나노입자/약물 상호작용으로 인한 쥐의 금 나노입자 독성은 급성 신장 손상을 유발합니다.

결과 및 토론

먼저 Zetasizer를 사용하여 금 나노 입자의 입자 크기를 측정한 다음 투과 전자 현미경을 사용하여 입자를 관찰했습니다(그림 1a, b, c). GnP10, GnP50 및 GnP100 나노 입자의 평균 직경은 각각 15.7 ± 7.0, 53.3 ± 14.2 및 97.0 ± 27.1 nm였습니다(보충 그림 1). 더욱이, 금 나노입자는 전자현미경으로 측정할 때 응집되지만 마우스에 투여될 때 응집되지 않는다. 또한 ICP-MS로 금 이온 농도를 측정했지만 이온이 검출되지 않았습니다(데이터는 표시되지 않음). 금 나노입자의 표면은 물에 대한 나노입자의 친화성을 증가시키기 위해 시트르산으로 개질되었지만 이 개질은 다른 기능을 나타내지 않았습니다.

금 나노 입자의 미세 구조. GnP10의 전자 현미경 사진(a ), GnP50(b ) 및 GnP100(c ) 나노 입자

우리는 꼬리 정맥을 통해 마우스에 최대 4 mg/kg의 용량을 투여하여 GnP가 간독성 및 신독성을 나타내는지 여부를 조사했습니다. 금 나노입자 단독 투여 시 간독성이나 신독성은 관찰되지 않았다(Fig. 2). GnP10, 50, 100만 투여한 마우스의 ALT 및 AST 값(그림 2a, b)은 BUN 및 Cr 값과 마찬가지로 대조군 값과 유사했습니다. GnP를 마우스에 한 번 투여해도 간이나 신장 손상, 심장, 폐 또는 비장 손상을 유발하지 않았으며(보충 그림 2), 이는 금 나노 입자를 마우스에 단독으로 투여했을 때 독성이 없음을 나타냅니다.

시스플라틴에 의한 독성에 대한 금 나노입자의 효과. 비히클 또는 금 나노입자(4 mg/kg)의 IV 주사와 함께 0(열린 막대) 또는 100 μmol/kg(단색 막대)의 시스플라틴(CDDP)을 마우스에 복강 내 주사했습니다. 주사 후 24시간에 간 효소 알라닌 아미노전이효소(ALT, 패널 a ) 및 아스파르테이트 아미노트랜스퍼라제(AST; 패널 b ) 및 혈액 요소 질소의 혈장 수준(BUN, 패널 c ) 및 크레아티닌(Cr; 패널 d) )은 상업적으로 이용 가능한 키트를 사용하여 결정되었습니다("생화학적 분석" 섹션 참조). 데이터는 평균 ± 평균의 표준 오차로 표시됩니다(SEM, n =4). 상당한 차이(*P <0.05, **P <0.01) 비히클 처리군과 CDDP 처리군 사이

실리카 나노입자, 나노클레이, 폴리스티렌 나노입자를 약물이나 화학물질과 함께 투여하면 간 및 신장 손상이 유발되는 것으로 보고되었다[14, 21, 22]. 따라서 우리는 금 나노입자를 PQ(간-신장 독소) 또는 약물 CDDP 또는 5-ASA(간-신독성 효과를 유발함)와 공동 투여했습니다. 그림 2는 금 나노입자와 CDDP의 상호작용 결과를 보여준다. GnP10 또는 GnP50과 CDDP의 동시 투여는 ALT를 증가시키고 간 손상을 유도했으며(그림 2a), GnP10과 CDDP의 동시 투여는 BUN과 Cr을 증가시켜 신장 손상을 유도했습니다(그림 2c, d). 그런 다음 GnP와 간 및 신장 손상을 유발하는 널리 사용되는 항염증제인 5-ASA 간의 상호 작용을 조사했습니다. GnP10 또는 GnP50을 CDDP와 함께 투여하면 ALT를 증가시키고 간 손상을 유도한 반면(그림 3a), 5-ASA와 함께 투여하면 BUN과 Cr을 증가시키고 신장 손상을 유도했습니다(그림 3c, d). 다음으로 우리는 간과 신장 손상을 일으키는 널리 사용되는 농약인 GnP와 PQ 사이의 상호 작용을 조사했습니다. GnP10과 PQ의 동시 투여는 BUN과 Cr 수치를 증가시켰고 신장 손상을 유도했지만(그림 4c, d) 간 손상은 유발하지 않았습니다(그림 4a, b). 테스트한 가장 작은 금 입자인 GnP10을 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 함께 투여하면 이 연구에서 관찰된 가장 높은 ALT, BUN 및 Cr 값이 나타났습니다. 10배 더 큰 GnP100 입자는 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 함께 투여될 때 간 또는 신장 손상을 일으키지 않았습니다. 이러한 결과는 직경이 100 nm 미만인 입자를 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 함께 투여할 때 GnP가 독성이 있음을 보여줍니다.

5-아미노살리실산 유발 독성에 대한 금 나노입자의 효과. 비히클 또는 금 나노입자(4 mg/kg)의 IV 주사와 함께 0(열린 막대) 또는 500 mg/kg(단색 막대)의 5-아미노살리실산(5-ASA)을 마우스에 복강내 주사했습니다. 주사 후 24시간에 간 효소 알라닌 아미노전이효소(ALT; a ) 및 아스파르테이트 아미노트랜스퍼라제(AST, B), 혈중 요소 질소 농도(BUN, c ) 및 크레아티닌(Cr; d )은 상업적으로 이용 가능한 키트를 사용하여 결정되었습니다("생화학적 분석" 섹션 참조). 데이터는 평균 ± 평균의 표준 오차로 표시됩니다(SEM, n =4). 상당한 차이(*P <0.05, **P <0.01) 비히클 및 5-ASA 처리군 사이

파라콰트 유발 독성에 대한 금 나노 입자의 효과. 비히클 또는 금 나노입자(4 mg/kg)의 IV 주사와 함께 0(열린 막대) 또는 50 mg/kg(단색 막대)의 파라콰트(PQ)를 마우스에 복강 내 주사했습니다. 주사 후 24시간에 간 효소 알라닌 아미노전이효소(ALT; a ) 및 아스파르테이트 아미노트랜스퍼라제(AST; b) ) 및 혈액 요소 질소의 혈장 수준(BUN, c ) 및 크레아티닌(Cr; d )은 상업적으로 이용 가능한 키트를 사용하여 결정되었습니다("생화학적 분석" 섹션 참조). 데이터는 평균 ± 평균의 표준 오차로 표시됩니다(SEM, n =4). 상당한 차이(*P <0.05, **P <0.01) 비히클 처리군과 PQ 처리군 사이

GnP10을 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 병용 투여한 후 신장 헤마톡실린 및 에오신 관찰(그림 5)은 세관 손상을 보여 급성 신장 손상의 유도를 시사했습니다. 다음으로, 우리는 GnP10에 의해 유발된 급성 신장 손상의 근본 원인을 조사하기 위해 혈청에서 IL-6과 TNF-α를 측정했습니다. 그림 6은 GnP10을 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 함께 투여한 후 3 h의 혈청 IL-6 수준을 보여줍니다. GnP10 단독군에서는 IL-6이 검출되지 않았으나, GnP10을 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 병용투여했을 때 IL-6의 증가가 관찰되었다. TNF-α는 어떤 그룹에서도 검출되지 않았습니다(데이터는 표시되지 않음). 이러한 결과는 IL-6이 GnP10 및 CDDP, 5-ASA 또는 PQ에 의해 유도된 급성 신장 손상에 관여함을 시사합니다.

금 나노입자 처리 마우스의 신장 조직 조직학적 분석. IV 투여 후 24시간에 GnP10(a ), CDDP가 있는 GnP10(b ), 5-ASA가 있는 GnP10(c ) 및 PQ가 있는 GnP10(d ), 조직을 채취하여 4% 파라포름알데히드로 고정하고 절편하고 헤마톡실린과 에오신으로 염색하였다. 화살표는 신장 손상 부위를 나타냅니다.

ELISA로 측정한 혈청 내 IL-6 수준. 마우스는 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 함께 GnP10의 IV 주사를 받았습니다. 사이토카인 수치는 투여 후 3 h에 측정되었습니다. 값은 평균 ± 표준 오차(SE, n =4)

우리는 부작용(즉, 간 및 신장 손상)에 대한 금 나노 입자와 약물의 동시 투여 효과를 조사했습니다. 가장 작은 입자 크기인 GnP10은 CDDP, 5-ASA 또는 PQ와 병용 투여 시 신장 및 간 손상을 유발했습니다. 우리는 또한 GnP10과 아세트아미노펜, 스트렙토마이신 또는 테트라사이클린을 마우스에 공동 투여했으며 간 또는 신장 손상이 관찰되지 않았습니다(데이터는 표시되지 않음). 우리는 이전에 실리카 나노 입자가 입자 크기에 따라 간 손상을 유발한다고 보고했으며[23] 폴리스티렌 나노 입자는 입자 크기에 따라 약물과 병용 투여 시 간 손상을 유발할 수 있다고 보고했습니다[24]. Xia et al. 더 작은 금 나노입자는 시험관 내에서 유전독성이 더 크다고 보고했다[25]. 종합하면, 금 나노입자는 입자 크기가 작아짐에 따라 약물과의 상호작용으로 인해 독성이 강해진다.

Gnp10을 cisplatin, 5-ASA 또는 PQ와 함께 투여하면 IL-6 수치가 증가했습니다(그림 6). IL-6은 GnP10 단독 투여(그림 6) 또는 CDDP, PQ 또는 5-ASA 단독 투여(데이터는 표시되지 않음)에 의해 상승되지 않았습니다. IL-6은 이전에 간[26] 및 급성 신장[27, 28] 손상의 유도에 관여하는 것으로 보고되었습니다. 우리는 Gnp10이 IL-6을 유도하여 간과 신장 손상을 유도한다고 생각하지만 근본적인 메커니즘은 아직 불분명합니다. Bauzaet al. IL-6은 간세포에서 전사 인자를 유도하여 간 손상을 유도한다고 보고하였다[29]. IL-6 유발 간 및 신장 손상에서 세포 특이적 전사 인자의 관련성을 이해하려면 금 나노입자의 세포독성 이면에 있는 메커니즘에 대한 추가 실험이 필요합니다.

최근 금 나노입자가 약물전달체에 사용되는 기능성 생체재료로 주목받고 있으며[30], 금 나노입자를 이용한 암 치료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, Anselmo et al. PEG로 코팅된 실리카-금 나노입자는 빛과 열적으로 용해된 고형 종양을 흡수할 때 국부적 온도를 증가시키며, 이는 금 나노입자가 암 치료를 위한 유망한 재료임을 보여주었다[31]. 그러나 항암제인 시스플라틴과 금 나노입자 간의 상호작용이 신장 손상을 유발한다는 사실을 발견했으며(그림 2), 이는 암 치료에 금 나노입자를 사용하는 경우 약물과 함께 투여할 때 이들의 안전성에 대한 연구가 필요함을 시사합니다.