathogenen biologischen Agenzien sowie für verschiedene Prozesse in Zellen, Geweben und dem Körper als Ganzes [ 16,17,18], was wichtige diagnostische Implikationen hat [19, 20]. Auf superparamagnetischem Eisenoxid basierende Nanopartikel werden effizient als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) zur Bildgebung von Leber-, Knochenmark- und Lymphknotengewebe eingesetzt [21]. Es gibt auch ein Beispiel, bei dem radioaktiv markierte einwandige, mit Phospholipiden funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren zur Markierung von integrinhaltigen Tumoren und deren anschließender Detektion mittels Positronen-Emissions-Tomographie in Experimenten an Mäusen verwendet wurden [22].

Nanopartikel wurden auch bei der Entwicklung von Biosensoren verwendet, einschließlich solcher auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren zur Messung des Glukosespiegels [23], zum Nachweis spezifischer DNA-Fragmente und -Regionen [24] und zur Identifizierung von Bakterienzellen [25].

Silberne (oder silberhaltige) NPs üben antimikrobielle und zytostatische Wirkungen aus; Aus diesem Grund finden sie in der Medizin breite Anwendung, z. B. zur Behandlung von Bandagen, chirurgischen Instrumenten, Prothesen und Verhütungsmitteln [13, 22]. Es wurde berichtet, dass Silber-NPs als wirksame und sichere Konservierungsmittel in der Kosmetikindustrie dienen [26].

NPs können jedoch immer noch hochgiftig sein, selbst wenn die Unbedenklichkeit der Verwendung vieler ihrer chemischen Bestandteile in der Medizin nachgewiesen wurde. Die toxische Wirkung kann durch ihre einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften verursacht werden, die spezifischen Mechanismen der Interaktion mit lebenden Systemen zugrunde liegen. Dies bestimmt im Allgemeinen, wie wichtig es ist, die Ursachen und Mechanismen der potenziellen toxischen Wirkung von NPs zu untersuchen.

Mechanismen der Nanopartikeltoxizität

Die Toxizität von Nanopartikeln wird weitgehend durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmt, wie Größe, Form, spezifische Oberfläche, Oberflächenladung, katalytische Aktivität und das Vorhandensein oder Fehlen einer Hülle und aktiver Gruppen auf der Oberfläche.

Die geringe Größe von NPs ermöglicht es ihnen, durch epitheliale und endotheliale Barrieren in die Lymphe und das Blut einzudringen, um vom Blut- und Lymphstrom zu verschiedenen Organen und Geweben transportiert zu werden, einschließlich Gehirn, Herz, Leber, Nieren, Milz, Knochenmark und Nervensystem [27, 28] und werden entweder durch Transzytosemechanismen in Zellen transportiert oder diffundieren einfach durch die Zellmembran hinein. Nanomaterialien können auch durch die Einnahme den Zugang zum Blutkreislauf verbessern [29, 30]. Einige Nanomaterialien können die Haut durchdringen [31, 32] und noch größere Mikropartikel können die Haut durchdringen, wenn sie gebeugt wird [33]. Nanopartikel können aufgrund ihrer geringen Größe durch das Endothel in Entzündungsherde, Epithel (z. B. Darmtrakt und Leber), Tumoren gelangen oder Mikrokapillaren durchdringen [34]. Experimente, die die toxischen Wirkungen von NPs auf den Körper modellieren, haben gezeigt, dass NPs Thrombose verursachen, indem sie die Thrombozytenaggregation [35], Entzündung der oberen und unteren Atemwege, neurodegenerative Erkrankungen, Schlaganfall, Myokardinfarkt und andere Erkrankungen verstärken [36,37,38 ]. Beachten Sie, dass NPs nicht nur in Organe, Gewebe und Zellen eindringen können, sondern auch in Zellorganellen, z. B. Mitochondrien und Kerne; dies kann den Zellstoffwechsel drastisch verändern und DNA-Läsionen, Mutationen und den Zelltod verursachen [39].

Es wurde gezeigt, dass die Toxizität von QDs direkt mit dem Austritt freier Ionen von Metallen in ihren Kernen wie Cadmium, Blei und Arsen bei der Oxidation durch Umwelteinflüsse zusammenhängt. QDs können von Mitochondrien aufgenommen werden und morphologische Veränderungen und Funktionsstörungen der Organellen verursachen [40]. Eintritt Cadmium-basierter QDs in Zellen und Bildung von freiem Cd ²⁺ Ionen verursachen oxidativen Stress [41, 42].

Neuere Studien haben gezeigt, dass der Kontakt von Lungengewebe mit NPs mit einer Größe von etwa 50 nm zur Perforation der Membranen von Alveolarzellen vom Typ I und dem daraus resultierenden Eindringen der NPs in die Zellen führt. Dies wiederum verursacht eine Zellnekrose, was durch die Freisetzung von Laktatdehydrogenase belegt wird [43]. Es gibt Hinweise darauf, dass die QD-Penetration die Fluidität der Zellmembran erhöht [44]. Andererseits kann die durch Peroxidation von Membranlipiden induzierte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zum Verlust der Membranflexibilität führen, was neben einer ungewöhnlich hohen Fluidität unweigerlich zum Zelltod führt.

Auch die Interaktion von NPs mit dem Zytoskelett kann dieses schädigen. Zum Beispiel TiO₂ NPs induzieren Konformationsänderungen in Tubulin und hemmen seine Polymerisation [45], was den intrazellulären Transport, die Zellteilung und die Zellmigration stört. In humanen Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs) behindert eine Schädigung des Zytoskeletts die Reifung von Koordinationsadhäsionskomplexen, die das Zytoskelett mit der extrazellulären Matrix verbinden, wodurch die Bildung des Gefäßnetzwerks gestört wird [46].

Darüber hinaus kann die NP-Zytotoxizität die Zelldifferenzierung und Proteinsynthese beeinträchtigen sowie proinflammatorische Gene und die Synthese von Entzündungsmediatoren aktivieren. Es sollte besonders darauf hingewiesen werden, dass normale Schutzmechanismen NPs nicht beeinflussen; Die Aufnahme großer PEGylierter Nanopartikel durch Makrophagen ist effizienter als die Aufnahme kleiner, was zu einer Akkumulation von NPs im Körper führt [47]. Es wurde gezeigt, dass superparamagnetische Eisenoxid-NPs die osteogene Differenzierung von Stammzellen stören oder vollständig unterdrücken und die Synthese von Signalmolekülen, Tumorantigenen usw. aktivieren [48, 49]. Darüber hinaus erhöht die Interaktion von NPs mit der Zelle die Expression der Gene, die für die Bildung von Lysosomen verantwortlich sind [50], stört deren Funktion [51] und hemmt die Proteinsynthese [52, 53]. Eine Studie zur toxischen Wirkung von NPs unterschiedlicher Zusammensetzung auf Lungenepithelzellen und humane Tumorzelllinien hat gezeigt, dass NPs die Synthese von Entzündungsmediatoren, z. B. Interleukin 8 stimulieren [54]. Laut Park, der die Expression von proinflammatorischen Zytokinen in vitro und in vivo untersuchte, wird die Expression von Interleukin 1 beta (IL-1β) und Tumornekrosefaktor alpha (TNFα) als Reaktion auf Silizium-NPs verstärkt [55].

Die Oxidation sowie die Wirkung verschiedener Enzyme auf die Hülle und Oberfläche von Nanopartikeln führt zu deren Abbau und Freisetzung von freien Radikalen. Neben der toxischen Wirkung freier Radikale, die sich in Oxidation und Inaktivierung von Enzymen, Mutagenese und Störung chemischer Reaktionen, die zum Zelltod führen, äußert, führt der Abbau von NPs zu einer Veränderung oder zum Verlust ihrer eigenen Funktionalität (z. B. Verlust des magnetischen Moments). und die Veränderungen des Fluoreszenzspektrums und des Transports oder anderer Funktionen) [56, 57].

Zusammenfassend sind die häufigsten Mechanismen der NP-Zytotoxizität die folgenden:

1. 1.

   NPs können eine Oxidation durch die Bildung von ROS und anderen freien Radikalen verursachen;

2. 2.

   NPs können Zellmembranen beschädigen, indem sie sie perforieren;

3. 3.

   NPs schädigen Komponenten des Zytoskeletts, stören den intrazellulären Transport und die Zellteilung;

4. 4.

   NPs stören die Transkription und schädigen die DNA, wodurch die Mutagenese beschleunigt wird;

5. 5.

   NPs schädigen Mitochondrien und stören ihren Stoffwechsel, was zu einem Ungleichgewicht der Zellenergie führt;

6. 6.

   NPs stören die Bildung von Lysosomen, behindern dadurch die Autophagie und den Abbau von Makromolekülen und lösen die Apoptose aus;

7. 7.

   NPs verursachen strukturelle Veränderungen in Membranproteinen und stören den Transport von Substanzen in und aus Zellen, einschließlich des interzellulären Transports;

8. 8.

   NPs aktivieren die Synthese von Entzündungsmediatoren, indem sie die normalen Mechanismen des Zellstoffwechsels sowie des Gewebe- und Organstoffwechsels stören (Abb. 1).

Mechanismen der Zellschädigung durch Nanopartikel. (1) Physische Schädigung von Membranen [43, 67, 75]. (2) Strukturelle Veränderungen der Zytoskelettkomponenten [45, 46]. (3) Störung der Transkription und oxidative Schädigung der DNA [61, 62]. (4) Schädigung von Mitochondrien [39, 40]. (5) Störung der Lysosomenfunktion [51]. (6) Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies [61]. (7) Störung der Membranproteinfunktionen [172]. (8) Synthese von Entzündungsfaktoren und Mediatoren [54, 55]

Obwohl es zahlreiche Mechanismen der NP-Toxizität gibt, ist es notwendig, die Art und den Mechanismus jeder einzelnen toxischen Wirkung von NPs in Abhängigkeit von ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften zu bestimmen und zu klassifizieren.

Beziehungen zwischen der Toxizität von Nanopartikeln und ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften

Es wird angenommen, dass die Toxizität von Nanopartikeln von ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften abhängt, einschließlich der Größe, Form, Oberflächenladung, der chemischen Zusammensetzung des Kerns und der Hülle und der Stabilität. Insbesondere haben Oh et al. unter Verwendung der Daten-Metaanalyse von 307 Veröffentlichungen, die 1741 Datenproben zur Zelllebensfähigkeit beschreiben, kürzlich die CdSe-Quantenpunkttoxizität analysiert. Es wurde gezeigt, dass die QD-Nanotoxizität eng mit ihren Oberflächeneigenschaften (einschließlich Hüllen-, Ligand- und Oberflächenmodifikationen), Durchmesser, verwendetem Toxizitätsassaytyp und der Expositionszeit korreliert [58]. Welcher dieser Faktoren der wichtigste ist, wird durch die spezifische Versuchsaufgabe und das Modell bestimmt; Daher werden wir jetzt jeden Faktor separat betrachten.

Nanopartikelgröße und -toxizität

Die NP-Größe und -Oberfläche spielen eine wichtige Rolle und bestimmen weitgehend den einzigartigen Mechanismus der NP-Wechselwirkung mit lebenden Systemen. NPs zeichnen sich durch eine sehr große spezifische Oberfläche aus, die ihre hohe Reaktionskapazität und katalytische Aktivität bestimmt. Die Größen von NPs (von 1 bis 100 nm) sind vergleichbar mit der Größe von Proteinkügelchen (2–10 nm), dem Durchmesser der DNA-Helix (2 nm) und der Dicke der Zellmembranen (10 nm), wodurch sie leicht dringen in Zellen und Zellorganellen ein. Huo et al. haben gezeigt, dass Gold-NPs, die nicht größer als 6 nm sind, effektiv in den Zellkern eindringen, während große NPs (10 oder 16 nm) nur durch die Zellmembran dringen und nur im Zytoplasma gefunden werden. Dies bedeutet, dass NPs mit einer Größe von mehreren Nanometern toxischer sind als NPs von 10 nm oder größer, die nicht in den Kern eindringen können [59]. Panet al. haben die Abhängigkeit der Toxizität von Gold-NPs von ihrer Größe im Bereich von 0,8 bis 15 nm verfolgt. Es wurde festgestellt, dass die NPs mit einer Größe von 15 nm für Fibroblasten, Epithelzellen, Makrophagen und Melanomzellen 60-mal weniger toxisch sind als 1,4-nm-NPs. Bemerkenswert ist auch, dass 1,4-nm-NPs Zellnekrose verursachen (innerhalb von 12 h nach ihrer Zugabe zum Zellkulturmedium), während 1,2-nm-NPs überwiegend Apoptose verursachen [60]. Diese Daten legen nicht nur nahe, dass NPs in den Zellkern eindringen können, sondern auch, dass die Entsprechung der geometrischen Größe der NPs (1,4 nm) mit der der großen Furche der DNA es ihnen ermöglicht, effektiv mit dem negativ geladenen Zucker-Phosphat-DNA-Rückgrat zu interagieren und die Transkription blockieren [61, 62].

Darüber hinaus bestimmt die NP-Größe maßgeblich, wie die NPs mit den Transport- und Abwehrsystemen von Zellen und dem Körper interagieren. Diese Wechselwirkung beeinflusst wiederum die Kinetik ihrer Verteilung und Ansammlung im Körper. Das Übersichtspapier von [63] präsentiert sowohl theoretische Überlegungen als auch zahlreiche experimentelle Daten, die belegen, dass NPs kleiner als 5 nm Zellbarrieren normalerweise unspezifisch überwinden, z . Als optimal für die Pinozytose gilt eine NP-Größe von ca. 25 nm, die jedoch auch stark von der Zellgröße und dem Zelltyp abhängt [63, 64]. In-vivo-Experimente haben gezeigt, dass NPs kleiner als 10 nm bei intravenöser Verabreichung schnell auf alle Organe und Gewebe verteilt werden, während die meisten größeren NPs (50–250 nm) in Leber, Milz und Blut gefunden werden [65]. Dies legt nahe, dass große NPs von spezifischen Abwehrsystemen des Körpers erkannt und vom System der mononuklearen Phagozyten aufgenommen werden, wodurch sie daran gehindert werden, in andere Gewebe einzudringen. Außerdem haben Talamini et al. behaupteten, dass die Größe und Form der NP die Kinetik der Akkumulation und Ausscheidung von Gold-NPs in Filterorganen beeinflusst, und dass sich nur sternförmige Gold-NPs in der Lunge anreichern können. Sie haben auch gezeigt, dass die Veränderungen der NP-Geometrie die NP-Passage der Blut-Hirn-Schranke nicht verbessern [66].

Die große spezifische Oberfläche gewährleistet eine effektive Adsorption von NPs auf der Zelloberfläche. Dies wurde in einer Studie zur hämolytischen Aktivität von 100- bis 600-nm-mesoporösen Siliziumpartikeln gegenüber humanen Erythrozyten gezeigt [67]. Die Partikel mit einer Größe von 100 nm wurden effektiv an der Erythrozytenoberfläche adsorbiert, ohne eine Zellzerstörung oder morphologische Veränderungen in den Zellen zu verursachen, während 600-nm-Partikel die Membran verformten und in die Zellen eindrangen, was zu einer Zerstörung der Erythrozyten (Hämolyse) führte [67].

Form und Toxizität von Nanopartikeln

Die charakteristischen Formen von NPs sind Kugeln, Ellipsoide, Zylinder, Platten, Würfel und Stäbe. Die NP-Toxizität hängt stark von ihrer Form ab. Dies wurde für zahlreiche NPs unterschiedlicher Form und chemischer Zusammensetzung gezeigt [68,69,70,71]. Beispielsweise sind kugelförmige NPs anfälliger für Endozytose als Nanoröhren und Nanofasern [72]. Es hat sich gezeigt, dass einwandige Kohlenstoffnanoröhren Calciumkanäle effektiver blockieren als kugelförmige Fullerene [73].

Ein Vergleich der Auswirkungen von Hydroxyapatit-NPs mit unterschiedlichen Formen (nadelförmig, plättchenförmig, stäbchenförmig und kugelförmig) auf kultivierte BEAS-2B-Zellen hat gezeigt, dass platten- und nadelförmige NPs zum Tod eines größeren Anteils von Zellen als kugel- und stäbchenförmige NPs [74]. Dies ist teilweise auf die Fähigkeit von platten- und nadelförmigen NPs zurückzuführen, Zellen und Gewebe bei direktem Kontakt zu schädigen. Huet al. [75] erhielten interessante Daten, als sie die Schädigung von Säugerzellen durch Graphenoxid-Nanoblätter untersuchten. Die Toxizität dieser NPs wurde durch ihre Form bestimmt, die es ihnen ermöglichte, die Zellmembran physikalisch zu schädigen. Es wurde jedoch festgestellt, dass ihre Toxizität mit einem Anstieg der fötalen Kälberserumkonzentration im Kulturmedium abnahm. Dies wurde durch eine hohe Kapazität von Graphenoxid-NPs zur Adsorption von Proteinmolekülen erklärt, die die NP-Oberfläche bedecken, wodurch die Form der NPs verändert und die Beschädigung von Zellmembranen teilweise verhindert wird [75].

Chemische Zusammensetzung und Toxizität von Nanopartikeln

Obwohl die Toxizität von NPs stark von ihrer Größe und Form abhängt, sollte der Einfluss anderer Faktoren, wie der chemischen Zusammensetzung und der Kristallstruktur der NPs, nicht außer Acht gelassen werden. Vergleich der Effekte von 20-nm-Siliziumdioxid (SiO₂ ) und Zinkoxid (ZnO)-NPs auf Mausfibroblasten hat gezeigt, dass sie sich in den Toxizitätsmechanismen unterscheiden. ZnO-NPs verursachen oxidativen Stress, während SiO₂ NPs verändern die DNA-Struktur [76].

Die Toxizität von Nanopartikeln wird in der Tat weitgehend durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt. Es wurde gezeigt, dass ein Abbau von NPs auftreten kann und sein Ausmaß von den Umgebungsbedingungen, z. B. pH oder Ionenstärke, abhängt. Die häufigste Ursache für die toxische Wirkung von NPs, die mit Zellen interagieren, ist das Austreten von Metallionen aus dem NP-Kern. Die Toxizität hängt auch von der Zusammensetzung des Kerns von NPs ab. Einige Metallionen, wie Ag und Cd, sind tatsächlich toxisch und schädigen daher die Zellen. Andere Metallionen, wie Fe und Zn, sind biologisch nützlich, aber in hohen Konzentrationen könnten sie zelluläre Wege schädigen und daher eine hohe Toxizität verursachen. Dieser Effekt kann jedoch verringert werden, z. B. durch Beschichten von NP-Kernen mit dicken Polymerhüllen, Siliciumdioxidschichten oder Goldhüllen anstelle von kurzen Liganden oder durch die Verwendung ungiftiger Verbindungen für die NP-Synthese. Andererseits könnte die Zusammensetzung des Kerns durch Zugabe anderer Metalle verändert werden. Dies kann zu einer verbesserten chemischen Stabilität gegenüber dem Abbau von Nanopartikeln und dem Austritt von Metallionen in den Körper führen [77].

Die Toxizität von Nanopartikeln hängt auch von ihrer Kristallstruktur ab. Die Beziehung zwischen Kristallstruktur und Toxizität wurde an einer humanen Bronchialepithelzelllinie und Titanoxid-NPs mit unterschiedlichen Kristallgittertypen untersucht. Es wurde gezeigt, dass NPs mit einer rutilähnlichen Kristallstruktur (prismenförmiges TiO₂ Kristalle) verursachen oxidative Schäden der DNA, Lipidperoxidation und Bildung von Mikronuklei, was auf eine abnormale Chromosomensegregation während der Mitose hindeutet, während NPs mit anatasähnlicher Kristallstruktur (oktaedrisches TiO₂ Kristalle) gleicher Größe sind ungiftig [78]. Es sollte beachtet werden, dass die NP-Kristallstruktur je nach Umgebung variieren kann, z. B. bei Wechselwirkung mit Wasser, biologischen Flüssigkeiten oder anderen Dispersionsmedien. Es gibt Hinweise darauf, dass das Kristallgitter von ZnS-NPs bei Kontakt mit Wasser in eine geordnetere Struktur umgelagert wird [79].

Nanopartikel-Oberflächenladung und -toxizität

Die Oberflächenladung von NPs spielt eine wichtige Rolle für ihre Toxizität, da sie maßgeblich die Wechselwirkungen von NPs mit biologischen Systemen bestimmt [80, 81].

NP-Oberflächen und ihre Ladungen konnten durch das Pfropfen unterschiedlich geladener Polymere modifiziert werden. PEG (Polyethylenglykol) oder Folsäure wird häufig verwendet, um die intrazelluläre Aufnahme von NP und die Fähigkeit, spezifische Zellen anzugreifen, zu verbessern [82]. Auch über die Synthese biokompatibler TiO2-Nanopartikel mit funktionellen NH2- oder SH-Gruppen wurde berichtet [83]. Andere Substanzen wie Methotrexat, Polyethylenimin und Dextran wurden ebenfalls verwendet, um NP-Oberflächen und ihre Ladung zu modifizieren [84].

Eine hohe Toxizität positiv geladener NPs wird durch ihre Fähigkeit erklärt, leicht in Zellen einzudringen, im Gegensatz zu negativ geladenen und neutralen NPs. Dies wird durch die elektrostatische Anziehung zwischen den negativ geladenen Zellmembran-Glykoproteinen und positiv geladenen NPs erklärt. Ein Vergleich der zytotoxischen Wirkungen von negativ und positiv geladenen Polystyrol-NPs auf HeLa- und NIH/3T3-Zellen hat gezeigt, dass letztere NPs toxischer sind. Dies liegt nicht nur daran, dass positiv geladene NPs die Membran effektiver durchdringen, sondern auch, weil sie stärker an die negativ geladene DNA gebunden sind, deren Schädigung und damit eine Verlängerung der G0/G1-Phase des Zellzyklus verursachen. Negativ geladene NPs haben keinen Einfluss auf den Zellzyklus [85]. Ähnliche Ergebnisse wurden für positiv und negativ geladene Gold-NPs erhalten, wobei positive NPs in größeren Mengen und schneller von Zellen absorbiert werden als negative und toxischer sind [86].

Positiv geladene NPs haben eine erhöhte Opsonisierungsfähigkeit, d. h. Adsorption von Proteinen, die die Phagozytose erleichtern, einschließlich Antikörpern und Komplementkomponenten, aus Blut und biologischen Flüssigkeiten [87]. Die adsorbierten Proteine, die als Proteinkrone bezeichnet werden, können die Oberflächeneigenschaften von NPs beeinflussen. Sie können beispielsweise die Oberflächenladung, die Aggregationseigenschaften und/oder den hydrodynamischen Durchmesser von NPs verändern. Darüber hinaus führt die Adsorption von Proteinen an der NP-Oberfläche zu Konformationsänderungen, die die funktionellen Aktivitäten der adsorbierten Proteine ​​verringern oder vollständig inhibieren können. Die Proteinkrone besteht hauptsächlich aus wichtigen Serumproteinen wie Albumin, Fibrinogen und Immunglobulin G sowie anderen Effektor-, Signal- und funktionellen Molekülen [88, 89]. Die Bindung an NPs verändert die Proteinstruktur, was zum Verlust ihrer enzymatischen Aktivität, Störung biologischer Prozesse und Ausfällung geordneter Polymerstrukturen, z. B. Amyloidfibrillen, führt [90]. Dies kann zu verschiedenen Krankheiten wie Amyloidose führen. In-vitro-Experimente haben gezeigt, dass mit einem hydrophilen Polymer beschichtete QDs die Bildung von Fibrillen des menschlichen β₂ . beschleunigen Mikroglobulin, die dann auf der Partikeloberfläche zu mehrschichtigen Strukturen angeordnet werden; dies führt zu einer lokalen Erhöhung der Proteinkonzentration auf der NP-Oberfläche, Ausfällung und Bildung von Oligomeren [91].

Xuet al. entwickelten eine Methode zur Änderung der NP-Ladung von negativ zu positiv durch verschiedene Modifikationen der Oberfläche. Beispielsweise wurden Polymer-NPs mit einem pH-empfindlichen Polymer so modifiziert, dass sie in einem neutralen Medium negativ geladen und in einem sauren Medium bei pH 5–6 positiv geladen wurden [92]. Diese Technik ermöglicht es, die Geschwindigkeit der NP-Aufnahme durch Zellen erheblich zu erhöhen, was für die Wirkstoffabgabe an Tumorzellen verwendet werden könnte. Die Abschätzung der Zytotoxizität von oberflächenmodifizierten Ceroxid-NPs für H9C2-, HEK293-, A549- und MCF-7-Zellen hat gezeigt, dass grundsätzlich unterschiedliche biologische und toxische Wirkungen durch die Verwendung verschiedener Polymere erzielt werden können, um die NPs positiv oder negativ geladen oder neutral zu machen. Konkret werden positiv geladene und neutrale NPs von allen Zelltypen gleich schnell resorbiert, während sich negativ geladene überwiegend in Tumorzellen anreichern [93]. Somit ermöglicht eine Modifikation der NP-Ladung die Kontrolle ihrer Lokalisierung und Toxizität, was zur Entwicklung wirksamer Systeme zur Abgabe von Chemotherapeutika an Tumore verwendet werden könnte.

Nanopartikelhülle und Toxizität

Das Aufbringen einer Hülle auf die Oberfläche von NPs ist notwendig, um ihre optischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften zu ändern; es wird verwendet, um die Biokompatibilität und Löslichkeit von Nanopartikeln in Wasser und biologischen Flüssigkeiten zu verbessern, indem es ihre Aggregationskapazität verringert, ihre Stabilität erhöht usw. Somit verringert die Hülle die Toxizität von Nanopartikeln und verleiht ihnen die Fähigkeit zur selektiven Interaktion mit verschiedenen Zelltypen und biologische Moleküle. Darüber hinaus beeinflusst die Hülle die NP-Pharmakokinetik erheblich, indem sie die Muster der NP-Verteilung und -Anreicherung im Körper verändert [94].

Wie oben erwähnt, hängt die NP-Toxizität weitgehend mit der Bildung freier Radikale zusammen [40, 57, 95, 96]. Die Hülle kann diesen negativen Effekt jedoch erheblich abmildern oder eliminieren sowie NPs stabilisieren, ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen erhöhen, die Freisetzung toxischer Substanzen aus ihnen verringern oder sie gewebespezifisch machen [97]. Cho et al. modifizierten Polymer-NPs durch Beschichtung mit Lektinen. Die modifizierten NPs banden selektiv an Tumorzellen, die Sialinsäuremoleküle auf der Oberfläche präsentierten, was die NPs für die spezifische Markierung von Krebszellen geeignet machte [98].

Die NP-Oberfläche kann sowohl mit organischen als auch mit anorganischen Verbindungen modifiziert werden, z. B. Polyethylenglycol, Polyglycolsäure, Polymilchsäure, Lipide, Proteine, Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht und Silizium. Diese Vielfalt an Modifikatoren ermöglicht die Bildung komplexer Systeme auf der NP-Oberfläche zur Veränderung der NP-Eigenschaften und zu deren spezifischem Transport und Anreicherung.

Nanopartikel, die mit Hüllen aus synthetischen Polymeren beschichtet sind, werden zum Transport von Antigenen verwendet und dienen somit als Adjuvantien, die die Immunantwort verstärken. Dies ermöglicht den Erhalt von Impfstoffen gegen Antigene, die Ziele einer starken natürlichen unspezifischen zellulären Immunität sind [99].

Die Hülle wird häufig zur Verbesserung der Solubilisierung und Verringerung der Toxizität von QDs verwendet, da ihre Metallkerne hydrophob sind und hauptsächlich aus giftigen Schwermetallen wie Cadmium, Tellur und Quecksilber bestehen. Die Hülle erhöht die Stabilität des QD-Kerns und verhindert dessen Entsalzung und oxidativen oder photolytischen Abbau. Dies wiederum verringert den Austritt von Metallionen aus dem QD-Kern und damit die Toxizität von QDs [100,101,102].

Studie zur Toxizität von Nanopartikeln

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Verwendung von Nanopartikeln enorm ausgeweitet und zur Grundlage der Nanotoxikologie geführt, einer neuen Wissenschaft, die die potenziellen toxischen Wirkungen von Nanopartikeln auf biologische und ökologische Systeme untersucht. Das allgemeine Ziel der Nanotoxikologie ist es, Regeln für die Synthese sicherer NPs zu entwickeln [103]. Dies erfordert einen umfassenden, systemischen Ansatz zur Analyse der toxischen Eigenschaften von Nanopartikeln und ihrer Auswirkungen auf Zellen, Gewebe, Organe und den Körper als Ganzes.

Zur Untersuchung der Wirkungen verschiedener Substanzen auf lebende Systeme, die auch auf NP-toxische Wirkungen anwendbar sind, gibt es zwei routinemäßige Ansätze:In-vitro-Experimente an Modellzelllinien und In-vivo-Experimente an Versuchstieren. Den dritten möglichen Ansatz zur Abschätzung der NP-Toxizität, die Computersimulation, betrachten wir hier nicht, da die Wege und Mechanismen der toxischen Wirkungen von NPs nicht gut genug bekannt sind, um ein Computermodell die Folgen der Wechselwirkungen zwischen NPs und lebender Materie für a . vorherzusagen breites Spektrum an NPs mit ausreichender Zuverlässigkeit.

Sowohl Zellkultur- als auch tierexperimentelle Modelle zur Untersuchung der NP-Toxizität haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Erstere ermöglichen einen tieferen Einblick in die molekularen Mechanismen der Toxizität und die Identifizierung der primären Angriffspunkte von NPs; die Verteilungsmuster von NPs im Körper und deren Transport zu verschiedenen Geweben und Zellen werden jedoch nicht berücksichtigt. Die tierexperimentelle Untersuchung der NP-Toxizität erlaubt eine Abschätzung der verzögerten Wirkung der NP-Wirkung in vivo. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.

Study of Toxicity in Cell Cultures

Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.

The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).

The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).

The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).

Co-cultured Cell Lines and 3D Cell Cultures

Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].

It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Liet al. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.

In vivo Study of Nanoparticle Toxicity

In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.

Titandioxid (TiO₂ .) ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO₂ NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO₂ NPs are relatively harmless.

Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.

Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.

Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].

The possible reasons why quantum dots may be nontoxic in animal models. (1) The shell prevents the leakage of heavy metals into the body [129, 135]. (2) Quantum dots are localized in the liver and subsequently eliminated from the body [135, 173]. (3) The protein crown around quantum dots protects the body from heavy metals [132, 174]

Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhanget al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.

Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.

Huet al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.

Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS₂ /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].

Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].

However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.

Schlussfolgerungen

The potential toxicity of NPs is the main problem of their use in medicine. Therefore, not only positive results of the use of NPs, but also the possible unpredictable negative consequences of their action on the human body, should be scrutinized. The toxicity of NPs is related to their distribution in the bloodstream and lymph stream and their capacities for penetrating into almost all cells, tissues, and organs and interacting with various macromolecules and altering their structure, thereby interfering with intracellular processes and the functioning of whole organs. The NP toxicity strongly depends on their physical and chemical properties, such as the shape, size, electric charge, and chemical compositions of the core and shell. Many types of NPs are not recognized by the protective systems of cells and the body, which decreases the rate of their degradation and may lead to considerable accumulation of NPs in organs and tissues, even to highly toxic and lethal concentrations. However, a number of approaches to designing NPs with a decreased toxicity compared to the traditional NPs are already available. Advanced methods for studying the NP toxicity make it possible to analyze different pathways and mechanisms of toxicity at the molecular level, as well as reliably predict the possible negative effect at the body level.

Thus, it is obvious that designing NPs that have small or no negative effects is impossible unless all qualitative and quantitative physical and chemical properties of NPs are systematically taken into consideration and a relevant experimental model for estimating their influence on biological systems is available.

Abkürzungen

FDA:

Food and Drug Administration

IL-1β:

Interleukin-1-beta

MRT:

Magnetic resonance tomography

NP:

Nanopartikel

QD:

Quantenpunkt

ROS:

Reaktive Sauerstoffspezies

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TNFα:

Tumor necrosis factor alpha