УДАЛЕННАЯ СТАТЬЯ:Сравнительное исследование токсичности покрытых полиэтиленгликолем наносфер и наночастиц кобальт-феррита, покрытых полиэтиленгликолем

Введение

В последние годы магнитные наноматериалы вызывают огромный интерес как в фундаментальных исследованиях, так и в технологических приложениях. Эти приложения включают, помимо прочего, средства доставки лекарств [1,2,3], магнитно-резонансную томографию (МРТ) [4,5,6], гипертермию [7,8,9], биосенсоры [10], клетки разделение [11], разделение белков [11, 12], генная магнитофекция [13,14,15], а также загрязнение окружающей среды и восстановление [16, 17]. Феррит кобальта, как магнитотвердый материал, используется в качестве контрастного вещества для МРТ, адресной доставки лекарств и медиатора нагрева при гипертермии [18,19,20,21,22,23]. Хотя феррит кобальта используется в биомедицинских целях, однако он имеет определенные ограничения, такие как его высокая токсичность из-за значительного количества кобальта, выделяемого в растворе, агрегация в растворе и плохая доступность поверхности при использовании поверхностно-активных веществ. Таким образом, эта проблема была преодолена путем модификации поверхности некоторыми биосовместимыми, нетоксичными, водостойкими и диспергирующими материалами [24,25,26,27,28]. Более того, производство феррита кобальта легко и рентабельно с индивидуальными составами, формами и размерами для любого конкретного применения. Существует множество методов, принятых для синтеза наноразмерного феррита кобальта, включая механохимический [29], сонохимический [30], соосаждение [31, 32], микроэмульсию [33] и другие [34,35,36,37]. , 38]. Аналогичным образом, другие методы, включая одноступенчатый экологически чистый метод, были приняты для изготовления индивидуальных флуоресцентных нанокластеров меди с использованием куркумина в качестве шаблона [39]. Основным недостатком большинства этих методов является низкая кристалличность приготовленного материала, что, в свою очередь, приводит к значительному ухудшению магнитных характеристик. В этом отношении гидротермальные [40] и сольвотермические [41] методы являются наиболее эффективными и действенными методами синтеза феррита кобальта с контролируемой морфологией и кристалличностью.

В литературе сообщается, что различные наноматериалы, такие как наночастицы серебра (НЧ серебра), используются для противомикробного лечения и связанных с ними инфекционных заболеваний, а также используются в качестве нано-транспортных средств для доставки лекарств и лечения различных заболеваний [42]. В другой обзорной статье сообщалось, что ферраты используются для удаления из сточных вод различных химических и биологических веществ [43]. При биомедицинском применении наноматериалов феррита кобальта основной проблемой является накопление феррита кобальта в органах, что приводит к токсичности в организме, что требует срочного удаления собранных наноматериалов из органов и требует заживления повреждений, вызванных ферритом кобальта. Несколько исследователей изучали противовоспалительные препараты и обнаружили, что эти препараты могут снижать токсичность, вызванную наноматериалами [44, 45]. Куркумин с антиоксидантными, антимутационными, противоопухолевыми и канцерогенными характеристиками может быть использован в качестве лечебного средства от токсичности, вызванной наноматериалами феррита кобальта [46,47,48]. Он может использоваться в качестве блокатора TNF in vitro и in vivo за счет непосредственного связывания с TNF [49].

Целью данной работы было изготовление покрытых полиэтиленгликолем (ПЭГ) наночастиц и наносфер феррита кобальта в лабораториях с контролируемой морфологией. Мышам внутривенно вводили различные дозы наноматериалов, а для оценки токсичности этих наноматериалов были проведены исследования крови, биораспределения, окрашивания HE и жизнеспособности клеток. Было проведено сравнение токсичности наночастиц и наносфер феррита кобальта, и куркумин был использован в качестве лечебного средства от токсичности, вызванной наносферами феррита кобальта у мышей. Было показано, что наносферы из феррита кобальта более токсичны, чем наночастицы, из-за их увеличенной площади поверхности, что делает их более токсичными и более реактивными, чем наночастицы. Насколько нам известно, это первое подробное исследование такого рода, которое не проводилось ранее.

Материалы и методы

Подготовка наноматериалов

Для получения наночастиц феррита кобальта, покрытых ПЭГ, мы использовали гидротермальную технику [40, 47]. Для этого отдельно готовили растворы хлорида кобальта (0,2 М) и нитрата железа (0,4 М) в 25 мл деионизированной (ДИ) воды каждый, а затем эти растворы смешивали с 25 мл водных растворов полиэтиленгликоля (2,5 мМ) и гидроксид натрия (3 М) соответственно. Затем смесь перемешивали в течение 20 минут и выливали в автоклав из нержавеющей стали (SS), который нагревали при 180 ° C в течение 6 часов. По окончании процесса смесь охлаждали до комнатной температуры, а затем раствор промывали 2–3 раза деионизированной водой и этанолом для удаления из смеси нежелательных примесей. Смесь сушили при температуре около 80 ° C в течение ночи в печи, а затем измельчали ​​в мелкие порошки, чтобы получить желаемые наночастицы феррита кобальта.

Для приготовления наносфер феррита кобальта, покрытых ПЭГ, использовали сольвотермический метод. Для этого гексагидрат хлорида кобальта растворяли в 40 мл этиленгликоля (2,5 мМ), после чего добавляли 1,35 г гексагидрата хлорида железа и 1 г полиэтиленгликоля (PEG). Затем смесь перемешивали в течение примерно 30 мин и затем герметично закрывали в автоклаве из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием. Затем автоклав нагревали при 200 ° C в течение 8 часов и после завершения реакции охлаждали до комнатной температуры. Смесь промывали деионизированной водой и этанолом, а затем сушили при 80 ° C в течение ночи в печи. Наконец, смесь была измельчена в мелкие порошки, чтобы получить покрытые ПЭГ наносферы феррита кобальта с диаметром в диапазоне 80–100 нм. Морфология полученных наноматериалов была исследована методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) по методике, использованной в [4]. [50], сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия (SEM и TEM), использованная в [50]. [50, 51], инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) при комнатной температуре для определения функциональных групп в феррите кобальта аналогично работе [50]. [51], спектроскопия комбинационного рассеяния света и термогравиметрический анализ (ТГА), использованный в [51]. [52].

Радиоактивная маркировка наноматериалов

Мечение наночастиц и наносфер феррита кобальта, покрытых ПЭГ, было выполнено с помощью ^99m Tc с использованием хлорида олова в качестве восстановителя [53,54,55]. Для этого свежий ^99м TcO ₄ элюат генератора (50 мкл с активностью ∼ 4 мКи) готовили путем добавления его к 30 мкл SnCl ₂ суспензия (1 мг / мл в 0,5 н. HCl). С помощью NaHCO ₃ раствора (1 М), pH суспензии регулировали в пределах 8–10. Растворы наночастиц и наносфер (40 мкл каждый), содержащие ~ 0,4% мас. В феррите кобальта, были смешаны с суспензиями хлорида двухвалентного олова (50 мкг), аскорбиновой кислоты (10 мг / мл) и ^99m TcO ₄ . Затем смесь перемешивали при 10000 об / мин в течение 25 минут при 80 ° C. Для точных измерений подсчет радиоактивности был записан в течение 24 часов из-за короткого срока службы ^99m Tc (~ 6 ч). Затем супернатант декантировали после центрифугирования, и оставшийся материал был идентифицирован как ^99m . Наночастицы и наносферы феррита Tc-PEG-кобальта. Бумажная хроматограмма использовалась для измерения радиоактивных выходов меченых соединений, которые составили более 65%, что отражало реальное биораспределение наноматериалов в организме мышей in vivo.

Биораспределение наноматериалов

Как показано на рис. 1, мышей Kunming SPF (самки, возраст 6-8 недель, вес 18-20 г) были получены из Лабораторного центра медицинских наук Университета Ланьчжоу, Китай. Всех мышей содержали в клетках в системе контроля температуры, поддерживаемой на уровне 21–22 ° C, и включении света с 08:00 до 20:00. Мышам был предоставлен свободный доступ к пище и водопроводной воде, и с ними обращались в соответствии с протоколами лабораторных животных, разработанных Национальным обществом медицинских исследований, и руководящими принципами Национальных институтов здравоохранения США. Мышей случайным образом разделили на несколько групп, каждая из которых состояла из 5 мышей, и затем им внутривенно вводили ^99m . Растворы наночастиц и наносфер в феррите Tc-PEG-кобальт уничтожаются через 1, 6, 16 и 24 часа соответственно. Ткани сердца, легких, печени, селезенки и почек были немедленно рассечены, завернуты в фольгу, взвешены, а затем радиоактивность ^99m Tc в каждой ткани измеряли с помощью детектора гамма-счетчика. Биораспределение наноматериалов в различных органах мышей было представлено в процентах введенной дозы на грамм влажной ткани (т. Е.% ID / г).

Принципиальная схема экспериментальной модели

Окрашивание гематоксилином и эозином

Для окрашивания гематоксилином и эозином (HE) парафиновый воск разрезали на ксилол для депарафинизации, и процесс повторялся дважды по 10 минут каждый. Гидратацию образца проводили путем переноса предметных стекол через различные растворы этанола с концентрацией 100% этанола, 95% этанола и 70% этанола каждый в течение 2 мин. Промыли слайды в проточной водопроводной воде при комнатной температуре в течение примерно 2 минут, и когда процесс был завершен, ядра были окрашены в окрашивающем растворе гематоксилином при 60 ° C в течение 10 секунд, а затем при комнатной температуре в течение 1 минуты, и затем слайды были помещены. под проточной водой из-под крана комнатной температуры около 5 мин. Окрашивали образцы в рабочем растворе эозина Y в течение 2 минут, а затем дегидратировали образцы сначала погружением в 95% этанол, а затем в 100% этанол каждый на 2 минуты. Цитоплазма окрашивалась на 7 с погружением в раствор для окрашивания эозином на 15 с. После удаления цитоплазма промывалась и обезвоживалась абсолютным этанолом два раза по 1 мин. Затем ткань делали прозрачной с помощью ксилола в течение 15 с, и цитоплазму исследовали, а затем фотографировали с использованием нейтральных герметиков десен. Микроскопическое исследование тканей проводилось с использованием микроскопа Olympus Microphot-CX41, соединенного с цифровой камерой.

Биохимические показатели и воспалительные факторы

Двести пятьдесят микрограмм покрытых ПЭГ наночастиц и наносфер феррита кобальта внутривенно вводили мышам экспериментальной группы, в то время как контрольную группу обрабатывали физиологическим раствором 0,9%, и все мыши были затем умерщвлены через 24 часа. У мышей собирали кровь и центрифугировали около 10 мин для получения сыворотки крови. Содержание в сыворотке TB, ALT, AST, BUN, CREA и Cys-C измеряли с помощью иммуноферментного анализа (ELISA) и вестерн-блоттинга. Ферменты, связанные с печенью, IL-6, IL-8 и TNF-α, играют ключевую роль в воспалительной реакции, вызванной некрозом. Обычно высокие уровни этих выражений возникают, когда орган реагирует на воспаление.

Анализ жизнеспособности клеток MTT

Цитотоксический потенциал наночастиц и наносфер феррита кобальта, покрытых ПЭГ, определяли с помощью МТТ, колориметрического анализа для оценки метаболической активности клеток. Клетки эпителия человека L-132 и человеческие моноциты THP-1, приобретенные в Шанхае, Китай, подвергались воздействию различных концентраций наночастиц в диапазоне 30–125 мкг / мл и наносфер в диапазоне 50–250 мкг / мл, а оптическая плотность составляла измеряли при 590 нм для различных анализов с использованием системы спектрофотометра для микропланшетов (UNICO WFZ UV-2000, Шанхай, Китай). Клетки L-132 были выбраны, поскольку ингаляция является основным путем воздействия наноматериалов, а клетки THP-1 использовались из-за их роли в очистке от посторонних материалов. В каждом анализе необработанные клетки оценивали как отрицательный контроль. В клетках наблюдали ингибирование активности фермента, которое сравнивали с необработанными (отрицательный контроль) клетками, и значения были получены в виде отношения отрицательного контроля и нанесены на график в зависимости от концентрации наночастиц и наносфер.

Статистический анализ

Каждая точка данных была представлена ​​как среднее значение (± sem) экспериментов, проведенных в трех повторностях. Достоверность различий оценивалась с помощью дисперсионного анализа, а статистические диаграммы составлялись с помощью программ Origin и Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

Структурный анализ

Структурные анализы (XRD, FTIR, Raman и TGA) приготовленных наноматериалов показаны на рис. 2. Результаты XRD на рис. 2a представляют феррит кобальта с покрытием и без покрытия в наномасштабе, что подтверждает, что феррит кобальта был успешно изготовлен. Положения и относительные интенсивности всех наблюдаемых пиков в данных XRD подтверждают кристаллическую природу феррита кобальта. Никаких дополнительных пиков не наблюдалось, что указывает на чистоту полученного феррита кобальта. Средний размер кристаллитов феррита кобальта был определен с помощью уравнения Шеррера [56], который составил ~ 24 нм. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) была проведена для исследования распределения катионов (никеля, кобальта и железа) в феррите кобальта. На рис. 2b показаны данные FTIR, собранные при комнатной температуре. Теоретически феррит кобальта имеет две сильные полосы поглощения (ʋ ₁ и ʋ ₂ ) наряду с некоторыми другими, появляющимися в диапазоне 400–600 см ⁻¹ . Все эти пики четко обозначены в наших данных, представленных на рис. 2б. В данных FTIR ʋ ₁ соответствует собственным валентным колебаниям металла в тетраэдрических узлах, тогда как ʋ ₂ соответствует валентным колебаниям ионов металлов в октаэдрических позициях [57,58,59]. Пик, появляющийся в FTIR при 3421 см ⁻¹ соответствует полиэтиленгликолю (ПЭГ), что указывает на его успешное сцепление с поверхностью феррита кобальта. Рамановский анализ феррита кобальта, полученного при комнатной температуре, показан на рис. 2c, который показывает 5 различных пиков, которые можно увидеть в данных. Пик, появляющийся на глубине ниже 700 см ⁻¹ пик основных характеристик ( A _{1 г} мода) феррита кобальта, что соответствует растяжению ионов кислорода по связям Fe – O в тетраэдрических узлах [60], тогда как остальные пики, фигурирующие в данных, также принадлежат ферриту кобальта. Это подтверждает успешное изготовление феррита ПЭГ-кобальт в нашем эксперименте. На рисунке 2d показаны результаты ТГА образцов, отобранных в диапазоне температур 50–380 ° C, которые показывают, что феррит кобальта теряет свой вес при различных температурах. При анализе ТГА также очевидно, что термостабильность ПЭГ относительно низкая, тогда как термостойкость феррита ПЭГ-кобальт высока.

а Результаты XRD феррита кобальта. б Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), используемая в диапазоне 500–4000 см ⁻¹ . c Рамановский спектр при комнатной температуре образцов, собранных в диапазоне 190–1000 см ⁻¹ Диапазон частот. г Термогравиметрический анализ (ТГА) CoFe ₂ , покрытого ПЭГ О ₄ собираются в диапазоне температур 50–400 ° C

Электронно-микроскопические анализы образцов показаны на рис. 3. На рис. 3 (а) и (b) показаны СЭМ-изображения наночастиц и наносфер кобальтового феррита, покрытых ПЭГ, соответственно, тогда как на рис. 3 (c) и (d) показаны ПЭМ анализ наносфер и наночастиц соответственно. Эти результаты показывают, что средний размер наночастиц составляет около 25 нм, а размер наносферы - 80–100 нм. Из изображений наносфер, полученных с помощью ПЭМ, очевидно, что наносферы состоят из большого количества более мелких наночастиц с большими площадями поверхности, что делает их мезопористыми, что очень желательно для медицинских применений наноматериалов в качестве носителей лекарств. Все эти структурные анализы подтверждают успешное формирование наночастиц и наносфер феррита кобальта, покрытых чистой фазой, покрытых ПЭГ.

СЭМ наночастиц феррита кобальта ( a ) и наносферы ( b ). ПЭМ-изображения наночастиц феррита кобальта, покрытых ПЭГ ( c ) и наносферы ( d ), собранные в разном разрешении

Исследования биораспространения

Количественно биораспределение наночастиц и наносфер феррита кобальта, покрытых полиэтиленом, в крови, сердце, печени, селезенке, легких и почках через различные интервалы времени (1, 6, 16 и 24 ч) показано на рис. 4. наличие феррита кобальта в крови и других органах оценивали в течение 24 часов после внутривенного введения ^99m Раствор феррита Tc-PEG-кобальта (наночастицы и наносферы). В случае наносфер, показанных на рис. 4 (а), задержка феррита кобальта в крови составила 6,5 ± 0,33% ID / г через 1 час воздействия, а затем она постепенно снижалась в течение следующих интервалов времени (т. Е. 6, 16 и 24 ч). Было замечено, что наносферы в основном распределялись в сердце, печени, селезенке, легких и почках; однако большинство из них в основном накапливались в селезенке. Более того, было обнаружено, что биораспределение наносфер в различных органах было самым высоким после первого часа, а затем постепенно уменьшалось и оставалось менее 30% через 6 часов. В случае наночастиц феррита кобальта задержка наночастиц в крови составляла около 2,8 ± 0,14% ID / г через 1 час воздействия, что указывает на относительно быстрое выведение радиоактивного материала из пула крови организма, а затем оно снижалось с течением времени. как показано на рис. 4 (б). Наночастицы распределялись в сердце, печени, селезенке, легких и почках с максимальными концентрациями в селезенке и печени. Из рисунка видно, что биораспределение наночастиц в крови и других органах было самым высоким после первого часа, а затем постепенно уменьшалось через 6 часов и, наконец, достигло самых низких значений через 24 часа. Если мы сравним результаты биораспределения наносфер и наночастиц, можно увидеть, что накопление / присутствие покрытых ПЭГ наносфер феррита кобальта в крови и других органах мышей было больше по сравнению с наночастицами. Это может быть связано с большой площадью поверхности и высокой пористостью наносфер по сравнению с наночастицами, что является одним из критических факторов для определения реакционной способности взаимодействия наноматериалов с биологическими системами. В случае наночастиц их немезопористая природа с низкой удельной поверхностью делала их менее реактивными, чем наносферы при тех же условиях. Эти особенности могли снизить длительную устойчивость наночастиц феррита кобальта, покрытых ПЭГ, в крови и других органах мышей. Кроме того, наносферы вызывают комплексообразование с биомолекулами, что приводит к увеличению количества радикалов, увеличению уровня окислительного стресса, повреждению клеточной ДНК и возникновению окислительного стресса за счет перекисного окисления липидов.

Биораспределение PEG-CoFe ₂ О ₄ в крови, сердце, печени, селезенке, легких и почках после различных интервалов (1, 6, 16, 24 ч) воздействия наносфер ( a ) и наночастиц ( b )

Биохимические показатели

Для изучения токсического действия наночастиц и наносфер феррита ПЭГ-кобальта у мышей были измерены биохимические индексы, результаты представлены на рис. 5. Различные параметры, включая ALT, AST, BUN, CREA, TB и Cys-C, были измерены для контрольная и экспозиционная группы мышей. Программное обеспечение SPSS использовалось для извлечения данных с * P <0,05, что означает значительные изменения во время измерений. Как в наносферах, так и в наночастицах видно, что все биохимические показатели показывают значительные изменения по сравнению с мышами контрольной группы (* P <0,05). В случае группы экспонирования наносферы феррита кобальта уровни ALT, AST и BUN демонстрируют значительные различия (* P <0,05) по сравнению с мышами контрольной группы, тогда как в случае группы воздействия наночастиц только Cys-C показывает значительную разницу по сравнению с мышами контрольной группы (* P <0,05). Видно, что TB и Cys-C, которые в основном ответственны за биомаркер функции почек, были значительно снижены в случае наносфер. Это говорит о том, что воздействие на почки наносфер феррита ПЭГ-кобальта больше, чем на наночастицы. На AST, как биомаркер печени, больше влияло воздействие как наночастиц, так и наносфер. Это говорит о том, что воздействие феррита кобальта может отрицательно сказаться на функции печени. Из всех этих результатов ясно, что наносферы феррита ПЭГ-кобальта вызывают больше повреждений у мышей in vivo по сравнению с наночастицами феррита кобальта.

Биохимические показатели в сыворотке крови мышей контрольной группы, группы экспозиции наночастиц и наносферы. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение двух независимых экспериментов, проведенных в трех повторностях. * P <0,01

Гистопатологическое исследование

Мы представили гистопатологический анализ контрольной группы мышей, мышей с наночастицами, наносферами и экспериментальной группой, как показано на рис. 6. Если мы сравним результаты групп воздействия наносфер и наночастиц с контрольной группой мышей, можно увидеть, что наносферы из феррита ПЭГ-кобальта являются вызывает больше повреждений в различных органах (печень, селезенка, почки и легкие) мышей по сравнению с группой воздействия наночастиц. В почках происходит скопление клубочков вместе с легким отеком, а интерстициальные воспалительные клетки наблюдаются в случае приема наносфер по сравнению с воздействием наночастиц и мышами контрольной группы. Также видно, что наночастицы проявляют меньшее воспаление, чем наносферы. В случае воздействия наночастиц было обнаружено, что легкие поражаются относительно меньше, тогда как в случае наносфер было обнаружено, что альвеолярная стенка утолщена и наблюдается легкий фиброз. Кроме того, в группе воздействия наночастиц гепатоциты показали набухание и возник отек, тогда как в случае мышей из группы воздействия наночастиц было обнаружено относительно меньшее воспаление.

Гистологические срезы тканей разных групп (контроль, наночастицы, наносферы, обработка)

Воспалительные факторы и уровень окисления / антиоксиданта

Уровни экспрессии IL-6, IL-8, TNF-α, MDA и T-AOC были измерены, и результаты показаны на фиг. 7. Фиг. 7a представляет полосы вестерн-блоттинга IL-6, IL-8, и β-актин для контрольных групп, групп воздействия наночастиц и наносфер. Относительный уровень белка IL-6 и IL-8 для контрольных групп, групп воздействия наночастиц и наносфер показан на рис. 7b, тогда как содержание TNF-α, MDA и T-AOC показано на рис. 7c– e с * P <0,05 для экспериментальной группы по сравнению с контрольной группой ± средн. Результаты показали, что уровни IL-6, IL-8, TNF-α и MDA для мышей группы, подвергшейся воздействию кобальт-ферритных наносфер, выше, чем у мышей группы наночастиц, и оба эти уровня выше, чем у мышей контрольной группы. В случае T-AOC уровень наносфер был ниже, чем уровень воздействия наночастиц и мышей контрольной группы. Все эти результаты показывают, что наночастицы и наносферы вызывают воспаление у мышей, особенно в печени. Однако наносферы влияют на органы больше, чем наночастицы. Хорошо известно, что наноматериалы в организме генерируют свободные радикалы кислорода (ROS), которые вызывают серию качественных сокращений антиоксидантов, что приводит к окислительным повреждениям биологических тканей, которые отрицательно влияют на клеточные организмы [61, 62]. Более того, когда уровни IL-6, IL-8, TNF-α, MDA и T-AOC у мышей, подвергшихся воздействию наночастиц, сравнивались с уровнями мышей, подвергшихся воздействию наносфер, было обнаружено, что наносферы из феррита кобальта вызывают большее воспаление. по сравнению с мышами из группы воздействия наночастиц.

Экспрессия IL-6, IL-8, TNF-α, MDA и T-AOC. а Полосы вестерн-блоттинга для IL-6, IL-8 и β-актина в контрольных группах, группах воздействия наночастиц и наносферы. б Относительные уровни экспрессии IL-6 и IL-8. c Содержание TNF-α. г Уровень MDA. е Статистическая диаграмма содержания T-AOC для контрольной и экспериментальной групп (наночастицы и наносферы). (* P <0,05 для экспериментальных групп по сравнению с контрольной группой ± средн.)

Оценка цитотоксичности

Были проведены исследования цитотоксичности для различных концентраций покрытых ПЭГ наносфер и наночастиц феррита кобальта, результаты представлены на рис. 8. Процент выживаемости клеток L-132 показан на рис. 8 (а), тогда как на рис. 8 (b) представляет процент выживания клеток THP-1. Видно, что для концентраций выше 100 мкг / мл наблюдаются значительные изменения жизнеспособности клеток, наблюдаемые для обеих клеток, и видно, что результаты более выражены в случае наносфер ПЭГ. Это подтверждает, что наносферы из феррита кобальта вызывают больше повреждений по сравнению с наночастицами. Более того, жизнеспособность клеток снижается с увеличением концентрации как наночастиц, так и наносфер, что указывает на то, что феррит кобальта, покрытый ПЭГ, в обеих формах вызывает большую токсичность у мышей с увеличением концентрации. Из-за двух разных клеточных мишеней (L-132 и THP-1) можно ожидать, что клеточный ответ не будет идентичным, в зависимости от механизма гибели клеток [63]. Возможная причина для объяснения специфичности клеточной мишени даже для частиц одинакового размера может быть связана с функцией фагоцитоза, которая характерна для моноцитов (клетки THP-1), но не для эпителиальных клеток легких [64]. Понятно, что единая наносфера состоит из большого количества мелких наночастиц. Таким образом, он обладает большей площадью поверхности по сравнению с наночастицами и, следовательно, имеет большую реакционную способность и больше возможностей взаимодействия с биологическими системами (тканями) по сравнению с наночастицами. Более того, из-за большего размера наносфер они не могут легко секретироваться через циркуляцию крови или мочи после того, как попадают в орган. Следовательно, они остаются в организме (органах) относительно более длительное время по сравнению с наночастицами, которые, в свою очередь, отрицательно влияют на ткани. Более того, наносферы вызывают снижение функции макрофагов, снижение фагоцитоза самих наносфер и снижение подвижности макрофагов и дисфункции цитоскелета.

Цитотоксичность наночастиц и наносфер феррита кобальта, покрытых ПЭГ, в клетках L-132 ( a ) и ячейки THP-1 ( b ). * P <0,01 и ** P <0,05 для двух клеток по сравнению с необработанным контролем. Данные представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение двух независимых экспериментов, проведенных в трех повторностях

Влияние куркумина на токсичность

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

Сокращения

PEG:

Полиэтиленгликоль

XRD:

Рентгеновская дифракция

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

TGA:

Термогравиметрический анализ

SPF:

Specific pathogens free

MRI:

Magnetic resonance imaging

TNF:

Tumor necrosis factor

HE:

Hematoxylin–eosin

SS:

Stainless steel

DI:

Deionized

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

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