[논문 리뷰] In vitro toxicity of nanoceria: effect of coating and stability in biofluids

Nawell Ould-Moussa, Muhammad Asim Safi외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 04.

Advanced Nanomaterials in Catalysis참고 문헌 60인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 표면 코팅이 다르며 7 nm 크기의 세륨 산화나노입자(nanoceria)의 in vitro 독성을 조사한다. 이는 생체유체 내에서의 안정성과 세포 상호작용을 중심으로 하며, 시트르산 코팅된 nanoceria는 생체유체에서 응집되어 1 mM 이상 농도에서 세포 내 침착이 증가하고 심각한 독성을 보이는 반면, 폴리아크릴산 코팅된 입자는 안정한 상태를 유지하며 비독성임을 입증한다. 이는 나노물질의 안전성에 있어 표면 화학이 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Due to the increasing use of nanometric cerium oxide in applications, concerns about the toxicity of these particles have been raised and have resulted in a large number of investigations. We report here on the interactions between 7 nm anionically charged cerium oxide particles and living mammalian cells. By a modification of the particle coating including low-molecular weight ligands and polymers, two generic behaviors are compared: particles coated with citrate ions that precipitate in biofluids and particles coated with poly(acrylic acid) that are stable and remain nanometric. We find that nanoceria covered with both coating agents are taken up by mouse fibroblasts and localized into membrane-bound compartments. However, flow cytometry and electron microscopy reveal that as a result of their precipitation, citrate-coated particles interact more strongly with cells. At cerium concentration above 1 mM, only citrate-coated nanoceria (and not particles coated with poly(acrylic acid)) display toxicity and moderate genotoxicity. The results demonstrate that the control of the surface chemistry of the particles and its ability to prevent aggregation can affect the toxicity of nanomaterials.

연구 동기 및 목표

• 다른 표면 코팅을 가진 7 nm 세륨 산화나노입자의 in vitro 독성을 평가하기 위해
• 시트르산 및 폴리아크릴산 코팅된 nanoceria의 생체유체 내 안정성을 평가하기 위해
• 두 유형의 코팅된 나노입자 간의 세포 내 침착과 세포독성의 차이를 비교하기 위해
• 표면 코팅이 입자 응집 및 생물학적 상호작용에 미치는 영향를 규명하기 위해
• 콜로이드 안정성과 nanoceria의 독성 간의 연관성을 설정하기 위해

제안 방법

• 시트르산 또는 폴리아크릴산 표면 코팅을 가진 7 nm 이온성으로 음전하를 띠는 산화세륨 나노입자의 합성
• 콜로이드 안정성을 평가하기 위해 시뮬레이션 생체유체 내 입자 크기, 제타 포텐셜 및 동역학적 직경의 특성 분석
• 세포 내 침착 및 생존율 평가를 위해 마우스 섬유아세포를 최대 1 mM 농도로 노출
• 유세포 분석을 통해 나노입자의 세포내 침착 농도를 정량화하고 세포막의 무결성 평가
• 전자현미경(TEM)을 이용해 세포 내 국소화 및 입자 분포 시각화
• 고농도 세륨 농도에서의 유전자독성 평가를 위해 코메트 아시이를 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 nanoceria의 표면 코팅은 생리학적 유사 생체유체 내에서 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 나노입자의 응집은 체내에서의 세포 내 침착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 nanoceria의 콜로이드 안정성은 in vitro 독성과 관련이 있는가?
• RQ4 고농도 세륨 농도에서 표면 코팅은 유전자독성 잠재력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 화학를 설계하여 nanoceria의 독성을 줄이면서도 생물활성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시트르산 코팅된 nanoceria는 생체유체에서 침전되어 더 큰 응집체를 형성하는 반면, 폴리아크릴산 코팅된 입자는 단일 분산 상태를 유지하며 안정하다.
• 두 코팅된 나노입자 모두 마우스 섬유아세포에 내재되어 막에 둘러싸인 세포소기관에 국소화된다.
• 시트르산 코팅된 nanoceria는 폴리아크릴산 코팅된 입자보다 유의미하게 높은 세포 상호작용과 침착을 보인다.
• 독성은 오직 시트르산 코팅된 nanoceria에서 1 mM 이상의 농도에서 관찰되며, 같은 농도에서 폴리아크릴산 코팅된 입자는 독성이 없었다.
• 중등도의 유전자독성은 오직 1 mM 이상의 농도에서 시트르산 코팅된 nanoceria에 노출된 세포에서만 검출되었다.
• 이 연구는 표면 화학 및 콜로이드 안정성이 nanoceria의 생물학적 영향을 결정짓는 핵심 요소임을 확인한다.