Lanthan-Strontium-Manganit-Nanopartikel: Toxizität für Atemwegsepithelzellen und Einfluss auf Mukussekretion

Zusammenfassung

Die Nanopartikel-Toxizitätsforschung hat sich intensiviert, da diese Materialien allgegenwärtig in Alltagsprodukten werden. Bestimmte Nanopartikel können Mukussekretion stimulieren, was potenziell die Atemwegsintegrität schädigt. Lanthan-Strontium-Manganit (LSM) ist ein Perowskit-Nanopartikel, der umfangreich in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, robuster elektrochemischer Aktivität für die O₂-Reduktionsreaktion, thermischer Stabilität und langfristiger Leistung eingesetzt wird. Allerdings existieren begrenzte Daten zu LSMs biologischen Effekten. In dieser Studie wurden primäre Trachea-Epithelzellen LSM-Konzentrationen bis zu 500 µg mL⁻¹ ausgesetzt. Die Ergebnisse zeigten nur moderate Effekte auf Zelllebensfähigkeit, reaktive Sauerstoffspezies (ROS)-Produktion, Cytochrom-C-Freisetzung und Caspase-3-Expression. Während Apoptose-Marker weitgehend unverändert blieben, hemmte LSM die Mukussekretion signifikant in einer dosisabhängigen Weise. Daher zeigt LSM zwar geringe Zytotoxizität gegenüber Atemwegszellen, seine Kapazität, die Mukusproduktion zu reduzieren, könnte die Atemwegsreinigung beeinträchtigen.

Einführung

Lanthan-Strontium-Manganit (LSM) besitzt eine Perowskit-Kristallstruktur mit der allgemeinen Formel La₁₋ₓSrₓMnO₃, wobei x den Strontium-Dotierungsgrad widerspiegelt. Dieses Material kann als Pulver für Bandgießen, Luft/thermisches/Plasma-Spritzen und Brennstoffzellen-Anwendungen verarbeitet werden. LSMs hohe Oberfläche und elektrochemische Leistung machen es zu einem führenden Elektrodenkandidaten für SOFCs, die zentral für die aufkommende Wasserstoffwirtschaft sind. Trotz umfangreicher Studien zu LSMs mechanischen und elektrischen Eigenschaften bleiben seine biologischen Wechselwirkungen unerforscht. Viele Nanopartikel sind bekannt dafür, Mukussekretion zu erhöhen und zu Atemwegserkrankungen beizutragen. Neue Hinweise deuten darauf hin, dass LSM auch als Wirkstoffträger oder Bildgebungs-Kontrastmittel dienen könnte, aber seine potenzielle Toxizität muss vor jeglicher biomedizinischer Anwendung geklärt werden. Diese Untersuchung bewertet LSMs zytotoxisches Profil in primären Trachea-Epithelzellen, bewertend ROS-Generierung, mitochondriale Integrität, Apoptose und Mukussekretion.

Ergebnisse und Diskussion

Nanopartikel-Charakterisierung und Zelllebensfähigkeit

Die Oberflächenmorphologie wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. LSM-Nanopartikel zeigten eine grobe Oberfläche und aggregierten zu Clustern von ~35 nm bis >200 nm (Abb. 1). Die Zelllebensfähigkeit wurde mit dem CCK-8-Assay gemessen. Die Lebensfähigkeit sank stark zwischen 50 und 100 µg mL⁻¹, plateauierte danach aber und blieb bei höheren Konzentrationen stabil (Abb. 2).

ROS-Produktion und Mucin-Freisetzung

ROS-Level wurden mittels CM-H₂DCFDA-Fluoreszenz quantifiziert. Steigende LSM-Konzentrationen erhöhten ROS nicht signifikant; der 250 µg mL⁻¹-Punkt zeigte die größte Abweichung, blieb aber statistisch nicht signifikant (Abb. 3). Mucin-Sekretion, gemessen durch enzymgebundene Lektin-Assay (ELLA), nahm progressiv mit höheren LSM-Dosen ab, fiel auf ~40 % der Kontrolle bei 500 µg mL⁻¹ (Abb. 4).

Mitochondriale Integrität und Apoptose

JC-1-Färbung zeigte mitochondriale Depolarisation bei Konzentrationen ≥100 µg mL⁻¹ (Abb. 5). Trotz diesem zeigten Cytochrom-C-Freisetzung und Caspase-3-Aktivierung nur moderate Reduktionen, was auf begrenzte Apoptose-Induktion hinweist (Abb. 6).

Schlussfolgerungen

Diese erste Bewertung der LSM-Toxizität in Atemwegsepithelzellen demonstriert vernachlässigbare Zytotoxizität und Apoptose, aber eine ausgeprägte Hemmung der Mukussekretion. Während ROS-Generierung und mitochondriale Schäden minimal waren, könnte die reduzierte Mukusfreisetzung die Atemwegsreinigung beeinträchtigen und erfordert sorgfältige Evaluierung für zukünftige Anwendungen in Energie- und biomedizinischen Feldern.

Materialien und Methoden

Kultur primärer Tracheazellen

Primäre bovine Trachea-Epithelzellen wurden nach etablierten Protokollen isoliert, in serumfreiem Medium (SFM) supplementiert mit EGF 1-53 und bovinem Hypophysenextrakt (BPE) kultiviert und auf kollagenbeschichteten Platten bei 37 °C, 5 % CO₂ gehalten. Zelldichte wurde via Trypanblau-Ausschluss überwacht.

Zellpräparation und Lebensfähigkeitsassay

Zellen wurden in kollagenbeschichteten 96-Well-Platten (5 × 10⁴ Zellen/Well) für Lebensfähigkeitsassays und in 4-Well-Platten (5 × 10⁵ Zellen/Well) für Calcium-, ROS- und mitochondriale Studien ausgesät. Nach 24 h Inkubation wurden Medien durch PBS ersetzt, dann durch LSM-Suspensionen. Die Zelllebensfähigkeit wurde mit dem CCK-8-Assay (WST-8-Umwandlung zu Formazan) quantifiziert und als Prozentsatz der unbehandelten Kontrolle ausgedrückt.

Lanthan-Strontium-Manganit-Nanopartikel

LSM (La₀.₁₅Sr₀.₈₅MnO₃, 35 nm, 99,5 %) wurde soniziert und bei 500, 250, 100 und 50 µg mL⁻¹ getestet. Konzentrationen wurden gewählt, um typische TiO₂-Nanopartikel-Expositionen zu entsprechen, die in der Literatur berichtet werden.

Rasterelektronenmikroskopie

Partikel wurden auf Siliziumwafern tropfgegossen, an der Luft getrocknet und mit einem Zeiss Gemini SEM abgebildet, um die Größenverteilung zu bestätigen.

Reaktive Sauerstoffspezies Assay

ROS-Produktion wurde mittels CM-H₂DCFDA-Fluoreszenz nach 15 min LSM-Exposition bewertet. Fluoreszenzintensität wurde mit unbehandelten Kontrollen verglichen.

Messung mitochondrialer Schäden

JC-1-Farbstoff wurde verwendet, um das mitochondriale Membranpotenzial zu bewerten; Rot/Grün-Fluoreszenzverhältnisse wurden durch Fluoreszenzmikroskopie in 10-min-Intervallen gemessen.

Mucin-Sekretion und ELLA

Nach 15 min LSM-Exposition wurden Überstände gesammelt, zentrifugiert und auf Mucin via ELLA mit WGA-HRP und TMB-Substrat getestet. Absorption wurde bei 450 nm gelesen.

Apoptose-Marker-Assays

Zelllysate wurden mit RIPA-Puffer hergestellt und auf Cytochrom C und aktives Caspase-3 mittels ELISA-Protokollen getestet. Sekundäre HRP-konjugierte Antikörper erleichterten die Detektion.

Statistische Analyse

Daten werden als Mittelwert ± SD aus mindestens drei unabhängigen Experimenten dargestellt. Einfaktorielle ANOVA bestimmte Signifikanz (p < 0,05).

Abkürzungen

BPE

Boviner Hypophysenextrakt

ELISA

Enzymgebundener Immunosorbent-Assay

LSM

Lanthan-Strontium-Manganit

ROS

Reaktive Sauerstoffspezies

SFM

Serumfreies Medium

SOFCs

Festoxid-Brennstoffzellen