ARTÍCULO RETRACTADO:Estudio comparativo de la toxicidad de nanopartículas y nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas de polietilenglicol

Resumen

Presentamos un estudio comparativo de la toxicidad de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de polietilenglicol (PEG). Las nanopartículas se prepararon mediante el método hidrotermal mientras que las nanoesferas se prepararon mediante la técnica solvotermal. La superficie de los nanomateriales se modificó con éxito con polietilenglicol. Para investigar la morfología de las muestras preparadas, se emplearon técnicas de difracción de rayos X (XRD), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía Raman, análisis termogravimétrico (TGA) y microscopía electrónica. Los análisis estructurales confirmaron la formación de nanopartículas de ferrita de cobalto policristalino con diámetros en el rango de 20 a 25 nm y nanoesferas en el rango de 80 a 100 nm, respectivamente. Se utilizaron ratones Kunming SPF (hembras, de 6 a 8 semanas de edad) para investigar la toxicidad inducida por nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto en diferentes órganos de los ratones. Se realizaron estudios de biodistribución, índices bioquímicos, evaluaciones histopatológicas, factores inflamatorios, niveles de oxidación y antioxidantes y pruebas de citotoxicidad para evaluar la toxicidad inducida por nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto en ratones. Se descubrió que las nanoesferas de ferrita de cobalto eran más tóxicas que las nanopartículas y se demostró que la curcumina es un buen agente curativo para la toxicidad inducida por los nanomateriales de ferrita de cobalto recubiertos con PEG en ratones.

Introducción

En los últimos años, los nanomateriales magnéticos han recibido un gran interés tanto en la investigación fundamental como en las aplicaciones tecnológicas. Estas aplicaciones incluyen, entre otras, vehículos de administración de fármacos [1, 2, 3], imágenes por resonancia magnética (IRM) [4, 5, 6], hipertermia [7, 8, 9], biosensores [10], separación [11], separaciones de proteínas [11, 12], magnetofección genética [13,14,15] y contaminación ambiental y remediación [16, 17]. La ferrita de cobalto, como material magnético duro, se utiliza como agente de contraste para la resonancia magnética, la administración dirigida de fármacos y el mediador de calentamiento en la hipertermia [18,19,20,21,22,23]. Aunque la ferrita de cobalto se usa en aplicaciones biomédicas, sin embargo, tiene ciertas restricciones como su alta toxicidad debido a la notable cantidad de cobalto que se libera en la solución, agregación en la solución y poca accesibilidad de la superficie cuando se usan surfactantes. Por lo tanto, este problema se superó mediante el uso de la modificación de la superficie con ciertos materiales dispersantes y biocompatibles, no tóxicos y estables al agua [24, 25, 26, 27, 28]. Además, la fabricación de ferrita de cobalto es fácil y rentable con composiciones, formas y tamaños personalizados para cualquier aplicación en particular. Hay una variedad de técnicas adoptadas para la síntesis de ferrita de cobalto de tamaño nanométrico, que incluyen mecanoquímica [29], sonoquímica [30], coprecipitación [31, 32], microemulsión [33] y otras [34,35,36,37 , 38]. De manera similar, se adoptaron otras técnicas, incluido el método ecológico de un solo paso, para la fabricación de nanoclusters de cobre fluorescentes a medida utilizando curcumina como plantilla [39]. Un gran inconveniente de la mayoría de estas técnicas es la baja cristalinidad del material preparado, que a su vez conduce al deterioro significativo de las características magnéticas. En este sentido, las técnicas hidrotermales [40] y solvotermales [41] son las técnicas más efectivas y eficientes para sintetizar ferrita de cobalto con morfologías y cristalinidades controladas.

En la literatura, se ha informado que varios nanomateriales, como las nanopartículas de plata (Ag NP), se utilizan para el tratamiento antimicrobiano y las enfermedades infecciosas asociadas, así como también como nanovehículos para la administración de fármacos y el tratamiento de diferentes enfermedades [42]. En otro artículo de revisión, se informó que los ferratos se utilizan para la eliminación de una amplia gama de especies químicas y biológicas de las aguas residuales [43]. En la aplicación biomédica de nanomateriales de ferrita de cobalto, el problema principal es la acumulación de ferrita de cobalto en los órganos, lo que resulta en la toxicidad en el cuerpo que requiere la eliminación urgente de los nanomateriales recolectados de los órganos y necesita la curación de los daños inducidos por la ferrita de cobalto. Varios investigadores han estudiado los fármacos antiinflamatorios y han descubierto que estos fármacos pueden reducir la toxicidad inducida por los nanomateriales [44, 45]. La curcumina con características antioxidantes, antimutación, antitumorales y cancerígenas se puede utilizar como agente curativo de la toxicidad inducida por los nanomateriales de ferrita de cobalto [46,47,48]. Tiene la capacidad de ser utilizado como bloqueador del TNF tanto in vitro como in vivo al unirse directamente al TNF [49].

El objetivo de este trabajo fue fabricar nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de polietilenglicol (PEG) en los laboratorios con morfologías controladas. Se inyectaron por vía intravenosa diferentes dosis de nanomateriales en los ratones y se realizaron análisis de sangre, biodistribución, tinción HE y se estudiaron la viabilidad celular para evaluar la toxicidad de estos nanomateriales. Se realizó una comparación de la toxicidad de las nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto y se utilizó curcumina como agente curativo para la toxicidad inducida por nanoesferas de ferrita de cobalto en ratones. Se demostró que las nanoesferas de ferrita de cobalto son más tóxicas que las nanopartículas debido a sus áreas de superficie agrandadas, lo que las hace más tóxicas y reactivas que las nanopartículas. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio detallado de este tipo que no se ha realizado anteriormente.

Materiales y métodos

Preparación de nanomateriales

Para la preparación de nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG, adoptamos la técnica hidrotermal [40, 47]. Para ello, se prepararon por separado soluciones de cloruro de cobalto (0.2 M) y nitrato férrico (0.4 M) en 25 mL de agua desionizada (DI) cada una y luego estas soluciones se mezclaron con 25 mL de soluciones acuosas de polietilenglicol (2.5 mM) y hidróxido de sodio (3 M), respectivamente. Después, la mezcla se agitó durante 20 min y se vertió en el autoclave de acero inoxidable (SS), que se calentó a 180ºC durante 6 h. Cuando se completó el proceso, la mezcla se enfrió a temperatura ambiente y luego la solución se lavó 2-3 veces con agua desionizada y etanol para eliminar las impurezas no deseadas de la mezcla. La mezcla se secó a aproximadamente 80 ° C durante la noche en el horno y luego se molió en polvos finos para obtener las nanopartículas de ferrita de cobalto deseadas.

Para la preparación de nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG, se utilizó la técnica solvotermal. Para ello, se disolvió cloruro de cobalto hexahidratado en 40 ml de etilenglicol (2,5 mM), seguido de la adición de 1,35 g de cloruro de hierro hexahidratado y 1 g de polietilenglicol (PEG). Después, la mezcla se agitó durante aproximadamente 30 min y luego se selló en un autoclave SS revestido con Teflón. A continuación, se calentó el autoclave a 200ºC durante 8 h y, una vez finalizada la reacción, se enfrió a temperatura ambiente. La mezcla se lavó con agua desionizada y etanol y luego se secó a 80ºC durante la noche en el horno. Finalmente, la mezcla se molió en polvos finos para obtener nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG con diámetros en el rango de 80 a 100 nm. La morfología de los nanomateriales preparados se investigó mediante difracción de rayos X (XRD) siguiendo el método utilizado en la Ref. [50], microscopía electrónica de barrido y transmisión (SEM y TEM) como se utiliza en la Ref. [50, 51], espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) a temperatura ambiente para la determinación de grupos funcionales en ferrita de cobalto similar a la Ref. [51], espectroscopia Raman y análisis termogravimétrico (TGA) como se utiliza en la Ref. [52].

Etiquetado radiactivo de nanomateriales

El radiomarcaje de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas con PEG se realizó con ^99m Tc utilizando cloruro estannoso como agente reductor [53, 54, 55]. Para este propósito, ^99m fresco TcO ₄ El eluido del generador (50 μL con actividad de ∼ 4 mCi) se preparó agregándolo a 30 μL de SnCl ₂ suspensión (1 mg / ml en HCl 0,5 N). Con la ayuda de NaHCO ₃ solución (1 M), el pH de la suspensión se ajustó en el rango 8-10. Se mezclaron soluciones de nanopartículas y nanoesferas (40 μL cada una) que contenían ~ 0,4% en peso de ferrita de cobalto con suspensiones de cloruro estannoso (50 μg), ácido ascórbico (10 mg / ml) y ^99m TcO ₄ . Después, la mezcla se agitó a 10.000 rpm durante 25 min a 80ºC. Para las mediciones precisas, los recuentos radiactivos se registraron en 24 h debido a la corta vida útil de ^99m Tc (~ 6 h). El sobrenadante se decantó luego de la centrifugación y se identificó que el material restante era ^99m Nanopartículas y nanoesferas de ferrita de Tc-PEG-cobalto. Se utilizó un cromatograma de papel para medir los rendimientos radiactivos de los compuestos marcados, que eran más del 65% y reflejaban la biodistribución real de los nanomateriales en los ratones in vivo.

Biodistribución de nanomateriales

Como se indica en la Fig. 1, los ratones Kunming SPF (hembras, de 6 a 8 semanas de edad, de 18 a 20 g de peso) se obtuvieron del Centro de Laboratorio de Ciencias Médicas de la Universidad de Lanzhou, China. Todos los ratones se mantuvieron en jaulas bajo el sistema de temperatura controlada mantenido a 21-22 ° C y las luces se encendieron de 08:00 a 20:00 h. A los ratones se les dio acceso libre a comida y agua del grifo y fueron manipulados siguiendo los protocolos del Cuidado de Animales de Laboratorio Formulado por la Sociedad Nacional de Investigación Médica y las pautas de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Los ratones se dividieron al azar en varios grupos y cada grupo contenía 5 ratones y luego se les inyectó por vía intravenosa ^99m Soluciones de Tc-PEG-ferrita de cobalto de nanopartículas y nanoesferas y muertas después de 1 h, 6 h, 16 hy 24 h, respectivamente. Los tejidos del corazón, pulmón, hígado, bazo y riñón se disecaron inmediatamente, se envolvieron en papel de aluminio, se pesaron y luego la radiactividad de ^99m Se midió la Tc en cada tejido usando un detector de contador gamma. La biodistribución de nanomateriales en diferentes órganos de ratones se presentó en porcentaje de dosis inyectada por gramo de tejido húmedo (es decir,% ID / g).

Diagrama esquemático del modelo experimental

Tinción con hematoxilina y eosina

Para la tinción con hematoxilina y eosina (HE), la cera de parafina se cortó en xileno para desparafinado y el proceso se repitió dos veces durante aproximadamente 10 minutos cada una. La hidratación de la muestra se llevó a cabo transfiriendo los portaobjetos a través de diferentes soluciones de etanol con concentraciones de etanol al 100%, etanol al 95% y etanol al 70% cada una durante 2 min. Se enjuagaron los portaobjetos en agua corriente del grifo a temperatura ambiente durante aproximadamente 2 min y cuando finalizó el proceso, los núcleos se tiñeron en solución de tinción de hematoxilina a 60 ° C durante 10 sy luego a temperatura ambiente durante 1 min y luego se colocaron los portaobjetos bajo el grifo de agua corriente a temperatura ambiente durante unos 5 min. Se tiñeron las muestras en solución de trabajo de eosina Y durante 2 min y luego se deshidrataron las muestras primero sumergiéndolas en etanol al 95% y luego en etanol al 100% cada una durante 2 min. El citoplasma se tiñó durante 7 s sumergiéndolo en una solución de tinción de eosina durante 15 s. Después de la eliminación, el citoplasma se lavó y se deshidrató con etanol absoluto dos veces durante 1 minuto cada una. A continuación, el tejido se hizo transparente con xileno durante 15 sy se examinó el citoplasma y luego se fotografió utilizando sellos de goma neutrales. El examen microscópico de los tejidos se realizó con el microscopio Olympus Microphot-CX41 junto con una cámara digital.

Índices bioquímicos y factores inflamatorios

Se inyectaron por vía intravenosa 250 microgramos de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG en los ratones del grupo de exposición mientras que el grupo de control se trató con solución salina normal al 0,9% y luego se sacrificaron todos los ratones después de 24 h. Se recogió sangre de los ratones y se centrifugó durante aproximadamente 10 minutos para obtener el suero sanguíneo. Los contenidos séricos de TB, ALT, AST, BUN, CREA y Cys-C se midieron mediante el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) y Western blot. Las enzimas ligadas al hígado, IL-6, IL-8 y TNF-α, juegan un papel clave en la respuesta inflamatoria inducida por necrosis. Por lo general, se producen niveles altos de estas expresiones cuando un órgano responde a la inflamación.

Ensayo de viabilidad celular MTT

Los potenciales citotóxicos de las nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG se determinaron mediante MTT, un ensayo colorimétrico para evaluar las actividades metabólicas de las células. Las células del epitelio humano L-132 y los monocitos humanos THP-1 comprados en Shanghai, China, se expusieron a diferentes concentraciones de nanopartículas en el rango de 30 a 125 μg / mL y nanoesferas en el rango de 50 a 250 μg / mL y la densidad óptica fue medido a 590 nm para diferentes ensayos utilizando un sistema de espectrofotómetro de microplacas (UNICO WFZ UV-2000, Shanghai, China). Se seleccionaron células L-132 ya que la inhalación es una ruta principal para la exposición de nanomateriales y se utilizaron células THP-1 debido a su papel en la eliminación de materiales extraños. En cada ensayo, las células no tratadas se evaluaron como control negativo. La inhibición de la actividad enzimática se observó en las células, que se comparó con las células no tratadas (control negativo) y los valores se derivaron en forma de proporción del control negativo y se representaron frente a la concentración de nanopartículas y nanoesferas.

Análisis estadístico

Cada punto de datos se informó como el valor medio (± sem) de los experimentos realizados por triplicado. La significancia de las diferencias se evaluó mediante el análisis de la varianza y se dibujaron gráficos estadísticos con la ayuda del software Origin y Microsoft Excel.

Resultados y discusión

Análisis estructural

Los análisis estructurales (XRD, FTIR, Raman y TGA) de los nanomateriales preparados se muestran en la Fig. 2. Los resultados de XRD en la Fig. 2a representan la ferrita de cobalto recubierta y no recubierta a nanoescala, lo que confirma que la ferrita de cobalto se fabricó con éxito. Las posiciones y las intensidades relativas de todos los picos observados en los datos XRD confirman la naturaleza cristalina de la ferrita de cobalto. No se observaron picos adicionales, lo que indica la pureza de la ferrita de cobalto preparada. El tamaño medio de cristalito de la ferrita de cobalto se determinó mediante la ecuación de Scherrer [56], que resultó ser ~ 24 nm. Se llevó a cabo una espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) para investigar la distribución de cationes (de níquel, cobalto y hierro) en la ferrita de cobalto. La Figura 2b indica los datos de FTIR recopilados a temperatura ambiente. En teoría, la ferrita de cobalto tiene dos bandas de absorción fuertes (ʋ ₁ y ʋ ₂ ) junto con algunos otros que aparecen en el rango de 400 a 600 cm ⁻¹ . Todos estos picos están claramente indicados en nuestros datos mostrados en la Fig. 2b. En datos FTIR, ʋ ₁ corresponde a las vibraciones de estiramiento intrínsecas del metal en sitios tetraédricos, mientras que ʋ ₂ corresponde a las vibraciones de estiramiento de los iones metálicos en los sitios octaédricos [57,58,59]. El pico que aparece en FTIR a 3421 cm ⁻¹ corresponde al polietilenglicol (PEG) que indica su unión exitosa en la superficie de la ferrita de cobalto. El análisis Raman de la ferrita de cobalto recolectada a temperatura ambiente se muestra en la Fig. 2c, que indica 5 picos diferentes que se pueden ver en los datos. El pico aparece por debajo de 700 cm ⁻¹ es el pico de características principales ( A _1g modo) de ferrita de cobalto que corresponde al estiramiento de los iones de oxígeno a lo largo de los enlaces Fe-O en los sitios tetraédricos [60], mientras que los otros picos que aparecen en los datos también pertenecen a la ferrita de cobalto. Esto confirma la fabricación exitosa de ferrita de cobalto PEG en nuestro experimento. La Figura 2d muestra los resultados de TGA de las muestras recolectadas en el rango de temperatura 50–380 ° C que indican que la ferrita de cobalto pierde su peso a diferentes temperaturas. También es evidente en el análisis de TGA que la estabilidad térmica de PEG es relativamente baja mientras que la de PEG-ferrita de cobalto es alta.

un Resultados de XRD de la ferrita de cobalto. b Espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) empleada en el rango de 500 a 4000 cm ⁻¹ . c Espectro Raman a temperatura ambiente de las muestras recolectadas en 190-1000 cm ⁻¹ rango de frecuencia. d Análisis termogravimétrico (TGA) de CoFe ₂ recubierto con PEG O ₄ recolectados en el rango de temperatura 50–400 ° C

Los análisis de microscopía electrónica de las muestras se muestran en la Fig. 3. La Figura 3 (a) y (b) indican las imágenes SEM de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG, respectivamente, mientras que la Fig. 3 (c) y (d) indican los análisis TEM de nanoesferas y nanopartículas, respectivamente. Estos resultados muestran que el tamaño medio de las nanopartículas es de alrededor de 25 nm y el de la nanoesfera es de 80 a 100 nm. A partir de imágenes TEM de nanoesferas, es obvio que las nanoesferas están compuestas por una gran cantidad de nanopartículas más pequeñas con grandes áreas de superficie, lo que las hace mesoporosas, que son muy deseables para aplicaciones médicas de nanomateriales como vehículos portadores de fármacos. Todos estos análisis estructurales confirman la formación exitosa de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG en fase pura.

SEM de nanopartículas de ferrita de cobalto ( a ) y nanoesferas ( b ). Imágenes TEM de nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas con PEG ( c ) y nanoesferas ( d ), recopilados en diferentes resoluciones

Estudios de biodistribución

Cuantitativamente, la biodistribución de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PE en sangre, corazón, hígado, bazo, pulmón y riñón después de diferentes intervalos de tiempo (1, 6, 16 y 24 h) se muestra en la Fig. 4. El Se evaluó la presencia de ferrita de cobalto en la sangre y otros órganos dentro de las 24 h posteriores a la inyección intravenosa de ^99m Solución de ferrita de Tc-PEG-cobalto (nanopartículas y nanoesferas). En el caso de las nanoesferas que se muestran en la Fig.4 (a), se encontró que la retención sanguínea de ferrita de cobalto era 6.5 ± 0.33% ID / g después de 1 h de exposición y luego disminuyó gradualmente durante los siguientes intervalos de tiempo (es decir, 6, 16 y 24 h). Se observó que las nanoesferas se distribuían principalmente en el corazón, hígado, bazo, pulmón y riñón; sin embargo, la mayoría de ellos se acumularon principalmente en el bazo. Además, se encontró que la biodistribución de nanoesferas en varios órganos era más alta después de la primera hora y luego disminuía gradualmente y permanecía por debajo del 30% después de 6 h. En el caso de las nanopartículas de ferrita de cobalto, la retención sanguínea de las nanopartículas fue de aproximadamente 2.8 ± 0.14% ID / g después de 1 h de exposición, lo que indica una eliminación relativamente rápida de material radioactivo de la reserva de sangre del cuerpo y luego disminuyó con el paso del tiempo. como se muestra en la Fig. 4 (b). Las nanopartículas se distribuyeron en el corazón, hígado, bazo, pulmón y riñón con concentraciones máximas en el bazo y el hígado. Se desprende de la figura que la biodistribución de nanopartículas en sangre y otros órganos fue mayor después de la primera hora y luego disminuyó gradualmente después de 6 horas y finalmente alcanzó los valores más bajos después de 24 horas. Si comparamos los resultados de biodistribución de nanoesferas y nanopartículas, se ve que la acumulación / presencia de nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG en la sangre y otros órganos de los ratones fue mayor en comparación con las nanopartículas. Esto podría estar asociado con una gran superficie y una alta porosidad de las nanoesferas en comparación con las nanopartículas, que es uno de los factores críticos para determinar la reactividad de las interacciones de los nanomateriales con los sistemas biológicos. En el caso de las nanopartículas, su naturaleza no mesoporosa con baja superficie específica las hacía menos reactivas que las nanoesferas en las mismas condiciones. Estas características podrían haber reducido la resistencia prolongada de las nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG en la sangre y otros órganos de ratones. Además, las nanoesferas están provocando la formación de complejos con biomoléculas y dando como resultado un mayor nivel de especies de radicales, aumentando el nivel de estrés oxidativo, dañando el ADN celular y dando como resultado el estrés oxidativo por peroxidación de lípidos.

Biodistribución de PEG-CoFe ₂ O ₄ en sangre, corazón, hígado, bazo, pulmones y riñón después de diferentes intervalos (1, 6, 16, 24 h) expuestos a nanoesferas ( a ) y nanopartículas ( b )

Índices bioquímicos

Para estudiar el efecto de toxicidad de las nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto-PEG en ratones, se midieron índices bioquímicos y los resultados se presentan en la Fig. 5. Se midieron varios parámetros, incluidos ALT, AST, BUN, CREA, TB y Cys-C para los ratones del grupo de control y de exposición. Se utilizó el software SPSS para la extracción de datos con * P <0.05 que representa cambios significativos durante las mediciones. Tanto en nanoesferas como en nanopartículas, se observa que todos los índices bioquímicos muestran cambios significativos en comparación con los ratones del grupo de control (* P <0,05). En el caso del grupo de exposición a nanoesferas de ferrita de cobalto, los niveles de ALT, AST y BUN muestran diferencias significativas (* P <0,05) en comparación con los ratones del grupo de control, mientras que en el caso del grupo de exposición a nanopartículas, solo Cys-C muestra una diferencia significativa en comparación con los ratones del grupo de control (* P <0,05). Se ve que la TB y Cys-C, que son los principales responsables del biomarcador de la función renal, se redujeron significativamente en el caso de las nanoesferas. Esto sugiere que el riñón se ve más afectado por la exposición de nanoesferas de ferrita de cobalto-PEG en comparación con las nanopartículas. AST, como biomarcador para el hígado, se vio más afectado por la exposición tanto de nanopartículas como de nanoesferas. Esto sugiere que la exposición a ferrita de cobalto puede afectar negativamente la función hepática. A partir de todos estos resultados, está claro que las nanoesferas de ferrita de cobalto y PEG están creando más daños en ratones in vivo en comparación con las nanopartículas de ferrita de cobalto.

Índices bioquímicos en suero sanguíneo de ratones del grupo de exposición de control, nanopartículas y nanoesferas. Los datos representan la media ± SD de dos experimentos independientes realizados por triplicado. * P <0.01

Estudio histopatológico

Hemos presentado el análisis histopatológico de los ratones del grupo de control, nanopartículas, nanoesferas y de tratamiento como se muestra en la Fig. 6. Si comparamos los resultados de los grupos de exposición a nanoesferas y nanopartículas con los ratones del grupo control, se ve que las nanoesferas de PEG-ferrita de cobalto son produciendo más daños en diferentes órganos (hígado, bazo, riñón y pulmón) de ratones en comparación con el grupo de exposición a nanopartículas. En el riñón, se produjo congestión glomerular junto con edema leve y se observan células de inflamación intersticial en el caso de la ingesta de nanoesferas en comparación con la exposición a nanopartículas y los ratones del grupo de control. También se ve que las nanopartículas muestran menos inflamación que las nanoesferas. En el caso de la exposición a nanopartículas, se encontró que los pulmones están relativamente menos afectados, mientras que en el caso de las nanoesferas, se encontró que la pared alveolar estaba engrosada y se observó una fibrosis leve. Además, para el grupo de exposición a nanoesferas, los hepatocitos muestran hinchazón y se produjo edema, mientras que se encontró una inflamación relativamente menor en el caso de los ratones del grupo de exposición a nanopartículas.

Secciones de histología de los tejidos de diferentes grupos (control, nanopartículas, nanoesferas y tratamiento)

Factores inflamatorios y nivel de oxidación / antioxidante

Se midieron los niveles de expresión de IL-6, IL-8, TNF-α, MDA y T-AOC y los resultados se muestran en la Fig. 7. La Figura 7a representa las bandas de transferencia Western de IL-6, IL-8, y β-actina para los grupos de exposición de control, nanopartículas y nanoesferas. El nivel relativo de proteína de IL-6 e IL-8 para los grupos de exposición de control, nanopartículas y nanoesferas se muestra en la figura 7b, mientras que los contenidos de TNF-α, MDA y T-AOC se muestran en la figura 7c– e con * P <0,05 para el grupo de exposición frente al grupo de control ± sem. Los resultados revelaron que los niveles de IL-6, IL-8, TNF-α y MDA para los ratones del grupo de exposición a nanoesferas de ferrita de cobalto son más altos que los del grupo de nanopartículas y ambos niveles son más altos que los del grupo de control. En el caso de T-AOC, el nivel de nanoesferas fue más bajo que el de la exposición a nanopartículas y los ratones del grupo de control. Todos estos resultados indican que las nanopartículas y nanoesferas están provocando inflamación en ratones, especialmente en el hígado. Sin embargo, las nanoesferas están afectando a los órganos más que a las nanopartículas. Es bien sabido que los nanomateriales en el cuerpo generan radicales libres de oxígeno (ROS), que provocan una serie de reducciones cualitativas de los antioxidantes, resultando en daños por oxidación de los tejidos biológicos que afectan negativamente a los organismos celulares [61, 62]. Además, cuando se compararon los niveles de IL-6, IL-8, TNF-α, MDA y T-AOC de los ratones expuestos a nanopartículas con los expuestos a nanoesferas, se encontró que las nanoesferas de ferrita de cobalto producían más inflamación. en comparación con los ratones del grupo de exposición a nanopartículas.

Expresiones de IL-6, IL-8, TNF-α, MDA y T-AOC. un Bandas de transferencia de Western para IL-6, IL-8 y β-actina en los grupos de exposición de control, nanopartículas y nanoesferas. b Niveles de expresión relativa de IL-6 e IL-8. c Contenido de TNF-α. d Nivel MDA. e Cuadro estadístico de contenido de T-AOC para los grupos de control y exposición (nanopartículas y nanoesferas). (* P <0.05 para los grupos de exposición versus el grupo de control ± sem)

Evaluación de citotoxicidad

Se llevaron a cabo estudios de citotoxicidad para diferentes concentraciones de nanoesferas y nanopartículas de ferrita de cobalto recubiertas de PEG y los resultados se presentan en la Fig. 8. El porcentaje de supervivencia de las células L-132 se muestra en la Fig. 8 (a), mientras que en la Fig. 8 (b) representa el porcentaje de supervivencia de las células THP-1. Se ve que para concentraciones superiores a 100 μg / mL, hay cambios significativos en la viabilidad celular observada para ambas células, y se ve que los resultados son más pronunciados en el caso de nanoesferas de PEG. Esto confirma que las nanoesferas de ferrita de cobalto están produciendo más daños en comparación con las nanopartículas. Además, la viabilidad celular disminuye al aumentar la concentración de nanopartículas y nanoesferas, lo que indica que la ferrita de cobalto recubierta de PEG en ambas formas produce más toxicidad en ratones con una concentración creciente. Debido a los dos objetivos celulares diferentes (L-132 y THP-1), se puede esperar que la respuesta celular no sea idéntica, dependiendo del mecanismo de muerte celular [63]. Una posible razón para explicar las especificidades de la diana celular, incluso para tamaños similares de partículas, puede atribuirse a la función de la fagocitosis, que caracteriza a los monocitos (células THP-1), pero no a las células epiteliales pulmonares [64]. Es bien sabido que una sola nanoesfera está compuesta por una gran cantidad de pequeñas nanopartículas. Así, posee una gran superficie en comparación con las nanopartículas y, por tanto, tiene más reactividad y más posibilidades de interacción con los sistemas biológicos (tejidos) en comparación con las nanopartículas. Además, debido al tamaño más grande de las nanoesferas, no pueden secretarse fácilmente a través de la circulación sanguínea o urinaria una vez que ingresan al órgano. Por lo tanto, permanecen en el cuerpo (órganos) durante un tiempo relativamente más largo en comparación con las nanopartículas, que a su vez afectan negativamente a los tejidos. Además, las nanoesferas reducen la función de los macrófagos, reducen la fagocitosis de las propias nanoesferas y reducen la movilidad de los macrófagos y la disfunción citoesquelética.

Citotoxicidad de nanopartículas y nanoesferas de ferrita de cobalto recubiertas con PEG en células L-132 ( a ) y celdas THP-1 ( b ). * P <0.01 y ** P <0,05 para las dos células en comparación con los controles no tratados. Los datos representan la media ± SD de dos experimentos independientes realizados por triplicado

Efecto de la curcumina sobre la toxicidad

Se estudiaron los índices bioquímicos en el suero sanguíneo para el grupo de exposición a la nanoesfera y el grupo tratado con curcumina y los resultados se compararon con los ratones del grupo de control, que se muestran en la Fig. 9. Se encontró que todos estos índices en los ratones del grupo de tratamiento mostraron mejoras significativas después de the administration of curcumin when compared their values with nanosphere exposure and control group mice. In the figure, it is seen that the expression levels of ALT, AST, BUN, CREA, CYS-C, and TB were approached towards the normal values after the administration of curcumin. This can be attributed to the fact that curcumin has strong antioxidant characteristics which reduces the oxidative stress produced as a result of the toxicity induced by cobalt ferrite [47]. It has also been reported that TNF-α and IL-1 play important role in the induction of hepatic necrosis and curcumin reduces the effect of toxicity by inhibiting the secretion of TNF-α and IL-1 by macrophages [48], similar to the work reported earlier in Ref. [65].

Biochemical indexes in blood serum of the control, nanosphere exposure, and treatment group mice (*P <0.05 compared with untreated controls)

Conclusion

In this work, we successfully fabricated PEG-coated cobalt ferrite nanoparticles and nanospheres via hydrothermal and solvothermal methods, respectively. From structural analyses, it was found that the prepared nanomaterials are highly pure, crystalline, and biocompatible in nature resulting from the successful attachment of PEG. It was found that both nanospheres and nanoparticles of cobalt ferrite are toxic to biological systems. Furthermore, it was shown that nanospheres of cobalt ferrite are more toxic than the nanoparticles due to their large surface area and more reactivity with biological tissues. Positive changes were monitored in biochemical indexes after the administration of curcumin which is a natural chemical possessing no side effects, thus confirming it can be used as the healing agent for the toxicity induced by cobalt ferrite nanospheres.

Change history

Abreviaturas

PEG:: Polietilenglicol
XRD:: Difracción de rayos X
FTIR:: Fourier transform infrared spectroscopy
TGA:: Análisis termogravimétrico
SPF:: Specific pathogens free
IRM:: Imágenes por resonancia magnética
TNF:: Tumor necrosis factor
HE:: Hematoxylin–eosin
SS:: Stainless steel
DI:: Desionizado
SEM:: Microscopía electrónica de barrido
TEM:: Microscopía electrónica de transmisión
TB:: Total bilirubin
ALT:: Alanine aminotransferase
AST:: Aspartate transferase
BUN:: Blood urea nitrogen
CREA:: Creatinine
Cys-C:: Cystatin C
DNA:: Deoxyribonucleic acid
MDA:: Malondialdehyde assay
ROS:: Oxygen free radicals
T-AOC:: Total antioxidant capacity

Combinación basada en nanopartículas de sílice mesoporosa de inhibidor de NQO1 y 5-fluorouracilo para un efecto antitumoral potente contra el carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello (HNS… Dinámica de Maxwell-Wagner-Sillars y susceptibilidad elastomecánica de radiofrecuencia mejorada en compuestos de nanopartículas de titanato de bario dopado con hidrogel-KF de PNIPAm

Nanomateriales

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