[论文解读] 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 25

一句话总结

本研究调查了不同表面包覆的7 nm二氧化铈纳米颗粒（纳米二氧化铈）在体外的毒性，包括柠檬酸盐和聚丙烯酸包覆的纳米颗粒，重点关注其在生物液体中的稳定性及与细胞的相互作用。研究结果表明，柠檬酸盐包覆的纳米二氧化铈在生物液体中聚集，导致在1 mM以上浓度时细胞摄取增加并产生显著毒性，而聚丙烯酸包覆的颗粒则保持稳定且无毒性，凸显表面化学在纳米材料安全性中的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 评估不同表面包覆的7 nm二氧化铈纳米颗粒的体外毒性。
• 评估柠檬酸盐和聚丙烯酸包覆的纳米二氧化铈在生物液体中的稳定性。
• 比较两种包覆纳米颗粒在细胞摄取和细胞毒性方面的差异。
• 确定表面包覆如何影响颗粒聚集和生物相互作用。
• 建立胶体稳定性与纳米二氧化铈毒性之间的关联。

提出的方法

• 合成具有柠檬酸盐或聚丙烯酸表面包覆的7 nm阴离子性二氧化铈纳米颗粒。
• 在模拟生物液体中表征颗粒尺寸、ζ电位和流体动力学直径，以评估胶体稳定性。
• 将小鼠胚胎成纤维细胞暴露于最高达1 mM浓度的纳米二氧化铈，以评估细胞摄取和活力。
• 使用流式细胞术定量纳米颗粒内化情况并评估细胞膜完整性。
• 使用透射电子显微镜（TEM）观察细胞内定位及颗粒分布。
• 采用彗星实验评估高铈浓度下的基因毒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 纳米二氧化铈的表面包覆如何影响其在生理样生物液体中的稳定性？
• RQ2 纳米颗粒聚集对哺乳动物细胞中细胞摄取有何影响？
• RQ3 纳米二氧化铈的胶体稳定性是否与其体外毒性相关？
• RQ4 表面包覆如何影响高铈浓度下的基因毒性潜力？
• RQ5 是否可通过工程化表面化学降低纳米二氧化铈的毒性，同时保持其生物活性？

主要发现

• 柠檬酸盐包覆的纳米二氧化铈在生物液体中沉淀，形成更大的聚集体，而聚丙烯酸包覆的颗粒则保持单分散且稳定。
• 两种包覆的纳米颗粒均被小鼠胚胎成纤维细胞摄取，并定位于膜包被的细胞器中。
• 与聚丙烯酸包覆的颗粒相比，柠檬酸盐包覆的纳米二氧化铈表现出显著更高的细胞相互作用和摄取率。
• 仅在铈浓度超过1 mM时，观察到柠檬酸盐包覆的纳米二氧化铈具有毒性，而聚丙烯酸包覆的颗粒在相同浓度下未表现出毒性。
• 仅在铈浓度超过1 mM时，暴露于柠檬酸盐包覆纳米二氧化铈的细胞中检测到中等程度的基因毒性。
• 本研究证实，表面化学和胶体稳定性是决定纳米二氧化铈生物影响的关键因素。