나노물질
산업 제조
나노입자(NP) 합성 방법에 대한 연구, 그 특성 분석 및 응용 분야의 새로운 탐색은 현대 나노 기술의 최전선에 있습니다. 수용성 나노입자를 조작할 수 있는 가능성은 다양한 기초 및 응용 생물의학 연구에서 사용하는 길을 열었습니다. 현재 NP는 유전 및 자가면역 질환, 악성 종양 및 기타 여러 장애의 수많은 분자 마커의 영상 진단에 사용됩니다. NP는 또한 약물 방출 및 축적의 제어 가능한 매개변수를 사용하여 조직 및 기관에 약물을 표적으로 전달하는 데 사용됩니다. 또한, 활성 성분으로 NP를 사용하는 예가 있습니다(예:광역학 요법 및 NP 통합 및 가열을 통한 온열 종양 파괴의 감광제). 그러나 살아있는 유기체에 대한 NP의 높은 독성은 생체 내 사용을 방해하는 강력한 제한 요소입니다. 표적과 유해한 영향의 메커니즘을 식별하기 위한 NP의 독성 효과에 대한 현재 연구는 세포 배양 모델에서 수행됩니다. 동물 모델에서 NP 수송, 축적, 분해 및 제거 패턴에 대한 연구. 이 검토는 살아있는 시스템에 대한 NP 독성 메커니즘이 물리적 및 화학적 특성과 어떻게 관련되어 있는지에 대한 사용 가능한 데이터를 체계화하고 요약합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">국제 표준화 기구(International Organization for Standardization)는 나노입자(NP)를 1차원, 2차원 또는 3차원의 크기가 1~100nm 범위 내에 있는 구조로 정의합니다. 크기와는 별도로 NP는 물리적 매개변수(예:전하)에 따라 분류될 수 있습니다. NP 코어 또는 쉘의 조성과 같은 화학적 특성; 모양(튜브, 필름, 막대 등); 및 출처:이 검토의 초점인 천연 NP(화산 먼지, 바이러스 입자 등에 포함된 NP) 및 인공 NP.
나노 입자는 전자, 농업, 섬유 생산, 의학 및 기타 여러 산업 및 과학 분야에서 널리 사용되었습니다. 그러나 살아있는 유기체에 대한 NP 독성은 질병의 치료 및 진단에 사용을 제한하는 주요 요인입니다. 현재 연구자들은 종종 나노입자의 긍정적인 치료 효과와 독성과 관련된 부작용 사이의 균형 문제에 직면해 있습니다. 이와 관련하여 시험관 내(세포주)와 생체 내(실험 동물) 간의 독성을 평가하기 위한 적절한 실험 모델의 선택이 가장 중요합니다. 개별 세포 구성 요소 및 개별 조직에 대한 NP 독성 효과는 시험관 내 모델에서 분석하기가 더 쉬운 반면 생체 내 실험을 통해 개별 장기 또는 신체 전체에 대한 NP 독성을 추정할 수 있습니다. 또한 NP의 가능한 독성 효과는 농도, 생물과의 상호 작용 기간, 생물학적 유체에서의 안정성, 조직 및 기관에 축적되는 능력에 따라 다릅니다. 인간 질병의 진단 및 치료에 사용할 수 있는 안전하고 생체 적합성 NP의 개발은 NP 독성의 기저를 이루는 모든 요인과 메커니즘 간의 상호 작용에 대한 완전한 이해를 기반으로 할 수 있습니다.
의학에서 NP는 진단 또는 치료 목적으로 사용될 수 있습니다. 진단 시 생체 분자 및 병원체 검출을 위한 형광 표지 및 자기 공명 및 기타 연구에서 조영제 역할을 할 수 있습니다. 또한 NP는 단백질 및 폴리뉴클레오티드 물질을 포함한 약물의 표적 전달에 사용될 수 있습니다. 광역학 요법 및 종양의 열 파괴 및 보철 수리 [1,2,3,4,5,6]. 일부 유형의 NP는 이미 임상에서 약물 전달 및 종양 세포 영상화에 성공적으로 사용되었습니다[7,8,9].
최근 금 나노입자의 사용 사례가 축적되고 있다. 그들은 화학 요법 및 기타 약물의 효율적인 운반체로 입증되었습니다. 금 NP는 생체 적합성이 높습니다. 그러나 물질로서의 금은 생물학적 대상에 대해 불활성이지만, 지연된 독성 효과가 없다는 결정적인 데이터가 아직 없기 때문에 금 나노입자의 경우에도 마찬가지라고 주장할 수 없습니다[10]. 금 나노입자 외에 미셀, 리포솜[11], "포착 분자"[12]가 부착된 고분자를 기반으로 하는 나노입자가 이미 약물 운반체로 사용되고 있습니다. 단일 및 다중벽 나노튜브는 약물 전달에 사용되는 NP의 좋은 예입니다. 표적 전달을 위해 다양한 작용기 및 분자를 부착하는 데 적합하며 독특한 모양으로 인해 생물학적 장벽을 선택적으로 통과할 수 있습니다[13]. 약물의 매개체로 NP를 사용하면 전달 특이성이 향상되고 치료 효과를 달성하고 유지하는 데 필요한 최소 NP가 감소하여 최종 독성이 감소합니다. 이것은 독성이 강하고 수명이 짧은 화학 및 방사선 치료제의 경우에 특히 중요합니다[14].
양자점(QD)은 임상 사용 가능성이 높은 또 다른 NP 그룹을 구성합니다. QD는 크기가 2~10nm인 반도체 나노결정입니다. 적외선 영역[15]을 포함한 다양한 스펙트럼 영역에서의 형광 능력은 세포, 세포 구조 또는 병원성 생물학 작용제뿐만 아니라 세포, 조직 및 신체 전체의 다양한 과정을 표지하고 영상화하는 데 적합합니다[15]. 16,17,18], 중요한 진단적 의미가 있습니다[19, 20]. 초상자성 산화철 기반 나노입자는 간, 골수 및 림프절 조직을 영상화하기 위한 자기공명단층촬영(MRT)에서 조영제로 효율적으로 사용됩니다[21]. 또한 인지질로 기능화된 방사성 표지된 단일벽 탄소 나노튜브를 사용하여 인테그린 함유 종양을 표지하고 마우스 실험에서 양전자 방출 단층 촬영을 통해 종양을 검출한 예도 있습니다[22].
나노입자는 또한 포도당 수준 측정[23], 특정 DNA 단편 및 영역 탐지[24], 박테리아 세포 식별[25]을 위한 탄소 나노튜브 기반 센서를 포함하여 바이오센서 설계에 사용되었습니다.
은(또는 은 함유) NP는 항균 및 세포 증식 억제 효과를 발휘합니다. 이러한 이유로 그들은 붕대, 수술 도구, 보철물 및 피임약 치료와 같은 의학에서 널리 사용됩니다 [13, 22]. 은 나노입자는 화장품 산업에서 효과적이고 안전한 보존제로 작용하는 것으로 보고되었습니다[26].
그러나 NP는 의학에서 많은 화학 성분을 사용하는 안전성이 입증된 경우에도 여전히 독성이 높을 수 있습니다. 독성 효과는 생물 시스템과의 특정 상호 작용 메커니즘의 기초가 되는 고유한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발생할 수 있습니다. 일반적으로 이것은 NP의 잠재적인 독성 영향의 원인과 메커니즘 연구의 중요성을 결정합니다.
나노입자의 독성은 크기, 모양, 비표면적, 표면 전하, 촉매 활성, 표면의 껍질과 활성기의 유무와 같은 물리적, 화학적 특성에 의해 크게 결정됩니다.
작은 크기의 NP는 상피 및 내피 장벽을 통해 림프 및 혈액으로 침투하여 혈류 및 림프 흐름에 의해 뇌, 심장, 간, 신장, 비장, 골수 및 신경계 [27, 28], transcytosis 메커니즘에 의해 세포로 수송되거나 단순히 세포막을 통해 세포로 확산됩니다. 나노물질은 또한 섭취를 통해 혈류에 대한 접근을 증가시킬 수 있습니다[29, 30]. 일부 나노물질은 피부를 관통할 수 있으며[31, 32], 더 큰 마이크로입자는 피부가 구부러질 때 피부를 관통할 수 있습니다[33]. 나노입자는 크기가 작기 때문에 염증 부위, 상피(예:장관 및 간), 종양의 내피를 통해 혈관 밖으로 유출되거나 미세 모세혈관을 관통할 수 있습니다[34]. NP가 신체에 미치는 독성 효과를 모델링한 실험은 NP가 혈소판 응집을 강화하여 혈전증을 유발하는 것으로 나타났습니다[35], 상부 및 하기도의 염증, 신경퇴행성 장애, 뇌졸중, 심근 경색 및 기타 장애[36,37,38 ]. NP는 기관, 조직 및 세포뿐만 아니라 미토콘드리아 및 핵과 같은 세포 소기관에도 들어갈 수 있습니다. 이것은 세포 대사를 크게 변화시키고 DNA 병변, 돌연변이 및 세포 사멸을 일으킬 수 있습니다.
QD의 독성은 환경 인자에 의한 산화 시 카드뮴, 납 및 비소와 같은 코어에 포함된 금속의 자유 이온 누출과 직접적인 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 양자점은 미토콘드리아에 흡수되어 세포 소기관의 형태학적 변화와 기능 장애를 일으킬 수 있습니다[40]. 카드뮴 기반 양자점의 세포 내 진입 및 유리 Cd 형성 2+ 이온은 산화 스트레스를 유발합니다[41, 42].
최근 연구에 따르면 크기가 약 50nm인 NP와 폐 조직이 접촉하면 I형 폐포 세포의 막이 천공되고 결과적으로 NP가 세포로 들어가는 것으로 나타났습니다. 이것은 차례로 젖산 탈수소효소의 방출에 의해 입증된 바와 같이 세포 괴사를 유발합니다[43]. QD 침투가 세포막 유동성을 증가시킨다는 증거가 있습니다[44]. 한편, 막 지질의 과산화에 의해 유도된 활성산소종(ROS)의 형성은 막 유연성의 손실을 초래할 수 있으며, 이는 비정상적으로 높은 유동성뿐만 아니라 불가피하게 세포 사멸을 초래합니다.
세포 골격과 NP의 상호 작용도 손상될 수 있습니다. 예:TiO2 NP는 tubulin의 구조적 변화를 유도하고 중합을 억제하여 세포 내 수송, 세포 분열 및 세포 이동을 방해합니다. 인간 제대 정맥 내피 세포(HUVEC)에서 세포 골격의 손상은 세포 골격을 세포외 기질에 연결하는 배위 접착 복합체의 성숙을 방해하여 혈관 네트워크의 형성을 방해합니다[46].
또한, NP 세포독성은 세포 분화 및 단백질 합성을 방해할 뿐만 아니라 염증유발 유전자 및 염증 매개체 합성을 활성화할 수 있습니다. 정상적인 보호 메커니즘은 NP에 영향을 미치지 않습니다. 큰 PEG화된 나노입자의 대식세포 흡수는 작은 입자의 흡수보다 더 효율적이며, 이는 체내에 나노입자의 축적으로 이어진다[47]. 초상자성 산화철 나노입자는 줄기세포의 골형성 분화를 방해하거나 완전히 억제하고 신호 분자, 종양 항원 등의 합성을 활성화하는 것으로 입증되었습니다[48, 49]. 또한 NP와 세포의 상호 작용은 리소좀 형성을 담당하는 유전자의 발현을 향상시키고[50], 기능을 방해하고[51], 단백질 합성을 억제합니다[52, 53]. 폐 상피 세포와 인간 종양 세포주에 대한 다양한 조성의 나노입자의 독성 효과에 대한 연구는 나노입자가 인터루킨 8과 같은 염증 매개체의 합성을 자극하는 것으로 나타났습니다[54]. in vitro와 in vivo에서 전염증성 사이토카인의 발현을 연구한 박 교수에 따르면, 실리콘 나노입자에 반응하여 인터루킨 1 베타(IL-1β)와 종양 괴사 인자 알파(TNFα)의 발현이 증가한다고 합니다[55].
산화 및 NP의 껍질과 표면에 대한 다양한 효소의 작용으로 인해 NP가 분해되고 자유 라디칼이 방출됩니다. 효소의 산화 및 비활성화, 돌연변이 유발 및 세포 사멸로 이어지는 화학 반응의 교란으로 표현되는 자유 라디칼의 독성 효과 외에도 NP의 분해는 자체 기능의 변경 또는 손실을 초래합니다(예:자기 모멘트 손실 및 형광 스펙트럼 및 수송 또는 기타 기능의 변화) [56, 57].
요약하면, NP 세포독성의 가장 일반적인 메커니즘은 다음과 같습니다.
NP는 ROS 및 기타 자유 라디칼의 형성을 통해 산화를 일으킬 수 있습니다.
<리> 2.NP는 구멍을 뚫어 세포막을 손상시킬 수 있습니다.
<리> 3.NP는 세포 골격의 구성 요소를 손상시켜 세포 내 수송 및 세포 분열을 방해합니다.
<리> 4.NP는 전사를 방해하고 DNA를 손상시켜 돌연변이 유발을 가속화합니다.
<리> 5.NP는 미토콘드리아를 손상시키고 신진대사를 방해하여 세포 에너지 불균형을 초래합니다.
<리> 6.NP는 리소좀 형성을 방해하여 자가포식 및 거대분자 분해를 방해하고 세포자멸사를 유발합니다.
<리> 7.NP는 막 단백질의 구조적 변화를 일으키고 세포 간 수송을 포함하여 세포 안팎으로 물질의 수송을 방해합니다.
<리> 8.NP는 조직 및 기관 대사뿐만 아니라 세포 대사의 정상적인 메커니즘을 방해하여 염증 매개체의 합성을 활성화합니다(그림 1).
나노 입자에 의한 세포 손상 메커니즘. (1) 멤브레인의 물리적 손상 [43, 67, 75]. (2) 세포골격 구성요소의 구조적 변화[45, 46]. (3) DNA의 전사 장애 및 산화적 손상 [61, 62]. (4) 미토콘드리아 손상 [39, 40]. (5) 리소좀 기능 장애 [51]. (6) 활성 산소 종의 생성 [61]. (7) 막 단백질 기능의 장애 [172]. (8) 염증 인자 및 매개체의 합성 [54, 55]
NP 독성의 메커니즘은 여러 가지가 있지만 물리적 및 화학적 특성에 따라 NP의 특정 독성 효과의 유형과 메커니즘을 결정하고 분류하는 것이 필요합니다.
나노입자의 독성은 크기, 모양, 표면 전하, 코어와 쉘의 화학적 조성, 안정성을 포함한 물리적, 화학적 특성에 따라 좌우되는 것으로 간주됩니다. 특히, Oh et al.은 1741개의 세포 생존율 관련 데이터 샘플을 설명하는 307개의 논문에 대한 데이터 메타 분석을 사용하여 최근 CdSe 양자점 독성을 분석했습니다. QD 나노독성은 표면 특성(쉘, 리간드 및 표면 변형 포함), 직경, 사용된 독성 분석 유형 및 노출 시간과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났습니다[58]. 이러한 요인 중 가장 중요한 것은 특정 실험 작업 및 모델에 따라 결정됩니다. 따라서 이제 각 요소를 개별적으로 고려할 것입니다.
NP 크기와 표면적은 중요한 역할을 하며, NP가 살아있는 시스템과 상호작용하는 독특한 메커니즘을 크게 결정합니다. NP는 높은 반응 용량과 촉매 활성을 결정하는 매우 큰 비표면적을 특징으로 합니다. NP의 크기(1~100nm)는 단백질 소구체의 크기(2~10nm), DNA 나선의 직경(2nm), 세포막의 두께(10nm)와 비슷하므로 쉽게 세포와 세포 소기관에 들어간다. 예를 들어, Huo et al. 6nm 이하의 금 나노입자는 효과적으로 세포핵에 들어가는 반면, 큰 나노입자(10 또는 16nm)는 세포막을 통해서만 침투하고 세포질에서만 발견됩니다. 이는 수 나노미터 크기의 나노입자가 핵에 들어갈 수 없는 10nm 이상의 나노입자보다 독성이 더 강하다는 것을 의미합니다[59]. Panet al. 0.8~15nm 범위에서 크기에 대한 금 NP의 독성 의존성을 추적했습니다. 15nm 크기의 NP는 섬유아세포, 상피 세포, 대식세포 및 흑색종 세포에 대해 1.4nm NP보다 60배 덜 독성이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 1.4nm 나노입자는 세포 괴사를 일으키는 반면(세포 배양 배지에 첨가한 후 12시간 이내), 1.2nm 나노입자는 주로 세포자멸사를 유발합니다[60]. 이러한 데이터는 나노입자가 핵에 들어갈 수 있을 뿐만 아니라 DNA의 주요 홈의 크기에 대한 나노입자의 기하학적 크기(1.4nm)의 대응이 이들이 음전하를 띤 당-인산 DNA 백본과 효과적으로 상호작용할 수 있음을 시사합니다. 전사를 차단[61, 62].
또한 NP 크기는 NP가 세포 및 신체의 수송 및 방어 시스템과 상호 작용하는 방식을 크게 결정합니다. 이 상호 작용은 차례로 신체의 분포 및 축적 속도에 영향을 미칩니다. [63]의 리뷰 논문은 이론적 고려 사항과 5nm보다 작은 NP가 일반적으로 예를 들어 전위를 통해 비특이적으로 세포 장벽을 극복한다는 것을 보여주는 수많은 실험 데이터를 제공하는 반면, 더 큰 입자는 식균 작용, 거대음세포 작용, 특이적 및 비특이적 수송 메커니즘에 의해 세포에 들어갑니다. . 약 25nm의 NP 크기는 세포 크기와 유형에 따라 크게 달라지지만 음세포 작용에 최적인 것으로 믿어집니다[63, 64]. 생체 내 실험에 따르면 10nm 미만의 나노입자는 정맥 투여 시 모든 장기와 조직에 빠르게 분포하는 반면, 대부분의 큰 나노입자(50~250nm)는 간, 비장 및 혈액에서 발견됩니다[65]. 이것은 큰 NP가 신체의 특정 방어 시스템에 의해 인식되고 단핵 식세포 시스템에 흡수되어 다른 조직으로 들어가는 것을 방지한다는 것을 시사합니다. 또한, Talamini et al. NP의 크기와 모양은 필터 기관에서 금 NP의 축적 및 배설의 동역학에 영향을 미치며, 별 모양의 금 NP만이 폐에 축적될 수 있다고 주장했습니다. 그들은 또한 NP 기하학의 변화가 혈액-뇌 장벽의 NP 통과를 개선하지 않는다는 것을 보여주었습니다[66].
큰 비표면적은 세포 표면에 NP의 효과적인 흡착을 보장합니다. 이것은 인간 적혈구에 대한 100~600nm 메조포러스 실리콘 입자의 용혈 활성에 대한 연구에서 나타났습니다[67]. 100 nm 크기의 입자는 세포 파괴나 세포의 형태적 변화 없이 적혈구 표면에 효과적으로 흡착된 반면, 600 nm 입자는 막을 변형시켜 세포에 들어가 적혈구 파괴(용혈)를 일으킵니다[67]. /P>
NP의 특징적인 모양은 구, 타원체, 실린더, 시트, 큐브 및 막대입니다. NP 독성은 모양에 크게 의존합니다. 이것은 다양한 모양과 화학 조성의 수많은 NP에 대해 보여졌습니다[68,69,70,71]. 예를 들어, 구형 NP는 나노튜브 및 나노섬유보다 세포내이입에 더 취약합니다[72]. 단일벽 탄소 나노튜브는 구형 풀러렌에 비해 칼슘 채널을 더 효과적으로 차단하는 것으로 밝혀졌습니다[73].
배양된 BEAS-2B 세포에 대한 다양한 모양(바늘 모양, 판 모양, 막대 모양 및 구형)의 수산화인회석 NP의 효과를 비교하면 판 모양 및 바늘 모양의 NP가 구형 및 막대 모양의 NP보다 세포가 많다[74]. 이것은 직접 접촉 시 세포와 조직을 손상시키는 판형 및 바늘형 NP의 능력에 의해 부분적으로 설명됩니다. Hu et al. 그래핀 옥사이드 나노시트에 의한 포유동물 세포의 손상을 연구할 때 흥미로운 데이터를 얻었다. 이러한 나노입자의 독성은 세포막을 물리적으로 손상시킬 수 있는 모양에 따라 결정됩니다. 그러나, 이들의 독성은 배양 배지에서 소태아 혈청 농도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 나노입자 표면을 덮고 있는 단백질 분자를 흡착하기 위한 산화그래핀 나노입자의 고용량에 의해 설명되며, 이로써 나노입자의 형태를 변화시키고 세포막의 손상을 부분적으로 방지합니다[75].
나노입자의 독성은 크기와 모양에 크게 좌우되지만 나노입자의 화학 조성 및 결정 구조와 같은 다른 요인의 영향을 무시해서는 안 됩니다. 20nm 이산화규소(SiO2)의 효과 비교 ) 및 마우스 섬유아세포의 산화아연(ZnO) 나노입자는 독성 메커니즘이 서로 다른 것으로 나타났습니다. ZnO NP는 산화 스트레스를 유발하는 반면 SiO2 NP는 DNA 구조를 변경합니다[76].
NP의 독성은 실제로 화학적 조성에 의해 크게 결정됩니다. NP의 분해가 발생할 수 있으며 그 정도는 pH 또는 이온 강도와 같은 환경 조건에 따라 다릅니다. 세포와 상호 작용하는 NP의 독성 효과의 가장 흔한 원인은 NP 코어에서 금속 이온이 누출되는 것입니다. 독성은 또한 NP의 핵심 구성에 따라 다릅니다. Ag 및 Cd와 같은 일부 금속 이온은 실제로 독성이 있어 세포를 손상시킵니다. Fe 및 Zn과 같은 다른 금속 이온은 생물학적으로 유용하지만 고농도에서는 세포 경로를 손상시켜 높은 독성을 유발할 수 있습니다. 그러나 이 효과는 예를 들어 짧은 리간드 대신 두꺼운 폴리머 껍질, 실리카 층 또는 금 껍질로 NP 코어를 코팅하거나 NP 합성을 위해 무독성 화합물을 사용함으로써 감소될 수 있습니다. 다른 한편으로, 코어의 조성은 다른 금속의 첨가에 의해 변경될 수 있다. 이것은 NP 분해 및 신체로의 금속 이온 누출에 대한 향상된 화학적 안정성을 초래할 수 있습니다[77].
NP의 독성은 또한 결정 구조에 따라 다릅니다. 결정 구조와 독성 사이의 관계는 인간 기관지 상피 세포주와 다양한 유형의 결정 격자를 갖는 산화티타늄 나노입자를 사용하여 연구되었습니다. 루틸과 같은 결정 구조를 갖는 NP(프리즘 모양의 TiO2 결정)은 DNA의 산화적 손상, 지질 과산화 및 소핵 형성을 유발하여 유사 분열 동안 비정상적인 염색체 분리를 나타내는 반면 아나타제와 같은 결정 구조를 갖는 NP(팔면체 TiO2 같은 크기의 결정체는 독성이 없습니다[78]. NP 결정 구조는 환경, 예를 들어 물, 생물학적 유체 또는 기타 분산 매체와의 상호 작용에 따라 달라질 수 있습니다. ZnS 나노입자의 결정 격자가 물과 접촉하면 더 질서 있는 구조로 재배열된다는 증거가 있습니다[79].
나노입자의 표면 전하는 생물학적 시스템과 나노입자의 상호작용을 크게 결정하기 때문에 독성에 중요한 역할을 합니다[80, 81].
NP 표면과 그 전하는 다르게 하전된 폴리머를 그래프팅하여 수정될 수 있습니다. PEG(폴리에틸렌 글리콜) 또는 엽산은 NP 세포내 흡수 및 특정 세포를 표적화하는 능력을 개선하기 위해 종종 사용됩니다[82]. 기능성 NH2 또는 SH 그룹을 포함하는 생체적합성 TiO2 나노입자의 합성도 보고되었다[83]. 메토트렉세이트, 폴리에틸렌이민 및 덱스트란과 같은 다른 물질도 NP 표면과 전하를 수정하는 데 사용되었습니다[84].
양전하를 띤 NP의 높은 독성은 음전하 및 중성 NP와 달리 세포에 쉽게 들어갈 수 있는 능력으로 설명됩니다. 이것은 음전하를 띤 세포막 당단백질과 양전하를 띤 NP 사이의 정전기적 인력에 의해 설명됩니다. HeLa 및 NIH/3T3 세포에 대한 음전하 및 양전하 폴리스티렌 NP의 세포독성 효과를 비교한 결과 후자의 NP가 더 독성이 있는 것으로 나타났습니다. 이것은 양전하를 띤 NP가 막을 통해 더 효과적으로 침투하기 때문일 뿐만 아니라 음전하를 띤 DNA에 더 강하게 결합하여 손상을 일으키고 결과적으로 세포 주기의 G0/G1 단계를 연장하기 때문입니다. 음으로 하전된 NP는 세포 주기에 영향을 미치지 않습니다[85]. 양전하 및 음전하를 띤 금 나노입자에 대해서도 유사한 결과가 얻어졌는데, 양전하 나노입자는 세포에 더 많은 양으로 빠르게 흡수되고 더 독성이 강합니다.
양으로 하전된 NP는 옵소닌화, 즉 혈액 및 생물학적 체액에서 항체 및 보체 성분을 포함한 식균 작용을 촉진하는 단백질의 흡착 능력이 향상되었습니다. 단백질 크라운이라고 하는 흡착된 단백질은 나노입자의 표면 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 표면 전하, 응집 특성 및/또는 NP의 유체역학적 직경을 변경할 수 있습니다. 또한, NP 표면에 단백질이 흡착되면 구조적 변화가 발생하여 흡착된 단백질의 기능적 활성을 감소시키거나 완전히 억제할 수 있습니다. 단백질 크라운은 주로 알부민, 피브리노겐, 면역글로불린 G와 같은 주요 혈청 단백질과 기타 이펙터, 신호 및 기능 분자로 구성됩니다[88, 89]. NP에 대한 결합은 단백질 구조를 변경하여 효소 활성의 손실, 생물학적 과정의 교란, 정렬된 중합체 구조, 예를 들어 아밀로이드 원섬유의 침전을 초래합니다[90]. 이것은 아밀로이드증과 같은 다양한 질병으로 이어질 수 있습니다. 시험관 내 실험에서 친수성 고분자로 코팅된 QD가 인간 β2의 원섬유 형성을 가속화한다는 것이 입증되었습니다. 입자 표면에 다층 구조로 배열되는 마이크로글로불린; 이것은 NP 표면의 단백질 농도의 국부적 증가, 침전 및 올리고머의 형성을 초래합니다[91].
Xu et al. 표면의 다양한 수정을 통해 NP 전하를 음에서 양으로 변경하는 방법을 개발했습니다. 예를 들어, 폴리머 NP는 pH에 민감한 폴리머로 변형되어 중성 매질에서 음전하를 띠고 pH 5-6의 산성 매질에서 양전하를 얻습니다[92]. 이 기술은 종양 세포에 약물 전달에 사용될 수 있는 세포에 의한 NP 흡수율을 실질적으로 증가시키는 것을 가능하게 합니다. H9C2, HEK293, A549 및 MCF-7 세포에 대한 표면 개질된 산화세륨 나노입자의 세포독성 추정은 기본적으로 다른 중합체를 사용하여 NP를 양전하 또는 음전하 또는 중성으로 만들면 다른 생물학적 및 독성 효과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 특히, 양전하 및 중성 NP는 모든 세포 유형에 동일한 속도로 흡수되는 반면, 음전하를 띤 나노입자는 종양 세포에 주로 축적됩니다[93]. 따라서 NP 전하의 수정은 국소화 및 독성을 제어할 수 있게 해주며, 이는 종양에 화학요법 약물을 전달하기 위한 효과적인 시스템을 개발하는 데 사용할 수 있습니다.
NP의 표면에 쉘을 적용하는 것은 광학, 자기 및 전기적 특성을 변경하는 데 필요합니다. 그것은 응집 능력을 감소시키고 안정성을 증가시키는 등으로 물 및 생물학적 유체에서 NP 생체 적합성 및 용해도를 개선하는 데 사용됩니다. 따라서 쉘은 NP의 독성을 감소시키고 다양한 유형의 세포와 선택적 상호 작용 능력을 제공합니다. 생물학적 분자. 또한 껍질은 NP 약동학에 상당한 영향을 주어 체내 NP 분포 및 축적 패턴을 변화시킵니다[94].
위에서 언급했듯이 NP 독성은 주로 자유 라디칼의 형성과 관련이 있습니다[40, 57, 95, 96]. 그러나 껍질은 이러한 부정적인 영향을 상당히 완화하거나 제거할 수 있을 뿐만 아니라 NP를 안정화하고 환경 요인에 대한 내성을 증가시키며 독성 물질의 방출을 감소시키거나 조직 특이적으로 만들 수 있습니다[97]. 예를 들어, Cho et al. 렉틴으로 코팅하여 변형된 고분자 나노입자. 변형된 나노입자는 표면에 시알산 분자를 제시하는 종양 세포와 선택적으로 결합하여 나노입자를 암세포에 특이적으로 표지하는 데 적합하게 만들었습니다[98].
NP 표면은 유기 및 무기 화합물(예:폴리에틸렌 글리콜, 폴리글리콜산, 폴리락트산, 지질, 단백질, 저분자량 화합물 및 실리콘)로 변형될 수 있습니다. 이러한 다양한 수정자는 NP 속성을 변경하고 특정 수송 및 축적을 위해 NP 표면에 복잡한 시스템을 형성하는 것을 가능하게 합니다.
합성 고분자 껍질로 코팅된 나노 입자는 항원 전달에 사용되어 면역 반응을 높이는 보조제 역할을 합니다. 이를 통해 강한 자연적 비특이적 세포 면역의 표적이 되는 항원에 대한 백신을 얻을 수 있습니다[99].
쉘은 금속 코어가 소수성이고 주로 카드뮴, 텔루르 및 수은과 같은 독성 중금속으로 구성되어 있기 때문에 QD의 가용화 개선 및 독성 감소에 자주 사용됩니다. 쉘은 QD 코어의 안정성을 증가시키고 담수화 및 산화 또는 광분해 분해를 방지합니다. 이는 차례로 QD 코어 외부의 금속 이온 누출을 감소시켜 QD의 독성을 감소시킵니다[100,101,102].
지난 20년 동안 나노입자의 사용은 생물학적 및 생태학적 시스템에 대한 나노입자의 잠재적 독성 효과를 연구하는 새로운 과학인 나노독성학의 기초를 엄청나게 확장시켰습니다. 나노독성학의 일반적인 목표는 안전한 나노입자 합성 규칙을 개발하는 것입니다[103]. 이를 위해서는 나노입자의 독성 특성과 세포, 조직, 기관 및 신체 전체에 미치는 영향에 대한 종합적이고 체계적인 접근이 필요합니다.
살아있는 시스템에 대한 다양한 물질의 영향 연구에는 NP 독성 효과에도 적용할 수 있는 두 가지 일상적인 접근 방식이 있습니다. 즉, 모델 세포주에 대한 시험관 내 실험과 실험실 동물에 대한 생체 내 실험입니다. NP 독성을 추정하는 세 번째 가능한 접근 방식인 컴퓨터 시뮬레이션은 여기에서 고려하지 않습니다. NP의 독성 효과의 경로와 메커니즘은 컴퓨터 모델이 NP와 생물체 간의 상호 작용 결과를 예측할 만큼 충분히 잘 알려져 있지 않기 때문입니다. 충분한 신뢰성을 가진 광범위한 NP.
NP 독성을 연구하기 위한 세포 배양 및 동물 실험 모델 모두 고유한 장점과 단점이 있습니다. 전자는 독성의 분자 메커니즘에 대한 더 깊은 통찰력과 NP의 주요 표적 식별을 허용합니다. 그러나 신체의 NP 분포 패턴과 다른 조직 및 세포로의 이동은 고려되지 않습니다. 동물 실험에서 NP 독성에 대한 연구를 통해 생체 내에서 NP 작용의 지연된 효과를 추정할 수 있습니다. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.
Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.
The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).
The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).
The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).
Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].
It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Li et al. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.
In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.
이산화티타늄(TiO2 ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO2 NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO2 NPs are relatively harmless.
Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.
Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.
Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].
The possible reasons why quantum dots may be nontoxic in animal models. (1) The shell prevents the leakage of heavy metals into the body [129, 135]. (2) Quantum dots are localized in the liver and subsequently eliminated from the body [135, 173]. (3) The protein crown around quantum dots protects the body from heavy metals [132, 174]
Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhang et al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.
Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.
Hu et al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.
Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS2 /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].
Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].
However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.
The potential toxicity of NPs is the main problem of their use in medicine. Therefore, not only positive results of the use of NPs, but also the possible unpredictable negative consequences of their action on the human body, should be scrutinized. The toxicity of NPs is related to their distribution in the bloodstream and lymph stream and their capacities for penetrating into almost all cells, tissues, and organs and interacting with various macromolecules and altering their structure, thereby interfering with intracellular processes and the functioning of whole organs. The NP toxicity strongly depends on their physical and chemical properties, such as the shape, size, electric charge, and chemical compositions of the core and shell. Many types of NPs are not recognized by the protective systems of cells and the body, which decreases the rate of their degradation and may lead to considerable accumulation of NPs in organs and tissues, even to highly toxic and lethal concentrations. However, a number of approaches to designing NPs with a decreased toxicity compared to the traditional NPs are already available. Advanced methods for studying the NP toxicity make it possible to analyze different pathways and mechanisms of toxicity at the molecular level, as well as reliably predict the possible negative effect at the body level.
Thus, it is obvious that designing NPs that have small or no negative effects is impossible unless all qualitative and quantitative physical and chemical properties of NPs are systematically taken into consideration and a relevant experimental model for estimating their influence on biological systems is available.
Food and Drug Administration
Interleukin-1-beta
Magnetic resonance tomography
Nanoparticle
양자점
활성 산소 종
주사전자현미경
투과전자현미경
Tumor necrosis factor alpha
나노물질
초록 은나노입자(nAgs)가 화장품에 안전하게 사용되기 위해서는 피부 속 nAgs의 물리적 특성을 밝혀야 하며, 이는 이러한 특성이 경피적으로 흡수되는 과정에서 변할 수 있기 때문입니다. 이 연구에서는 단일 입자 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(sp-ICP-MS)을 기반으로 하는 분석 시스템을 구축하여 피부에서 nAgs의 물리적 특성을 결정하는 것을 목표로 했습니다. 먼저, 피부 시료를 가용화하기 위한 전처리 방법을 최적화한 다음, 수산화나트륨 처리에 의해 대부분의 nAg가 입자 형태로 남아 있는 동안 회수됨을 보여주었다. 피부를
초록 수직으로 정렬된 Si 나노와이어(Si NW)의 주기적으로 정렬된 어레이는 제어 가능한 직경과 길이로 성공적으로 제작되었습니다. 그들의 광전도 특성은 개별 나노와이어에 대한 광전도성 원자력 현미경(PCAFM)에 의해 조사됩니다. 결과는 Si NW의 광전류가 레이저 강도에 따라 크게 증가함을 보여주며, 이는 Si NW가 우수한 광전도성과 광응답 능력을 가짐을 나타냅니다. 이 광강화 컨덕턴스는 I-V 곡선 분석에 의해 확인된 광유도 쇼트키 장벽 변화에 기인할 수 있습니다. 한편, 정전기력현미경(electrostatic force