[論文レビュー] In vitro toxicity of nanoceria: effect of coating and stability in biofluids

Nawell Ould-Moussa, Muhammad Asim Safi+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2013

Advanced Nanomaterials in Catalysis参考文献 60被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、シトラートおよびポリアクリル酸でコーティングされた7 nmのセリウム酸化ナノ粒子（ナノセリウム）のin vitro毒性を調査し、生体液中での安定性および細胞内相互作用に注目した。シトラートコーティングされたナノセリウムは生体液中で凝集を示し、1 mMを超える濃度で細胞への取り込みが増加し、顕著な細胞毒性を示す一方、ポリアクリル酸コーティングされた粒子は安定したままであり、非毒性であることが示された。これは表面化学の重要性がナノ材料の安全性に直結していることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 異なる表面コーティングを有する7 nmのセリウム酸化ナノ粒子のin vitro毒性を評価すること。
• シトラートおよびポリアクリル酸コーティングされたナノセリウムの生体液中での安定性を評価すること。
• 2種類のコーティングされたナノ粒子の細胞内取り込みおよび細胞接着性を比較すること。
• 表面コーティングが粒子の凝集および生物学的相互作用に与える影響を特定すること。
• コロイド的安定性とナノセリウムの毒性との関連を確立すること。

提案手法

• シトラートまたはポリアクリル酸でコーティングされた7 nmの陰性に charged な酸化セリウムナノ粒子の合成。
• 模擬生体液中での粒子径、ゼータ電位、動的径の測定により、コロイド的安定性を評価。
• マウス線維芽細胞を最大1 mMの濃度でナノセリウムに暴露し、細胞内取り込みと細胞生存率を評価。
• フローサイトメトリーを用いてナノ粒子の細胞内取り込みを定量し、細胞膜の健全性を評価。
• 電子線透過顕微鏡（TEM）を用いて細胞内局在および粒子の分布を可視化。
• コメットアッセイを用いて高セリウム濃度下での遺伝毒性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノセリウムの表面コーティングは、生理的条件下の生体液中での安定性にどのように影響するか？
• RQ2 ナノ粒子の凝集は、哺乳類細胞における細胞内取り込みにどのような影響を及えるか？
• RQ3 ナノセリウムのコロイド的安定性は、in vitro毒性と相関するか？
• RQ4 高セリウム濃度下で表面コーティングは遺伝毒性にどのように影響するか？
• RQ5 表面化学を設計することで、ナノセリウムの毒性を低減しつつ生体活性を維持できるか？

主な発見

• シトラートコーティングされたナノセリウムは生体液中に沈殿し、大きな凝集体を形成するが、ポリアクリル酸コーティングされた粒子は一様で安定した状態を維持する。
• 両方のコーティングされたナノ粒子はマウス線維芽細胞に取り込まれ、膜で包まれた小胞に局在する。
• シトラートコーティングされたナノセリウムはポリアクリル酸コーティングされた粒子よりも顕著に高い細胞内相互作用と取り込みを示す。
• 細胞毒性は1 mMを超えるセリウム濃度でシトラートコーティングされたナノセリウムでのみ観察され、同じ濃度でポリアクリル酸コーティングされた粒子には毒性は認められなかった。
• 中程度の遺伝毒性は、1 mMを超える濃度でシトラートコーティングされたナノセリウムに暴露された細胞でのみ検出された。
• 本研究は、表面化学およびコロイド的安定性がナノセリウムの生物学的影響を決定づける重要な要因であることを確認した。