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El óxido de grafeno en un compuesto con nanopartículas de plata reduce la citotoxicidad de fibroblastos y células endoteliales de una nanoplataforma antibacteriana

Resumen

Las superficies antibacterianas recubiertas con nanomateriales, incluidas las nanopartículas de plata, se consideran agentes antimicrobianos alternativos eficaces que se pueden utilizar en lugar de antibióticos y agentes químicos. Sin embargo, los informes sobre la posible toxicidad de estos materiales plantean dudas sobre la seguridad de su uso en aplicaciones biomédicas. El objetivo de esta investigación fue reducir la citotoxicidad en células humanas de láminas de poliuretano recubiertas de nanopartículas de plata mediante la complejación de nanopartículas de plata con óxido de grafeno. La actividad antimicrobiana de nanoplataformas recubiertas con nanopartículas de plata, óxido de grafeno y el compuesto de nanopartículas de plata y óxido de grafeno se evaluó con Salmonella enteritidis . La citotoxicidad se analizó mediante un análisis de la viabilidad y morfología de los fibroblastos humanos, las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) y la membrana corioalantoidea de embriones de pollo. Además, se examinó el nivel de síntesis de proteínas inflamatorias en busca de fibroblastos cultivados en diferentes nanoplataformas. La nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata y compuesto de óxido de grafeno mostró las propiedades antibacterianas más fuertes, aunque las nanoplataformas recubiertas solo con nanopartículas de plata u óxido de grafeno también dieron como resultado una disminución de S. enteritidis crecimiento. Además, una nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata y compuesto de óxido de grafeno mostró una estimulación inmunológica limitada y citotoxicidad significativamente reducida hacia fibroblastos, HUVEC y membrana corioalantoidea de embrión de pollo en comparación con la nanoplataforma recubierta solo con nanopartículas de plata, debido a la mayor estabilidad de los nanomateriales en el nanocompuesto.

Introducción

Los materiales con superficies antibacterianas se han explorado ampliamente para su uso en medicina y en la industria biomédica [1]. Los nanomateriales se consideran agentes antimicrobianos alternativos eficaces que pueden utilizarse en lugar de antibióticos y agentes químicos [2]. Las nanopartículas de plata (AgNP) se utilizan con mayor frecuencia por sus propiedades antibacterianas [3]. Sin embargo, las nanopartículas que muestran actividad antimicrobiana, incluidos los AgNP, especialmente en concentraciones más altas, pueden ser tóxicas para las células humanas y posiblemente afectar la salud humana [4, 5]. Por tanto, en la industria biomédica, la aplicación de materiales con superficies recubiertas de nanomateriales plantea interrogantes sobre su seguridad y toxicidad.

Una de las posibles formas de minimizar la toxicidad potencial de los nanomateriales es limitar su movilidad sin cambiar sus propiedades antimicrobianas. Los nanomateriales firmemente adheridos que se utilizan en superficies antibacterianas que no se desprenden del material reducen su toxicidad para las células humanas [6]. Uno de los métodos eficaces para recubrir superficies con nanopartículas es la tecnología ultrasónica [7]. Las ondas ultrasónicas provocan cambios estructurales en los nanomateriales, lo que resulta en desaglomeración o aglomeración, dependiendo del nanomaterial [8]. La tecnología ultrasónica también se puede utilizar para la síntesis de nanocomposites a partir de diferentes materiales, incluidos iones metálicos y nanopartículas [9,10,11]. La sonicación se ha utilizado para el ensamblaje de diferentes nanomateriales, incluida la decoración de escamas de óxido de grafeno (GO) con AgNP y otras nanopartículas [12].

El mecanismo de la actividad antibacteriana de las nanopartículas varía entre los diferentes tipos de nanopartículas; sin embargo, los principales procesos responsables de las propiedades antimicrobianas de las nanopartículas son los siguientes:interacciones directas con los componentes celulares y procesos indirectos que incluyen la oxidación de los componentes celulares y la interrupción de los procesos oxidorreductores [3]. La actividad antibacteriana del AgNP es el resultado de la alteración directa de la membrana celular bacteriana por los AgNP y los iones Ag + liberados, lo que induce la síntesis de especies reactivas de oxígeno (ROS) y el colapso del potencial de la membrana plasmática, lo que conduce al agotamiento del ATP intracelular [13 , 14,15]. GO puede ser citotóxico para las células bacterianas debido a la síntesis de ROS y la inmovilización celular directa en la superficie GO [16, 17], causada por las altas capacidades de adsorción de los nanocompuestos GO y GO [18, 19].

Sin embargo, la toxicidad de las nanopartículas no solo se ha observado en células bacterianas. Generalmente, las células humanas son menos vulnerables a las nanopartículas que las bacterias debido a su mayor escala y sus mecanismos de defensa y reparación efectivos, pero se ha observado citotoxicidad, especialmente a altas concentraciones. La toxicidad de AgNP en estudios in vitro se produce en concentraciones de un orden de magnitud similar, aunque pueden variar sustancialmente para sistemas u organismos biológicos diferentes más complejos [20]. La toxicidad de los AgNP para los organismos multicelulares suele ser menor debido a sus diferencias estructurales y fisiológicas, como los tejidos celulares especializados, incluidas las células epiteliales [21]. La biocompatibilidad de GO para las células humanas depende de la concentración y la morfología de la hoja. A concentraciones más altas, la GO puede provocar la penetración de la membrana plasmática y un aumento de la síntesis de ROS [22,23,24].

En nuestros estudios anteriores, mostramos que las nanoplataformas compuestas por nanocompuestos AgNP y GO (Ag-GO) tienen una alta eficiencia antimicrobiana frente a bacterias ( Escherichia coli , Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis ) y levadura patógena ( Candida albicans ), que se relacionó con el aumento de la síntesis de ROS y la perforación de la membrana plasmática [25]. Ag-GO mostró una mayor actividad antibacteriana que las nanoplataformas AgNP o GO, debido a la actividad combinada de ambos nanomateriales. Aquí, planteamos la hipótesis de que las láminas de poliuretano recubiertas con nanocompuesto Ag-GO tendrían una menor toxicidad hacia los fibroblastos, las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) y un modelo in vivo alternativo (membrana corioalantoidea de embrión de pollo) que las láminas solo recubiertas con AgNP.

Resultados

AgNP y GO formaron un nanocompuesto en hidrocoloide

El análisis de microscopio electrónico de transmisión (TEM) se utilizó para evaluar la morfología de los nanomateriales y sus interacciones dentro del compuesto Ag-GO (Fig. 1). Los AgNP eran nanopartículas esféricas que tenían un tamaño medio de aproximadamente 55 nm. Además, las imágenes TEM mostraron la adhesión de nanopartículas de plata a GO (Fig. 1e). Estas observaciones se confirmaron aún más en el análisis de potencial zeta. El potencial zeta de Ag-GO indicó que el hidrocoloide era inestable inmediatamente después de la sonicación, pero se estabilizó después de 24 h (potencial zeta:- 15,68 y - 27,7 mV, respectivamente; Tabla 1). Por el contrario, el hidrocoloide AgNP fue inestable tanto inmediatamente después de la sonicación como después de 24 h, mientras que el hidrocoloide GO fue bastante estable y no cambió significativamente después de 24 h (potencial zeta:- 31,11 mV y - 28,42 mV, respectivamente). Además, el análisis de dispersión dinámica de luz (DLS) mostró que la Z -el tamaño medio de los AgNPs fue 93,1 nm, el GO fue de 1485,0 nm y el Ag-GO fue de 1157,0 nm. La distribución de tamaño de AgNP indicó tres picos asociados con la formación de aglomerados, mientras que la distribución de tamaño de GO y Ag-GO indicó un pico (Fig. 1b, d, f).

Morfología de nanopartículas y distribución de tamaño. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de a nanopartículas de plata, c óxido de grafeno y e nanopartículas de plata y compuesto de óxido de grafeno. Distribución de tamaño de b nanopartículas de plata, d óxido de grafeno y f nanopartículas de plata y compuesto de óxido de grafeno

Se utilizaron espectros Raman y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) para caracterizar las características estructurales de GO (Fig. 2). La Figura 2a muestra la deconvolución de D, G y D ’de GO. La posición de la banda D es 1347 cm - 1 y la banda G 1578 cm - 1 ; la relación ID / IG es 1,34. El análisis FT-IR reveló un pico amplio observado a ~ 3500 cm - 1 , que se asigna principalmente al agua y a los grupos hidroxilo. El pico alrededor de 1600 cm - 1 se asigna a los enlaces C =C presentes en el carbono grafítico. Otros picos observados en el espectro FT-IR muestran que GO es rico en grupos que contienen enlaces C =O (principalmente grupos carboxilo), picos alrededor de 1720 cm - 1 y 915 cm - 1 , epoxi (C – O – C) con el pico visible alrededor de 1200 cm - 1 y enlaces C – H (pico alrededor de 2800 cm - 1 ).

Análisis de características estructurales del óxido de grafeno. un Espectro Raman de óxido de grafeno con deconvolución propuesta de D, G y D ’. b Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (ATR, reflectancia total atenuada) espectro de óxido de grafeno con asignación de grupos funcionales

Láminas recubiertas con AgNP, GO y Ag-GO Reducción de Salmonella enteritidis Crecimiento

La actividad antibacteriana de las nanoplataformas GO, AgNP y Ag-GO se probó con S. enteritidis . La incubación de bacterias en láminas recubiertas con nanomateriales a 37 ° C durante 24 h dio como resultado una disminución del crecimiento (Fig. 3). El S. enteritidis Se observó inhibición del crecimiento en la nanoplataforma Ag-GO. Sin embargo, tanto la nanoplataforma AgNP como la GO también dieron como resultado una disminución de S. enteritidis crecimiento. Una comparación de las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) de bacterias incubadas en la nanoplataforma Ag-GO con el grupo de control mostró un número reducido de S. enteritidis células. Además, las bacterias se adhirieron a las nanoplataformas y mostraron cambios morfológicos, lo que indica la ruptura de su membrana celular.

Las nanoplataformas recubiertas con nanopartículas de plata y óxido de grafeno disminuyeron la viabilidad de S. enteritidis. Imágenes de microscopio electrónico de barrido de a control S. enteritidis bacterias y b S. enteritidis incubados en una nanoplataforma recubierta de nanopartículas de plata y óxido de grafeno, después de la incubación a 37 ° C durante 24 h. c Viabilidad de S. enteritidis después de la incubación en la nanoplataforma durante 24 h se evaluó con un ensayo PrestoBlue. Los valores se expresan como media ± desviación estándar ( n =3, cada experimento por triplicado). La significancia estadística está indicada por diferentes superíndices (ANOVA de una vía; P <0,05). Abreviaturas:C, grupo de control (lámina sin nanopartículas); AgNPs, nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata; GO, nanoplataforma recubierta de óxido de grafeno; Ag-GO, nanoplataforma recubierta con composite de óxido de grafeno y nanopartículas de plata; RU, unidades relativas

La toxicidad de AgNP es inhibida por GO en una nanoplataforma recubierta de compuesto Ag-GO

La toxicidad de las nanoplataformas se investigó mediante la incubación directa de fibroblastos y HUVEC durante 24 h en nanoplataformas y láminas sin recubrimiento (Fig. 4). Hubo diferencias significativas entre la viabilidad de ambos fibroblastos y HUVEC en las diferentes nanoplataformas ( P =0.0003 y P =0.0156, en consecuencia). Las nanoplataformas GO no cambiaron la viabilidad de los fibroblastos, en comparación con la viabilidad de las células incubadas en láminas sin recubrimiento. Del mismo modo, no hubo un impacto significativo de GO en la viabilidad de HUVEC. Sin embargo, el recubrimiento con AgNP dio como resultado una disminución del 40% al 50% de la viabilidad tanto de los fibroblastos como de las HUVEC. La viabilidad celular de los fibroblastos y HUVEC no se modificó cuando se incubaron en nanoplataformas recubiertas con nanocompuesto Ag-GO, lo que muestra la inhibición de la toxicidad de AgNP. La morfología celular en láminas no recubiertas mostró la morfología típica de fibroblastos desarrollados en condiciones de cultivo 2D (Fig. 4a). Las células incubadas en una lámina recubierta de AgNP mostraron una agregación intensa de células. La morfología celular en las nanoplataformas recubiertas con GO y Ag-GO mostró una reducción de las tendencias de aglomeración y la propagación celular.

Las nanoplataformas recubiertas con óxido de grafeno disminuyeron la citotoxicidad de las nanopartículas de plata . Morfología de fibroblastos cultivados en a nanoplataformas sin recubrimiento, b nanoplataformas recubiertas de nanopartículas de plata, c nanoplataformas recubiertas de óxido de grafeno, d nanopartículas de plata y nanoplataformas con recubrimiento compuesto de óxido de grafeno. La morfología se evaluó mediante microscopía óptica utilizando contraste de fase con aumento de × 200. Fibroblasto ( e ) y HUVEC ( f ) se determinó la viabilidad después de 24 h de incubación en las nanoplataformas usando un ensayo PrestoBlue. Los valores se expresan como media ± desviación estándar ( n =3, cada experimento por triplicado). La significancia estadística está indicada por diferentes superíndices (ANOVA de una vía; P <0,05). Abreviaturas:HUVEC, células endoteliales de la vena umbilical humana; C, grupo de control (lámina sin nanopartículas); AgNPs, nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata; GO, nanoplataforma recubierta de óxido de grafeno; Ag-GO, nanoplataforma recubierta con un compuesto de óxido de grafeno y nanopartículas de plata; RU, unidades relativas

La toxicidad de la nanoplataforma también se evaluó utilizando una membrana corioalantoidea de embrión de pollo (Fig. 5). Las nanoplataformas se incubaron directamente sobre una membrana corioalantoidea y se examinó su morfología en el lugar de contacto a las 48 h. Los AgNP causaron cambios morfológicos en la membrana corioalantoidea, mientras que en el caso de las nanoplataformas GO y Ag-GO, la morfología fue comparable a la del grupo de control (Fig. 5b). La membrana corioalantoidea, después de la incubación en la nanoplataforma de AgNP, mostró una disminución en el número de vasos capilares, lo que sugiere una toxicidad directa para las células endoteliales y mesénquimas.

El óxido de grafeno disminuyó los cambios morfológicos de la membrana corioalantoidea provocados por las nanopartículas de plata. La morfología de la membrana corioalantoidea del embrión de pollo después de 48 h de incubación con las nanoplataformas. un Grupo de control (lámina sin nanopartículas), b nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata, c nanoplataforma recubierta con óxido de grafeno, d nanoplataforma recubierta con un compuesto de óxido de grafeno y nanopartículas de plata

Los AgNP disminuyeron la liberación de interleucinas 6 y 8

Se utilizó una matriz de anticuerpos para analizar el contenido de medio celular de 40 proteínas inflamatorias sintetizadas por fibroblastos (Fig. 6). Las principales proteínas inflamatorias liberadas por los fibroblastos fueron la interleucina 8 (IL-8; Fig. 6, puntos:E5, F5) y la interleucina 6 (IL-6; Fig. 6, puntos:E8, F8). Las nanoplataformas AgNP y Ag-GO disminuyeron significativamente el nivel de liberación de IL-8, mientras que la nanoplataforma GO no tuvo tal efecto. Además, tanto las nanoplataformas GO como Ag-GO disminuyeron el nivel de liberación del factor estimulante de colonias de granulocitos-macrófagos (GM-CSF; Fig. 6, puntos:G5, H5). Las nanoplataformas GO y Ag-GO también condujeron al aumento del nivel de liberación del factor de necrosis tumoral beta (TNF-β; Fig. 6, puntos:A9, B9). Curiosamente, las nanoplataformas AgNP, GO y Ag-GO disminuyeron significativamente el nivel de liberación de IL-6. El nivel de liberación de las otras proteínas analizadas no se modificó. Un mapa de matriz con una lista de todas las citocinas analizadas se incluye en el archivo adicional 1:Figura S1.

Análisis de matriz de anticuerpos de la liberación de citocinas inflamatorias de fibroblastos después de 24 h de incubación. un Grupo de control (lámina sin nanopartículas), b nanoplataforma recubierta con nanopartículas de plata, c nanoplataforma recubierta con óxido de grafeno, d Nanoplataforma Ag-GO recubierta con un compuesto de óxido de grafeno y nanopartículas de plata. Las nanoplataformas AgNP y Ag-GO disminuyeron el nivel de liberación de IL-8 (puntos:E5, F5). Tanto las nanoplataformas GO como Ag-GO disminuyeron la síntesis de GM-CSF (puntos:G5, H5). Además, las nanoplataformas GO y Ag-GO llevaron a una mayor síntesis de TNF-β (puntos:A9, B9). Las nanoplataformas AgNP, GO y Ag-GO disminuyeron el nivel de liberación de IL-6 (puntos:E8, F8). Un mapa de matriz completo está disponible en el archivo adicional 1

Discusión

En aplicaciones biomédicas, la seguridad de los nanomateriales utilizados en materiales antimicrobianos es tan importante como su eficacia para matar bacterias. En este estudio, demostramos que los materiales de recubrimiento con GO pueden disminuir de manera eficiente la toxicidad de los nanomateriales. La lámina de poliuretano recubierta con AgNP y GO (Ag-GO) no solo aumentó sus propiedades antimicrobianas, sino que también disminuyó su toxicidad en las células humanas.

Se utilizó espectroscopía Raman para analizar las características estructurales del óxido de grafeno. La banda G en los espectros Raman corresponde a sp 2 material hibridado a base de carbono [26]. El pico D está relacionado con un defecto o trastorno de la red debido a la unión del grupo funcional de oxígeno [27]. La intensidad de la banda D está asociada con el tamaño del sp 2 dominios en el plano [26]. Las bandas adicionales D 'surgen de los defectos presentes en la estructura grafítica del material de carbono. La relación ID / IG (calculada a partir de la intensidad de las bandas D y G) se puede utilizar para caracterizar el desorden de la estructura grafítica en materiales de carbono. Como se demostró, GO tiene una estructura muy desordenada debido a muchos grupos funcionales en la estructura formada durante la oxidación del polvo de grafito [28].

El espectro FT-IR del óxido de grafeno recolectado en el modo ATR reveló que GO tiene muchos grupos funcionales presentes en la estructura, incluidos los grupos carboxilo y epoxi, con picos alrededor de 1720 cm - 1 y 915 cm - 1 , epoxi (C – O – C) con el pico visible alrededor de 1200 cm - 1 y enlaces C – H (pico alrededor de 2800 cm - 1 ). El análisis FT-IR está de acuerdo con las mediciones de XPS realizadas para GO, donde también se identificaron grupos hidroxilo, carboxilo, epoxi y carbonilo [29].

El recubrimiento de nanomateriales se realizó con tecnologías ultrasónicas, que se ha confirmado como un método eficaz para recubrir diversos materiales con sustancias antibacterianas y fungicidas, incluidos los AgNP [30, 31]. Las ondas ultrasónicas utilizan fenómenos de cavitación generando y colapsando burbujas de cavitación, produciendo alta energía y presión [32]. Los nanomateriales acelerados a altas velocidades chocan con el material recubierto y se depositan en la superficie [33]. Sin embargo, la efectividad de la deposición de nanomateriales se puede aumentar no solo mediante el uso de un método de recubrimiento adecuado, sino también al hacer compuestos con nanomateriales que se puedan unir más fácilmente a la superficie. GO es un nanomaterial favorable para crear compuestos estables con diferentes nanomateriales y superficies. Debido a su estructura única, con átomos de carbono en un patrón hexagonal con numerosos grupos funcionales que contienen oxígeno en las proximidades, incluidos los grupos carboxilo e hidroxilo, el GO es propenso a formar enlaces covalentes o interacciones electrostáticas [34]. Por lo general, los compuestos de nanopartículas GO se sintetizan mediante la unión de iones metálicos o nanopartículas metálicas a superficies GO a través de interacciones electrostáticas o covalentes. Además, la reducción de iones metálicos y / o GO se realiza para formar enlaces covalentes [35]. Los compuestos Ag-GO se han elaborado mediante ultrasonidos mediante la reducción in situ de Ag + [36, 37], así como por la deposición de AgNPs [12]. En nuestro informe anterior, mostramos que los métodos ultrasónicos se pueden utilizar para sintetizar nanoplataformas recubiertas de Ag-GO en láminas de poliuretano [25]. Sin embargo, la sonicación no solo llevó a recubrir láminas de poliuretano con nanomateriales, sino también a la formación de un compuesto Ag-GO. La formación del compuesto Ag-GO, incluso antes de recubrir las láminas, podría haber resultado en una mayor estabilidad de los AgNP después del recubrimiento.

En nuestros estudios, los fibroblastos y las HUVEC se utilizaron para los estudios de citotoxicidad seguidos de un análisis de la membrana corioalantoidea del embrión de pollo. Los fibroblastos cutáneos se consideran un buen modelo para los estudios de irritación cutánea en comparación con el análisis in vivo [38], mientras que las células endoteliales, incluida la citotoxicidad HUVEC, a menudo se estudian debido al probable contacto directo de las nanopartículas en aplicaciones biomédicas y la sensibilidad de estas células a las nanopartículas [ 39, 40]. La membrana corioalantoidea de embriones de pollo es un modelo in vivo alternativo a los modelos de roedores para diversos estudios de toxicología, incluida la toxicología de materiales y los estudios de toxicología aguda [41, 42].

Los fibroblastos y las HUVEC tuvieron una mayor viabilidad cuando se cultivaron en Ag-GO que en nanoplataformas recubiertas con AgNP. Además, la nanoplataforma AgNP provocó cambios morfológicos en la membrana corioalantoidea, mientras que en el caso de las nanoplataformas GO y Ag-GO, la morfología celular fue comparable a la del grupo de control. La disminución de la toxicidad en la nanoplataforma Ag-GO podría resultar de los efectos combinados de una mayor estabilidad de los AgNP en el complejo con GO y una mejor deposición de los AgNP en la nanoplataforma. La toxicidad de las células animales suele ser más grave después de que las nanopartículas hayan entrado en la célula por penetración directa o endocitosis [43]. La endocitosis de nanopartículas depende del tamaño y la forma. Las partículas más grandes y los compuestos se absorben en menor medida que las partículas que tienen un tamaño de aproximadamente 45 nm [44]. La relación más notable entre la endocitosis y la forma o el tamaño de los nanomateriales es característica de los nanotubos de pared de carbono. Los nanotubos con una longitud inferior a 1 µm penetran eficazmente en la membrana plasmática mediante difusión directa, mientras que las vías de fagocitosis o endocitosis internalizan nanotubos y aglomerados más largos [45]. Recientemente, se demostró que el nanocompuesto Ag-GO es internalizado por los macrófagos J774, aproximadamente un 60% menos que los AgNP. Sin embargo, debido a que Ag-GO indujo más ROS, la toxicidad general para las células fue mayor [46]. Además, el análisis cinético de la internalización dependiente de la forma de las nanopartículas muestra que las nanopartículas de tamaño esférico generalmente se internalizan mucho más rápido que las partículas planas [47]. Además, la toxicidad de las nanopartículas para las células humanas suele depender del tamaño, en el que las partículas más pequeñas muestran propiedades citotóxicas más fuertes. En estudios sobre la citotoxicidad dependiente del tamaño de los AgNP para RAW, 264,7 macrófagos y nanopartículas de fibroblastos L929 tuvieron menor viabilidad después del tratamiento con AgNP de 20 nm que después del tratamiento con nanopartículas más grandes (80, 113 nm) [13]. Por lo tanto, el mayor tamaño de los compuestos Ag-GO y la disminución de la capacidad de las células para absorber nanopartículas como resultado de la deposición estable en la superficie podrían ser la razón de la mayor viabilidad observada tanto de HUVEC como de fibroblastos cultivados en la nanoplataforma Ag-GO.

Las nanoplataformas AgNP y Ag-GO disminuyeron significativamente el nivel de liberación de IL-8 por los fibroblastos. Las nanoplataformas GO y Ag-GO condujeron a una mayor liberación de TNF-β. Además, las nanoplataformas AgNP, GO y Ag-GO disminuyeron la liberación de IL-6. Curiosamente, los cambios en la síntesis de proteínas proinflamatorias por parte de los fibroblastos se relacionaron con la incubación de células en nanoplataformas recubiertas con AgNP o GO. Los niveles de síntesis de las células incubadas en Ag-GO no difirieron de las incubadas en nanoplataformas recubiertas con solo uno de estos nanomateriales, lo que sugiere que la actividad biológica no cambió después de la síntesis del compuesto. Los fibroblastos son importantes en los procesos inflamatorios y de remodelación al iniciar respuestas inflamatorias y precipitar el cambio de inflamación aguda a reparación tisular [48, 49]. Por tanto, el análisis de las secreciones de fibroblastos de citocinas inflamatorias es importante para predecir la respuesta inmunológica a las nanoplataformas. Tanto la IL-6 como la IL-8 son una de las citocinas inflamatorias clave que, después de la síntesis por los fibroblastos, conduce a la activación de la respuesta inmunológica [50, 51]. El nivel de síntesis de queratinocitos epidérmicos humanos de IL-6 disminuye después del tratamiento con AgNP [52]. De manera similar, la inhibición de la liberación de IL-6 por los AgNP se demostró en células Jurcat e involucra la vía MAPK. Los AgNP también disminuyen los niveles de síntesis del factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α) [53]. El TNF-α y, muy similar en estructura y función, TNF-β son citocinas inflamatorias que son importantes durante la fase de inflamación aguda. Aunque las células inmunitarias son las principales responsables de la liberación de esas proteínas durante la fase aguda de la inflamación, los fibroblastos y diferentes células participan en la síntesis de citocinas inflamatorias durante el proceso temprano de cicatrización de heridas [54]. La actividad para inducir TNF-α después del tratamiento con GO se demostró utilizando macrófagos RAW264.7 [55], lo que sugiere estimulación inmunológica. Sin embargo, en nuestros estudios, los niveles de liberación de la mayoría de las proteínas proinflamatorias analizadas no cambiaron después de que las células se cultivaron en las nanoplataformas GO y Ag-GO. Por lo tanto, estos análisis sugieren que tanto las nanoplataformas GO como Ag-GO poseen una buena biocompatibilidad y no deberían dar lugar a reacciones inmunológicas fuertes.

Conclusiones

En conclusión, los resultados presentados muestran que las nanoplataformas recubiertas con un compuesto Ag-GO han mostrado una mayor inhibición del crecimiento de S. enteritidis que las nanoplataformas con revestimiento de AgNP y GO. Además, el compuesto Ag-GO redujo significativamente la citotoxicidad hacia los fibroblastos, las HUVEC y la membrana corioalantoidea de embriones de pollo, en comparación con las nanoplataformas recubiertas con AgNP. La viabilidad celular de los fibroblastos y HUVEC no se modificó cuando se incubaron en nanoplataformas recubiertas con nanocompuesto Ag-GO, lo que muestra la inhibición de la toxicidad de AgNP. Estos resultados, junto con una baja estimulación inmunológica, sugieren que el GO podría usarse para reducir la citotoxicidad de diferentes nanomateriales en nanocomposites. Además, los resultados sugieren que la nanoplataforma Ag-GO podría considerarse para su uso en aplicaciones biomédicas. Sin embargo, se necesitan estudios adicionales para evaluar la nanoplataforma Ag-GO para aplicaciones específicas, incluidos los apósitos para heridas.

Materiales y métodos

Preparación y caracterización de nanoplataformas recubiertas con nanomateriales

Se prepararon nanoplataformas hechas de láminas de poliuretano recubiertas de nanopartículas como se describió anteriormente [25]. Se cubrieron láminas de poliuretano de forma cuadrada (15 × 15 mm, 0,05 mm de espesor) con suspensiones de AgNP (HydroSilver1000, Amepox, Łódź, Polonia) sintetizadas por reacción de reducción química en presencia de alcohol polivinílico desarrollado por Amepox y / o GO sintetizado por método de Hummers modificado. Se mezclaron diez gramos de polvo de grafito con 230 ml de ácido sulfúrico concentrado (98%) (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, EE.UU.) a una temperatura por debajo de 10ºC. Posteriormente, se añadieron 4,7 g de nitrato de sodio (Sigma-Aldrich) y 30 g de permanganato de potasio (Sigma-Aldrich) a la mezcla de grafito, manteniendo la temperatura por debajo de 10 ° C. Luego, la mezcla se calentó a 30ºC y se agitó durante 2 h. Posteriormente, se añadieron 100 ml de agua y la mezcla se trató con 10 ml de peróxido de hidrógeno. El GO se purificó por filtración y se lavó con agua desionizada hasta que el pH del filtrado alcanzó 6,5. Se prepararon suspensiones de GO, AgNP y el compuesto de AgNP y GO (Ag-GO) en agua desionizada. Durante el recubrimiento, las concentraciones de nanomateriales fueron las siguientes:GO, 200 mg / l; AgNP, 100 mg / l; Ag-GO, 200 mg / l; y AgNP, 100 mg / l. El recubrimiento de nanopartículas se realizó utilizando un cuerno ultrasónico (cuerno de Ti, Ø13 mm, 60% de eficiencia, 20 kHz; Sonics &Materials, Inc., Newtown, CT, EE. UU.) A una temperatura de 30 ± 1 ° C. Las muestras cubiertas se lavaron con agua desionizada y se secaron en condiciones estériles. La caracterización de nanoplataforma con un microscopio electrónico de barrido (SEM), un microscopio de fuerza atómica (AFM) y un microscopio de fuerza lateral (LFM) se informó anteriormente, mostrando nanoplataformas cubiertas casi en su totalidad con nanomateriales [25].

Se tomaron imágenes de los nanomateriales utilizados para obtener las nanoplataformas utilizando un microscopio electrónico de transmisión (TEM). Las imágenes TEM se adquirieron utilizando un microscopio JEM-1220 (JEOL, Tokio, Japón) a 80 kV con una cámara Morada de 11 megapíxeles (Olympus Corporation, Tokio, Japón). Las muestras se prepararon colocando gotas de hidrocoloides en rejillas de cobre recubiertas de formvar (Agar Scientific, Stansted, Reino Unido), que se dejaron secar al aire antes de las observaciones.

Los espectros Raman se recogieron usando un espectrómetro Renishaw inVia con una fuente láser de 532 nm (Wotton-under-Edge, Reino Unido). Para evitar el calentamiento de la muestra, la potencia del láser se mantuvo baja (0,3 mW, calibrada en la muestra). Se utilizó el modo de mapeo Raman con un área de escaneo de aproximadamente 10 × 10 μm, que contiene 25 espectros). Cada espectro consta de dos bandas principales, una banda G (~ 1578 cm - 1 ) y banda D (~ 1347 cm - 1 ), se ajustó utilizando la forma de línea de Lorentz. Las mediciones de FT-IR se realizaron usando un espectrómetro Nicolet iS10 (Thermo Fisher Scientific, Waltham, EE. UU.) En modo de reflectancia total atenuada en un cristal de diamante. La suspensión de óxido de grafeno se secó sobre la superficie de polietileno a temperatura ambiente para crear una lámina fina GO. El espectro se recopiló en el rango de 400 a 4000 cm - 1 .

Zeta potential measurements of GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were carried out with a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern Instruments, Malvern, UK) at 25 °C, using the Smoluchowski approximation. Nanomaterials were sonicated for 30 min and zeta potential was immediately measured. Subsequently, nanomaterials were left for 24 h at room temperature and the zeta potential was measured again. Each measurement was repeated at least seven times after 60 s of stabilisation at 25 °C.

The hydrodynamic diameter of nanoparticles in water and their size distribution were measured with dynamic light scattering (DLS) using a Nano-ZS90 Zetasizer (Malvern). Similar to for the zeta potential analysis, GO (20 mg/l), AgNPs (10 mg/l) and Ag-GO (GO 20 mg/l and AgNPs 10 mg/l) were sonicated for 30 min and left for 24 h at room temperature. Each sample was measured at least seven times at 25 °C.

Bacterial Cultivation

Salmonella enteritidis subspecies enterica serovar Enteritidis (ATCC 13076) was obtained from LGC Standards (Łomianki, Poland). The bacteria were grown on tryptic soy agar (Merck Millipore, Darmstadt, Germany). The bacteria, grown on agar plates, were harvested by gently washing the plates with sterile distilled saline solution. To calculate the number of bacteria in the cell suspension, the optical density of the suspensions at 600 nm (OD600) was measured using a spectrophotometer (Helios Epsilon, Unicam, Milwaukee, WI, USA). A calibration curve was prepared by performing serial tenfold dilutions of bacterial suspensions of a known optical density, up to 10 − 5 . After 24 h of incubation at 37 °C, the number of formed colonies was enumerated and the number of colony-forming units (CFU) of the original bacterial suspension was calculated.

Bacteria Viability Assay

Viability was evaluated using a PrestoBlue Cell Viability Assay (Thermo Fisher Scientific). Bacteria were cultured onto foils coated with GO, AgNPs and Ag-GO, located on inserts inserted into six-well plates (200 μl MH broth with 5 × 10 3  CFU per foil) and incubated for 24 h. Subsequently, 90 μl of each sample was transferred to 96-well plates and 10 μl of PrestoBlue reagent was added to each well and incubated for an additional 2 h at 37 °C. The optical density of each well was recorded at 570 nm using a microplate reader (Infinite M200, Tecan, Durham, NC, USA). Bacteria viability was expressed as the relative value after substitution of the absorbance from the blank samples. Experiments were repeated three times.

Scanning Electron Microscopy Analysis

Bacteria were incubated on foils with Ag-GO and a sterile cover glass. Bacteria cultures (100 μl, 10 6  CFU/ml) were incubated on foils and a cover glass for 24 h at 37 °C. All samples were dried and covered with gold. Cells were fixed with 2.5% glutaraldehyde in phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.2) and contrasted with 1% osmium tetroxide (Sigma-Aldrich) and 1% carbohydrazide (Sigma-Aldrich). Subsequently, cells were dehydrated in increasing concentrations of hexylene glycol (Sigma-Aldrich). Drying was performed using a Polaron CPD 7501 critical point dryer (Quorum Technologies, Laughton, UK). Finally, the samples were imaged with a SEM (FEI Quanta 200, Tokyo, Japan) at an acceleration voltage of 15 kV.

Human Cell Lines

Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs; catalogue number:C0035C) and human fibroblasts (catalogue number:C0135C) were obtained from Thermo Fisher Scientific. HUVECs were maintained on low-serum Medium 200 basal media supplemented with Large Vessel Endothelial Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1% penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific), whereas fibroblasts were cultured in low-serum Medium 106 (Thermo Fisher Scientific) supplemented with Low Serum Growth Supplement (Thermo Fisher Scientific) and 1× penicillin/streptomycin (Thermo Fisher Scientific). Cells were maintained at 37 °C in a humidified atmosphere of 5% CO2 /95% air.

To analyse biological interactions, the nanoplatforms were put into six-well plates. After detachment from the cell culture flask, HUVECs or fibroblasts were placed directly on the nanoplatform with 100 μl of growth media. To avoid the media drying during incubations, plates were kept in humidity chambers.

Analysis of Nanoplatform Toxicity to HUVECs and Fibroblasts

To analyse HUVEC and fibroblast viability on the nanoplatforms, cells were cultured in the droplet directly on the nanoplatforms or uncoated foil (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). After 24 h of incubation, cell viability was analysed using a PrestoBlue assay (Thermo Fisher Scientific). PrestoBlue reagent was incubated with assessed cells for 2 h in a cell culture incubator. Subsequently, 50 μl of growth media with PrestoBlue reagent was transferred to a 96-well plate where fluorescence (excitation λ  = 560 nm, emission λ  = 590 nm) was analysed using a Tecan Infinite 200 microplate reader (Tecan, Durham, USA). Cell viability was expressed as the relative value after substitution of the fluorescence from blank samples. Experiments were repeated three times.

Fibroblast morphology was observed using an inverted optical microscope (Olympus Corporation) using phase contrast. Fibroblasts were seeded in 35-mm diameter Petri dishes directly on the nanoplatforms (1 × 10 4 cells in 100 μl growth media). Images were taken after 24 h of incubation.

Chorioallantoic Membrane Assay

Fertilised eggs from Ross 308 hens were obtained from a certified hatchery and kept for 4 days at 12 °C. The eggs were cleaned, sterilised with UVC light and divided into four groups (4 × 20 eggs). Embryos were incubated at standard conditions (temperature 37 °C, humidity 60% and turned once per hour). At 8 days of embryonic development, small holes (1 cm 2 ) were made in the shell above the air space, the inner membrane was gently striped off and the nanoplatforms were placed on the chicken embryo chorioallantoic membrane. Subsequently, chicken embryos were incubated for the next 48 h, when nanoplatforms were cut out with the chorioallantoic membrane that was directly below the nanoplatform. The chorioallantoic membrane on the nanoplatforms was imaged using a stereoscopic microscope (SZX10, Olympus Corporation).

Antibody Array Analysis

An analysis of inflammation cytokines in fibroblast growth medium was performed using an antibody array (Abcam, Cambridge, UK; catalogue number ab134003). Fibroblast cells (1 × 10 4 ) were incubated on nanoplatforms coated with AgNPs, GO, Ag-GO and uncoated foil with 100 μl of media. After 24 h, 80 μl of growth medium was collected. For each experimental group, the growth medium from six foils was used for analysis. Pooled growth medium from the six experiments was centrifuged (1600 rpm for 5 min), and 500 μl of growth media was diluted in 500 μl of PBS. Therefore, 1 ml of diluted growth media was used per each analysed membrane. The assay was performed in accordance with the manufacturer’s instructions. Diluted growth media was incubated with the membranes for 24 h at 4 °C. Subsequently, antibodies conjugated with biotins were added and incubated for the next 24 h at 4 °C. In the next step, the membranes were incubated with streptavidin conjugated with horseradish peroxidase for 2 h at room temperature. Membranes were visualised after the addition of the provided horseradish peroxidase substrate using a ChemiDoc imaging system (Bio-Rad, Hercules, USA).

Statistical Analysis

Data were analysed using one-way analysis of variance with GraphPad Prism 8 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA). Differences between groups were tested with Tukey’s HSD post hoc tests. Results are shown as means with standard deviations. Differences at P  < 0.05 were considered significant.

Disponibilidad de datos y materiales

The datasets used and/or analysed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abreviaturas

Ag-GO:

Composite of silver nanoparticles and graphene oxide

AgNPs:

Silver nanoparticles

CFU:

Colony-forming units

DLS:

Dispersión de luz dinámica

FT-IR:

Fourier transform infrared spectroscopy

GM-CSF:

Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor

GO:

Óxido de grafeno

HUVECs:

Human umbilical vein endothelial cells

IL-6:

Interleukin 6

IL-8:

Interleukin 8

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

TNF-α:

Tumour necrosis factor alpha

TNF-β:

Tumour necrosis factor beta


Nanomateriales

  1. Preparación de nanopartículas de mPEG-ICA cargadas con ICA y su aplicación en el tratamiento del daño celular H9c2 inducido por LPS
  2. Síntesis biogénica, caracterización y evaluación del potencial antibacteriano de nanopartículas de óxido de cobre contra Escherichia coli
  3. Síntesis fácil de compuesto de CuSCN coloreado y conductor recubierto con nanopartículas de CuS
  4. Dirigirse a las células endoteliales con nanopartículas multifuncionales de GaN / Fe
  5. Bioseguridad y capacidad antibacteriana del grafeno y el óxido de grafeno in vitro e in vivo
  6. Promoción del crecimiento celular SH-SY5Y mediante nanopartículas de oro modificadas con 6-mercaptopurina y un péptido penetrante de neuronas
  7. Aptitud ecológica en la síntesis y estabilización de nanopartículas de cobre:​​actividades catalíticas, antibacterianas, citotóxicas y antioxidantes
  8. Saponinas Platycodon de Platycodi Radix (Platycodon grandiflorum) para la síntesis verde de nanopartículas de oro y plata
  9. Nanocomposites a base de óxido de grafeno decorados con nanopartículas de plata como agente antibacteriano
  10. Síntesis verde de nanopartículas de metal y óxido de metal y su efecto sobre el alga unicelular Chlamydomonas reinhardtii
  11. Un enfoque fácil para la preparación de óxido de zinc de tamaño nanométrico en agua / glicerol con fuentes de zinc extremadamente concentradas