Редкоземельные фторидные наночастицы запускают пролиферацию опухолевых клеток через электрический диполь-медированную активацию интегринов

Аннотация

Механические и электрические сигналы на интерфейсе клеточно-внеклеточной матрицы все чаще признаются драйверами онкогенных сигнальных путей. В этом исследовании мы демонстрируем, что нанометровые частицы фторида лантана (LaF₃) и фторида празеодима (PrF₃), диспергированные в DMEM+FBS, стимулируют пролиферацию трех человеческих карциномных линий (A549, SW837, MCF-7). Размерный анализ (ДЛС, АСМ, ТЭМ) выявил доминирующую суб-10 нм популяцию. Тесты жизнеспособности клеток, комбинированные с вестерн-блоттингом для фосфорилирования AKT и ERK, подтверждают активацию канонических ростовых путей. Теоретическая диполь-взаимодействующая модель показывает, что для требуемого пико Ньютонового диапазона силы только наночастицы ниже ~10 нм могут оказывать достаточное электростатическое притяжение на лиганд-связывающие сайты интегринов и EGFR. Эти выводы освещают отдельный механо-трансдукционный путь, которым редкоземельные фториды могут влиять на опухолевую биологию.

Введение

Туморигенез возникает от сложного взаимодействия между генетическими мутациями и биомеханическими сигналами из внеклеточной матрицы (ВКМ). Интегрино-медированная адгезия и рецепторные тирозинкиназы, такие как EGFR, VEGFR и NGFR, переводят механическое напряжение в внутриклеточные сигнальные каскады, которые могут ремоделировать цитоскелет и активировать транскрипционные программы. Величина механической силы, необходимой для запуска конформационных изменений в этих рецепторах, порядка пико Ньютонов (пН), значительно ниже наноньютоновых масштабов, предполагая, что наномасштабные возмущения могут быть биологически значимыми.

Наночастицы (НЧ) могут влиять на клеточную сигнализацию через размер-зависимую поверхностную химию, распределение заряда и способность формировать белковые короны в биологических средах. Предыдущая работа показывала, что кремнезем, золото и углеродные нанотрубки могут селективно способствовать или ингибировать опухолевой рост клеток в зависимости от размера. Однако взаимодействие редкоземельных фторидов с раковыми клетками оставалось неизведанным, несмотря на их широкое использование в оптике, катализе и освещении.

Фторид лантана (LaF₃) и фторид празеодима (PrF₃) — низкотоксичные, высококристалличные материалы, которые могут быть спроектированы до суб-10 нм размеров. Их ионный состав предполагает сильные электростатические взаимодействия с заряженными остатками в лиганд-связывающих доменах интегринов и EGFR, потенциально позволяя механическую активацию без прямого проникновения мембраны.

Результаты

Размер и структура НЧ

Динамическое световое рассеяние (ДЛС) измерило средние гидродинамические радиусы (МГР) 5–10 нм для обоих LaF₃ и PrF₃ в DMEM+FBS. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) и трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) подтвердили узкое распределение размеров, центрированное на 8–12 нм, с незначительной фракцией более крупных агрегатов (20–80 нм). Рентгеновская дифракция (XRD) подтвердила гексагональную кристаллическую фазу, и 2D БПФ анализ АСМ топиографии раскрыл изотропную поверхностную шероховатость, указывающую на однородную ядро-оболочку структуру с белковой короной.

ДЛС распределения размеров RE суспензий. a, b PrF₃ и LaF₃ НЧ (5 г/л) в воде. c, d PrF₃ и LaF₃ НЧ (5 г/л) в DMEM+FBS. e, f PrF₃ и LaF₃ НЧ (0,1 г/л) в DMEM+FBS. g, h Средний гидродинамический радиус (МГР) со стандартным отклонением PrF₃ и LaF₃ НЧ в DMEM+FBS на разных уровнях концентрации

Жизнеспособность клеток

Водорастворимые тетразолиевые соли (WST) анализы раскрыли концентрационно-зависимый рост жизнеспособности для всех трех клеточных линий при 5 мМ НЧ, с SW837 показывающим наибольший ответ (~86% рост). Ниже концентрации (0,5–1 мМ) производили умеренные, незначительные изменения. Данные были статистически значимы (p < 0,05) и показывали линейную тенденцию по протестированному диапазону.

а WST гистограммы жизнеспособности трех раковых клеточных линий (A549, SW837, MCF7), обработанных разными концентрациями PrF₃ и LaF₃ НЧ в биологических средах. b АСМ изображение одиночной A549 раковой клетки. c АСМ изображение делящейся A549 раковой клетки в RE-НЧ в DMEM+FBS. d Вестерн-блот фосфорилирования A549, SW837 клеток с AKT и ERK путями

Фосфорилирующие анализы

Вестерн-блоттинг клеток, экспонированных 5 мМ НЧ, показал надежную фосфорилировку ERK1/2 и AKT в A549 и SW837, тогда как MCF7 демонстрировала незначительные изменения. Эти результаты согласуются с наблюдаемыми пролиферативными паттернами и поддерживают активацию MAPK/PI3K путей.

Теоретическое дипольное взаимодействие

Используя диполь-дипольную модель, мы оценили силу, оказываемую одиночной RE-НЧ на лиганд-связывающий сайт (ЛСС) как функцию радиуса частицы и расстояния разделения. Полярная составляющая силы масштабируется обратно пропорционально квадрату радиуса НЧ, объясняя, почему только частицы ниже ~10 нм генерируют силы в 10⁻¹²–10⁻⁹ Н окне, необходимом для активации интегринов. Модель также предсказывает, что требуемая поверхностная плотность заряда достижима с измеренным ионным содержанием La³⁺ и Pr³⁺ в фторидах.

Обсуждение

Сходимость экспериментальных и теоретических доказательств указывает на механистический путь, где суб-10 нм LaF₃ и PrF₃ наночастицы, через электростатические дипольные силы, активируют интегрины и EGFR, тем самым запуская AKT/ERK сигнализацию и способствуя пролиферации клеток. Отсутствие клеточной интернализации, подтвержденное ТЭМ, подчеркивает, что поверхностные взаимодействия в одиночку достаточны для модуляции роста.

Размер-зависимые эффекты зеркалят находки с другими металлическими НЧ, укрепляя принцип, что наномасштабные механические сигналы могут перекрывать химическую токсичность. Данные также предполагают, что белковая корона, сформированная в DMEM+FBS, играет модуляторную роль, возможно настраивая эффективный заряд и расстояние между НЧ и рецептором.

Эти инсайты несут импликации для наномедицинской безопасности, особенно для редкоземельных фторидов, используемых в промышленных и биомедицинских контекстах. Регуляторные руководящие принципы должны учитывать двойную роль НЧ как потенциальных терапевтических агентов и непреднамеренных промоутеров роста.

Заключение

Мы демонстрируем, что редкоземельные фторидные наночастицы суб-10 нм диаметра могут стимулировать пролиферацию опухолевых клеток, активируя интегриновую и EGFR сигнализацию через пико Ньютоновские электрические дипольные силы. Находки подчеркивают новый, размер-зависимый механо-трансдукционный путь, который может информировать как исследование раковой биологии, так и оценку безопасности наноматериалов.

Методы

Синтез RE-НЧ

LaF₃ и PrF₃ наночастицы синтезировали ко-выпадением из La₂O₃/Pr₂O₃ и NaF в 10% азотной кислоте, с последующей коррекцией pH до 4 и промывкой. Суспензии воздушно сушили для структурного анализа или удерживали в водной форме для биологических анализов. Рабочие концентрации варьировали от 0,5 до 5 мМ в DMEM+FBS.

Распределение размеров

ДЛС, АСМ, ТЭМ, XRD, 2D БПФ и ВУФ спектроскопия использовались для характеризации размера частиц, кристаллической структуры и поверхностной химии. Данные были согласованы между техниками, подтверждая узкое суб-10 нм ядро с белковой короной.

Клеточная культура и жизнеспособность

Человеческие карциномные линии A549, SW837 и MCF-7 культивировали в DMEM+FBS или RPMI+FBS. WST анализы измеряли метаболическую активность после 24–48 ч экспозиции к НЧ. Вестерн-блоты зондировали фосфорилированные ERK1/2 и AKT стандартными протоколами.

Аббревиатуры

2D-FFT:

Двумерное быстрое преобразование Фурье

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

AKT:

Протеин-киназа B

DMEM:

Модифицированное среднее Эйгла Дюльбекко

EGFR:

Эпидермальный фактор роста рецептор

ERK:

Внеклеточный сигнал-регулируемая киназа

LABS:

Лиганд-связывающий адгезионный сайт

NP:

Наночастица

RE-NP:

Редкоземельная фторидная наночастица

WST:

Водорастворимая тетразолиевая соль

XRD:

Рентгеновская дифракция