[论文解读] Antioxidant activity and toxicity study of cerium oxide nanoparticles stabilized with innovative functional copolymers

Geoffroy Goujon, Victor Baldim+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Advanced Nanomaterials in Catalysis参考文献 84被引用 48

一句话总结

本研究开发了经创新功能共聚物涂层修饰的氧化铈纳米颗粒（CNPs）——其表面结合了具有强吸附能力的膦酸基团，以及具有生物相容性的聚乙二醇（PEG）或氨基端 PEG——表现出增强的稳定性、保留的催化抗氧化活性，且在脑内皮细胞（bEnd.3）中无细胞毒性。这些 CNPs 有效减轻了谷氨酸诱导的活性氧（ROS）及线粒体超氧阴离子，且在小鼠体内无毒性反应，显示出作为治疗缺血性卒中相关血管损伤的有前景候选药物。

ABSTRACT

Oxidative stress, which is one of the main harmful mechanisms of pathologies including is-chemic stroke, contributes to both neurons and endothelial cell damages, leading to vascular lesions. Although many antioxidants have been tested in preclinical studies, no treatment is currently available for stroke patients. Since cerium oxide nanoparticles (CNPs) exhibit remarkable antioxidant capacities, our objective is to develop an innovative coating to enhance CNPs biocompatibility without disrupting their antioxidant capacities or enhance their toxicity. This study reports the synthesis and characterization of functional polymers and their impact on the enzyme-like catalytic activity of CNPs. To study the toxicity and the antioxidant properties of CNPs for stroke and particularly endothelial damages, in vitro studies are conducted on a cerebral endothelial cell line (bEnd.3). Despite their internalization in bEnd.3 cells, coated CNPs are devoid of cytotoxicity. Microscopy studies report an intracellular localization of CNPs, more precisely in endosomes. All CNPs reduces glutamate-induced intracellular production of ROS in endothelial cells but one CNP significantly reduces both the production of mitochondrial super-oxide anion and DNA oxidation. In vivo studies report a lack of toxicity in mice. This study there-fore describes and identifies biocompatible CNPs with interesting antioxidant properties for ischemic stroke and related pathologies.

研究动机与目标

• 开发具有生物相容性、稳定性强且抗氧化活性保持不变的氧化铈纳米颗粒（CNPs），用于缺血性卒中治疗。
• 设计一种新型聚合物涂层，利用膦酸-PEG 共聚物以增强 CNP 的稳定性并减少单核吞噬细胞系统介导的清除。
• 评估涂层 CNPs 在 bEnd.3 脑内皮细胞中的体外细胞毒性、细胞摄取及亚细胞定位。
• 评估经静脉注射后，涂层 CNPs 在小鼠体内的毒性及组织分布情况。
• 确定功能化 CNPs 是否能减轻内皮细胞中的氧化应激，特别是线粒体来源的 ROS 和 DNA 氧化损伤。

提出的方法

• 通过在酸性 pH 条件下热-水解硝酸铈，合成 CNPs，并利用透射电镜（TEM）、动态光散射（DLS）、X 射线光电子能谱（XPS）、广角 X 射线衍射（WAXS）及紫外-可见光谱法进行表征。
• 设计并合成以聚甲基丙烯酸甲酯为骨架的统计共聚物，通过共价键接枝膦酸基团（用于金属结合）和 PEG 或氨基端 PEG（用于隐身效应及功能化）。
• 使用功能共聚物对 CNPs 进行涂层处理，以增强其胶体稳定性和生物相容性。
• 通过 DPPH 法和羟基自由基清除实验，在体外评估其催化抗氧化活性。
• 在 bEnd.3 细胞中开展体外研究，评估细胞毒性（MTT 法）、活性氧（ROS）产生（DCFH-DA 荧光检测）及亚细胞定位（使用 Cy5 标记的 CNPs 进行共聚焦显微镜观察）。
• 在瑞士小鼠中开展体内组织分布与毒性研究，通过尾静脉注射 CNPs，分析各器官荧光信号，并对肝脏、肾脏、脾脏、肺脏和大脑进行组织病理学评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 功能共聚物涂层是否能在不损害抗氧化活性的前提下，增强氧化铈纳米颗粒的胶体稳定性和生物相容性？
• RQ2 聚合物涂层 CNPs 是否能减轻脑内皮细胞在谷氨酸诱导应激下的氧化应激，特别是线粒体超氧阴离子和 DNA 氧化损伤？
• RQ3 涂层 CNPs 在 bEnd.3 细胞中的细胞内命运与亚细胞定位如何？其摄取是否与细胞毒性相关？
• RQ4 涂层 CNPs 在体内是否表现出长期稳定性及有利的药代动力学特性？
• RQ5 在小鼠经静脉注射后，是否存在系统性毒性或器官蓄积现象？

主要发现

• 涂层 CNPs 的流体动力学直径为 9.8 nm，Ce3+ 含量为 14%，表明其具有混合价态，这对催化活性至关重要。
• DPPH 实验证实其具有强抗氧化能力，IC50 值表明其具有高效的自由基清除能力。
• 所有涂层 CNPs 均可降低 bEnd.3 细胞中谷氨酸诱导的细胞内 ROS 水平，其中一种配方（CeO2@P3）显著减少线粒体超氧阴离子和 DNA 氧化损伤。
• 共聚焦显微镜观察显示 CNPs 主要被内吞进入内体，且在 bEnd.3 细胞中未观察到显著细胞毒性。
• 体内研究显示，注射后 24 小时及 1 个月，各主要器官（肝脏、肾脏、脾脏、肺脏和大脑）均无显著组织病理学改变或血常规指标异常。
• 组织分布分析显示荧光信号在各器官中持续存在，且未在关键组织中出现显著蓄积，支持其低毒性和潜在治疗应用价值。