Определение пределов количественной оценки степени интернализации наночастиц γ-Fe2O3 культурами мезенхимальных стромальных клеток человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследована культура костномозговых мезенхимальных стромальных клеток (МСК) человека, выращенная в виде монослоя в питательной среде, в которую введена стабилизированная водная суспензия магнитных наночастиц (МНЧ) маггемита (γ-Fe2O3), синтезированных электрофизическим методом лазерного испарения мишени. Предложен способ стабилизации суспензии в условиях питательной среды с высокой ионной силой. Проведена качественная оценка возможности интернализации (либо закрепления на клеточной мембране, либо проникновения внутрь клеточного пространства) МНЧ клетками при помощи оптической, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и СКВИД-магнитометрии. Приведен сравнительный анализ структуры и магнитных свойств и сделаны предположения об особенностях акцепции МНЧ клетками в данной системе. Установлено, что предельным значением, которое достоверно можно анализировать в биологическом образце рассматриваемого типа с МНЧ данного типа является величина около 0.005 мг. Обнаружено, что в рассматриваемом интервале исходных концентраций МНЧ в биологических образцах на основе МСК человека уровень накопления магнитных наночастиц в клеточных культурах зависит от их концентрации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. А. Бурбан

Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Ф. А. Фадеев

Институт медицинских клеточных технологий; Уральский государственный медицинский университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Карла Маркса, 22А, Екатеринбург, 620026; ул. Репина, 3, Екатеринбург, 620028

А. П. Сафронов

Уральский федеральный университет; Институт электрофизики Уральского отделения РАН

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. Амундсена, 106, Екатеринбург, 620016

Ф. А. Бляхман

Уральский федеральный университет; Уральский государственный медицинский университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. Репина, 3, Екатеринбург, 620028

Т. В. Терзиян

Уральский федеральный университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Д. С. Незнахин

Уральский федеральный университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

А. А. Юшков

Уральский федеральный университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Г. В. Курляндская

Уральский федеральный университет

Email: e.a.mikhnevich@urfu.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Список литературы

  1. Pankhurst Q.A., Connolly A.J., Jones S.K., Dobson J. Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine // J. Phys. D. 2003. V. 36. № 13. P. R167. https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/13/201
  2. Фролов Г.И., Бачина О.И., Завьялова М.М., Равочкин С.И. Магнитные свойства наночастиц и Зd-металлов // Журнал Технической Физики. 2008. Т. 78. № 8. С. 101–106
  3. Курляндская Г.В., Сафронов А.П., Щербинин С.В., Бекетов И.В., Бляхман Ф.А., Макарова Э.Б., Корч М.А., Свалов А.В. Магнитные наночастицы, полученные электрофизическими методами: фокус на биомедицинские приложения // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 9. C. 1290–1304.https://doi.org/10.21883/FTT.2021.09.51255.17H
  4. Камзин А.С. Мессбауэровские исследования магнитных наночастиц Fe и Fe 3 O 4 для гипертермических применений // Физика тв. тела. 2016. Т. 58. № 3. С. 519–525.
  5. Geilich B.M., Gelfat I., Sridhar S., van de Ven A.L., Webster T.J. Superparamagnetic iron oxide-encapsulating polymersome nanocarriers for biofilm eradication // Biomaterials. 2017. V. 119. P. 78–85. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.12.011
  6. Khawja Ansari S.A.M., Ficiara E., Ruffinatti F.A., Stura I., Argenziano M., Abollino O., Cavalli R., Guiot C., D’Agata F.. Magnetic Iron oxide nanoparticles: synthesis, characterization and functionalization for biomedical applications in the central nervous system // Materials. 2019. V. 12. № 3. P. 465. https://doi.org/10.3390/ma12030465
  7. Dvorak H.F. Tumors: wounds that do not heal. Similarities between tumor stroma generation and wound healing // N. Engl. J. Med. 1986. V. 315, P. 1650–1659. https://doi.org/10.1056/nejm198612253152606
  8. Grossman J.H., McNeil S.E. Nanotechnology in Cancer Medicine // Phys. Today. 2012. V. 65. № 8. P. 38–42.https://doi.org/10.1063/PT.3.1678
  9. Kurlyandskaya G.V., Litvinova L.S., Safronov A.P., Schupletsova V.V., Tyukova I.S., Khaziakhmatova O.G., Slepchenko G.B., Yurova K.A., Cherempey E.G., Kulesh N.A., Andrade R., Beketov I.V., Khlusov I.A. Water-based suspensions of iron oxide nanoparticles with electrostatic or steric stabilization by chitosan: fabrication, characterization and biocompatibility // Sensors. 2017. V. 17. № 11. P. 2605. https://doi.org/10.3390/s17112605
  10. Beketov I.V., Safronov A.P., Medvedev A.I., Alonso J., Kurlyandskaya G.V., Bhagat S.M. Iron oxide nanoparticles fabricated by electric explosion of wire: focus on magnetic nanofluids // AIP Adv. 2012. V. 2. P. 022154.https://doi.org/10.1063/1.4730405
  11. Kotov Yu.A. Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders // J. Nanopart. Res. 2003. V. 5. № 5. P. 539–550. https://doi.org/10.1023/B:NANO.0000006069.45073.0b
  12. Melnikov G.Yu., Lepalovskij V.N., Svalov A.V., Safronov A.P., Kurlyandskaya G.V. Magnetoimpedance thin film sensor for detecting of stray fields of magnetic particles in blood vessel // Sensors. 2021. V. 21. P. 3621. https://doi.org/10.3390/s21113621
  13. Prilepskii A.Y., Fakhardo A.F., Drozdov A.S., Vinogradov V.V., Dudanov I.P., Shtil A.A., Bel’tyukov P.P., Shibeko A.M., Koltsova E.M., Nechipurenko D.Y., Vinogradov V.V. Urokinase-conjugated magnetite nanoparticles as a promising drug delivery system for targeted thrombolysis: synthesis and preclinical evaluation // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. P. 36764–36775. https://doi.org/10.1021/acsami.8b14790
  14. Graham L., Orenstein J.M. Processing tissue and cells for transmission electron microscopy in diagnostic pathology and research // Nat. Protoc. 2007. V. 2. P. 2439–2450. https://doi.org/10.1038/nprot.2007.304
  15. Kulesh N.A., Novoselova I.P., Safronov A.P., Beketov I.V., Samatov O.M., Kurlyandskaya G.V., Morozova M., Denisova T.P. Total reflection x-ray fluorescence spectroscopy as a tool for evaluation of iron concentration in ferrofluids and yeast samples // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 415. P. 39–44. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.01.095
  16. Safronov A.P., Beketov I.V., Komogortsev S.V., Kurlyandskaya G.V., Medvedev A.I., Leiman D.V., Larranaga A., Bhagat S.M. Spherical magnetic nanoparticles fabricated by laser target evaporation // AIP Adv. 2013. V. 3. P. 052135. https://doi.org/10.1063/1.4808368
  17. Zborowski M., Chalmers J. Magnetic Cell Separation (Elsevier, 2008), P. 486.
  18. Novoselova I.P., Safronov A.P., Samatov O.M., Beketov I.V., Medvedev A.I., Kurlyandskaya G.V. Water based suspensions of iron oxide obtained by laser target evaporation for biomedical applications // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 415. P. 35–38. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.01.093
  19. Kurlyandskaya G.V., Novoselova Iu.P., Schuplet-sova V.V., Andrade R., Dunec N.A., Litvinova L.S.,Safronov A.P., Yurova K.A., Kulesh N.A., Dzyuman A.N., Khlusov I.A. Nanoparticles for magnetic biosensing systems // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. V. 431. P. 249–254. https://doi.org/101016/j.jmmm.2016.07.056
  20. Safronov A.P., Beketov I.V., Tyukova I.S., Medvedev A.I., Samatov O.M., Murzakaev A.M. Magnetic nanoparticles for biophysical applications synthesized by high-power physical dispersion // J. Magn. Magn. Mat. 2015. V. 383. P. 281–287. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.11.016
  21. Tscharnuter W.W. Photon correlation spectroscopy in particle sizing // Encyclopedia of Analytical Chemistry, Ed. by R. A. Meyers (JohnWiley & Sons Ltd., 2001). P. 5469. https://doi.org/10.1002/9780470027318.a1512

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общий вид чашки Петри с высушенным образцом культуры МСК при концентрации МНЧ 256 мкг/см2 и нанесенной разметкой по зонам. Зона «2» показана после смыва биоматериала.

Скачать (911KB)
Метаданные
3. Рис. 2. ПЭМ-изображения МНЧ суспензии (а) и микродифракционная картина, подтверждающая фазовый состав: γ-Fe2O3 (б). Распределение по размерам МНЧ, построенное на основе данных ПЭМ по изображениям 1005 частиц (в)

Скачать (429KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение частиц/агрегатов в суспензии наночастиц маггемита, стабилизированных цитратом натрия. 1 – в воде; 2 – в питательной среде DMEM.

Скачать (104KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Средний гидродинамический диаметр частиц/агрегатов при введении в питательную среду DMEM суспензии наночастиц маггемита, стабилизированной цитратом натрия и полиметакрилатом аммония по двухстадийной методике, в зависимости от времени предварительной выдержки суспензии при 25оC.

Скачать (137KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Общий вид культуры мезенхимальных стромальных клеток человека на культуральном пластике.

Скачать (174KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Культура клеток МСК с суспензией МНЧ в концентрации 1 мкг/см2 после отмывания (а, в), культура клеток МСК с суспензией МНЧ в концентрации 256 мкг/см2 после отмывания (б, г). Верхний ряд – в 2D, а нижний ряд – в 3D-представлении. Все единицы по горизонтальным осям – мкм.

Скачать (969KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ПЭМ-изображение биологического образца, представляющего собой смыв этиловым спиртом культуры клеток МСК с суспензией МНЧ в концентрации 256 мкг/см2: части (а) и (б) показывают различные области, где МНЧ находятся либо внутри, либо на поверхности МСК клеток. В случае типичной области, показанной на фотографии (в) – это агломерат МНЧ, сформированный в питательной среде в ходе того же самого исследования.

Скачать (953KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схема, иллюстрирующая процесс взаимодействия МНЧ, добавленных в питательную среду, и клеточной культуры. (а) коагуляция МНЧ вблизи клеточной мембраны; (б) интернализация адсорбированных МНЧ сквозь мембрану клетки в цитоплазму.

Скачать (207KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Кривая намагничивания поликарбонатной капсулы (а). Зависимость величины намагниченности ансамбля наночастиц маггемита от массы образца высушенной суспензии с начальной концентрацией МНЧ 4.24 масс. %. На вставке показаны экспериментальные данные измерения образцов с величинами магнитного момента менее 0.004 emu, стрелками указаны нижние пределы возможной количественной оценки содержания МНЧ (б). Все измерения проведены при 300 К.

Скачать (139KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024