עבודה זו מומנה בחלקה על ידי המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים (NIGMS) תוכנית T32 (T32 GM133369) והקרן הלאומית למדע (NSF 1454230). בנוסף, מתקני מחקר משותפים של WVU וסיוע ותמיכה ביופיזיקה יישומית מוכרים.

הערכת שינויים בהתנהגות התא הנגרמים על ידי MOF על ידי חישת מצע תא חשמלי

המחברים אינם מדווחים על ניגודי עניינים בעבודה זו.

ניתוח קודם הראה כי ECIS יכול לשמש כדי להעריך את ההתנהגות של תאים שנחשפו לאנליטים (כלומר, ננו-צינוריות פחמן35, תרופות43, או ננו-חימר16). יתר על כן, Stueckle et al. השתמשו ECIS כדי להעריך את הרעילות של תאי BEAS-2B שנחשפו לננו-חימר ולתוצרי הלוואי שלהם ומצאו כי ההתנהגות התאי...

מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) הן הכלאות הנוצרות באמצעות שילוב של יוני מתכת ומקשרים אורגניים 1,2 בממסים אורגניים. בשל מגוון שילובים כאלה, MOFs הם בעלי מגוון מבני3, נקבוביות מתכווננת, יציבות תרמית גבוהה ושטחי פנים גבוהים 4,5. מאפיינים אלה הופכים אותם למועמדים אטרקטיביים במגוון יישומים, החל מאחסון גז6,7 ועד קטליזה8,9, ומסוכני ניגוד 10,11 ועד יחידות אספקת תרופות12,13. עם זאת, הטמעת MOFs ביישומים כאלה עוררה חששות ביחס לבטיחותם הן למשתמשים והן לסביבה. מחקרים ראשוניים הראו, למשל, כי תפקוד התאים וגדילתם משתנים עם חשיפת התאים ליונים מתכתיים או למקשרים המשמשים לסינתזה של MOF 1,14,15. לדוגמה, Tamames-Tabar ועמיתיו הראו כי ZIF-8 MOF, MOF מבוסס Zn, מוביל לשינויים תאיים רבים יותר בקו תאי סרטן צוואר הרחם האנושי (HeLa) ובקו תאי מקרופאג עכבר (J774) ביחס ל- MOFs מבוססי Zr ו- Fe. השפעות כאלה נבעו ככל הנראה מהרכיב המתכתי של ZIF-8 (כלומר, Zn), שעלול לגרום לאפופטוזיס של התא עם התפרקות המסגרת ושחרור יוני Zn1. באופן דומה, Gandara-Loe et al. הראו כי HKUST-1, MOF מבוסס Cu, גרם לירידה הגבוהה ביותר בכדאיות תאי רטינובלסטומה בעכברים כאשר נעשה בהם שימוש בריכוזים של 10 מיקרוגרם/מ"ל ומעלה. זה היה כנראה בגלל יון מתכת Cu ששולב במהלך הסינתזה של מסגרת זו, אשר, לאחר שחרורו, יכול לגרום לעקה חמצונית בתאים שנחשפו15.
יתר על כן, ניתוח הראה כי חשיפה MOFs עם מאפיינים פיסיקוכימיים שונים יכול להוביל לתגובות שונות של תאים חשופים. לדוגמה, וגנר ועמיתיו הראו כי ZIF-8 ו-MIL-160 (מסגרת מבוססת Al), המשמשים בחשיפת תא אפיתל אנושי אלמותי, הובילו לתגובות תאיות התלויות בתכונות הפיזיקוכימיות של המסגרות, כלומר הידרופוביות, גודל ומאפיינים מבניים16. באופן משלים, Chen et al. הראו כי ריכוז של 160 מיקרוגרם / מ"ל MIL-100(Fe) שנחשף לתאי כבד נורמליים אנושיים (HL-7702) גרם לאובדן הגדול ביותר בכדאיות התאית, ככל הנראה בשל המרכיב המתכתי של מסגרת ספציפית זו (כלומר, Fe17).
בעוד שמחקרים אלה מסווגים את ההשפעות המזיקות של MOFs על מערכות תאיות בהתבסס על המאפיינים הפיזיקוכימיים שלהם וריכוזי החשיפה, ובכך מעלים חששות פוטנציאליים ביישום מסגרת, במיוחד בתחומים ביו-רפואיים, רוב ההערכות הללו מבוססות על בדיקות קולורימטריות של נקודת זמן אחת. לדוגמה, הוכח כי כאשר (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) tetrazolium (MTT) ומלח tetrazolium מסיס במים (WST-1) בדיקות היו בשימוש, ריאגנטים ביוכימיים אלה יכלו להוביל לתוצאות חיוביות כוזבות על האינטראקציות שלהם עם חלקיקים כי התאים נחשפו גם18. מלח טטרזוליום וריאגנטים אדומים נייטרליים הוכחו כבעלי ספיחה גבוהה או זיקה קשירה על פני השטח של החלקיקים, וכתוצאה מכך הפרעות אות סוכן19. יתר על כן, עבור סוגים אחרים של מבדקים, כגון ציטומטריית זרימה, אשר הוכח בעבר כמשמש להערכת שינויים בתאים שנחשפו ל- MOFs20,21, הוכח כי יש לעקוף בעיות מרכזיות אם יש לשקול ניתוח בר קיימא של ההשפעות המזיקות של חלקיקים. בפרט, יש להתייחס לטווחי גילוי של גדלי החלקיקים, במיוחד באוכלוסיות מעורבות כמו אלה המוצעים על ידי MOFs או הפניות של החלקיקים המשמשים לכיול לפני שינויים תאיים,22. כמו כן הוכח כי הצבע המשמש במהלך תיוג תאים עבור בדיקות ציטומטריה כאלה יכול גם להפריע לננו-חלקיקים שהתאים נחשפו אליהם23.
מטרת מחקר זה הייתה להשתמש בהערכת תפוקה גבוהה בזמן אמת כדי להעריך שינויים בהתנהגות התא בעת חשיפה ל- MOF נבחר. הערכות בזמן אמת יכולות לסייע לספק תובנות לגבי השפעות תלויות זמן, הקשורות לחלונות החשיפות16. יתר על כן, הם מספקים מידע על שינויים באינטראקציות תא-מצע, מורפולוגיה של התא ואינטראקציות תא-תא, כמו גם כיצד שינויים כאלה תלויים בתכונות הפיזיקוכימיות של החומרים המעניינים וזמני חשיפה24,25 בהתאמה.
כדי להדגים את התוקף והישימות של הגישה המוצעת, נעשה שימוש בתאי אפיתל סימפונות אנושיים (BEAS-2B), ZIF-8 (מסגרת הידרופובית של אימידזולאט זאוליטי16) וחישת עכבת תא חשמלי (ECIS). תאי BEAS-2B מייצגים מודל לחשיפה לריאות 26 ושימשו בעבר להערכת שינויים בחשיפת תאים לננו-חימר ולתוצרי הלוואי המתפרקים תרמית שלהם26,27,28, כמו גם להערכת הרעילות של ננו-חומרים, כגון ננו-צינוריות פחמן בעלות דופן יחידה (SWCNTs)18. יתר על כן, תאים כאלה משמשים כבר יותר מ -30 שנה כמודל לתפקוד אפיתל ריאתי29. ZIF-8 נבחר בשל יישומו הרחב בקטליזה30 וכחומרי ניגוד 31 לדימות ביולוגי ואספקת תרופות32, ובכך בשל הפוטנציאל המורחב לחשיפה לריאות במהלך יישומים כאלה. לבסוף, ECIS, הטכניקה הלא פולשנית בזמן אמת, שימשה בעבר להערכת שינויים בהידבקות תאים, התפשטות, תנועתיות ומורפולוגיה 16,26 כתוצאה ממגוון אינטראקציות בין אנליטים (חומרים ותרופות כאחד) ותאים חשופים בזמן אמת 16,18,28. ECIS משתמש בזרם חילופין (AC) כדי למדוד את העכבה של תאים משותקים על אלקטרודות זהב, כאשר שינויי העכבה מספקים תובנות לגבי שינויים בהתנגדות וקיבול בממשק מצע התא-זהב, תפקוד המחסום המושרה על ידי אינטראקציות תא-תא, וכיסוי שכבת התא של אלקטרודות זהב כאלה33,34. השימוש ב-ECIS מאפשר מדידות כמותיות ברזולוציה ננומטרית באופן לא פולשני בזמן אמת26,34.
מחקר זה מעריך ומשווה את הפשטות והקלות של הערכה של שינויים הנגרמים על ידי MOF בהתנהגות התאית בזמן אמת עם הערכות של בדיקה נקודתית. מחקר כזה יכול להיות אקסטרפולציה נוספת להערכת פרופילי תאים בתגובה לחשיפה לחלקיקים אחרים בעלי עניין, ובכך לאפשר בדיקת חלקיקים בטוחה על ידי תכנון ולאחר מכן סיוע ביישום. יתר על כן, מחקר זה יכול להשלים בדיקות גנטיות ותאיות שהן הערכות נקודתיות. זה יכול להוביל לניתוח מושכל יותר של ההשפעות המזיקות של חלקיקים על אוכלוסיית התאים ויכול לשמש לסינון רעילות של חלקיקים כאלה באופן תפוקה גבוהה 16,35,36.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>&#160;4-[3-(4-idophenyl)-2-(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]-1,3-benzene disulfonate (WST-1 assay)&#160;</td>
			<td>Roche</td>
			<td>5015944001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0.25% Trypsin-EDTA (1x)</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>25255-056</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100 mm plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>430167</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1300 Series A2 biofume hood</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>323TS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2510 Branson bath sonicator</td>
			<td>Process Equipment &#38; Supply, Inc.&#160;</td>
			<td>251OR-DTH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-methylimidazole, 97%</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>693-98-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mL sterile microtube</td>
			<td>Argos Technologies</td>
			<td>T2076S-CA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50 mL&#160; tubes&#160;</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352098</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96W10idf well plates</td>
			<td>Applied Biophysics&#160;</td>
			<td>96W10idf PET</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plates</td>
			<td>Fisherbrand</td>
			<td>FB012931</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biorender</td>
			<td>Biorender</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Countess cell counting chamber slides</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>C10283</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Countess II FL automated cell counter</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>C0916-186A-0303</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Denton Desk V sputter and carbon coater</td>
			<td>Denton Vacuum</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethly sulfoxide&#160;</td>
			<td>Corning</td>
			<td>25-950-CQC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS/Modified</td>
			<td>Cytiva</td>
			<td>SH30028.02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#39;s modified Eagle medium</td>
			<td>Corning</td>
			<td>10-014-CV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECIS-Z&#920;</td>
			<td>Applied Biophysics&#160;</td>
			<td>ABP 1129</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excel</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Version 2301</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Falcon tubes (15 mL)</td>
			<td>Corning</td>
			<td>352196</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal bovine serum</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>16140-071</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FLUOstar OPTIMA plate reader</td>
			<td>BMG LABTECH</td>
			<td>413-2132</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GraphPad Prism Software (9.0.0)</td>
			<td>GraphPad Software, LLC</td>
			<td>Version 9.0.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HERAcell 150i CO2 Incubator</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>50116047</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hitachi S-4700 Field emission scanning electron microscope equipped with energy dispersive X-ray&#160;</td>
			<td>Hitachi High-Technologies Corporation</td>
			<td>S4700 and EDAX TEAM analysis software</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ software</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Immortalized human bronchial epithelial cells</td>
			<td>American Type Culture Collection</td>
			<td>CRL-9609</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isotemp freezer</td>
			<td>Fisher Scientific&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol, 99%</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>67-56-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm sealing film</td>
			<td>The Lab Depot</td>
			<td>HS234526A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin/Steptomycin</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15140-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sorvall Legend X1R Centrifuge&#160;</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>75004220</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sorvall T 6000B</td>
			<td>DU PONT</td>
			<td>&#160;T6000B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypan blue, 0.4% solution in PBS</td>
			<td>MP Biomedicals, LLC</td>
			<td>1691049</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum Chamber</td>
			<td>Belart</td>
			<td>999320237</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zinc Nitrate Hexahydrate, 98% extra pure</td>
			<td>Acros Organic</td>
			<td>101-96-18-9</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electric cell-substrate sensing for real-time evaluation of metal-organic framework toxicological profiles

מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) הן הכלאות הנוצרות באמצעות תיאום של יוני מתכת ומקשרים אורגניים בממסים אורגניים. היישום של MOFs ביישומים ביו-רפואיים ותעשייתיים הוביל לחששות לגבי בטיחותם. כאן, הפרופיל של MOF נבחר, מסגרת אימידזול זאוליטית, הוערך על ידי חשיפה לתאי אפיתל ריאה אנושיים. הפלטפורמה להערכה הייתה טכניקה בזמן אמת (כלומר, חישת עכבת תא חשמלי [ECIS]). מחקר זה מזהה ודן בכמה מההשפעות המזיקות של MOF שנבחר על התאים החשופים. יתר על כן, מחקר זה מדגים את היתרונות של שימוש בשיטה בזמן אמת לעומת בדיקות ביוכימיות אחרות להערכות תאים מקיפות. המחקר מסכם כי שינויים נצפים בהתנהגות התא יכולים לרמוז על רעילות אפשרית הנגרמת על ידי חשיפה MOFs בעלי מאפיינים פיסיקוכימיים שונים ואת המינון של מסגרות אלה בשימוש. על ידי הבנת השינויים בהתנהגות התא, אנו צופים את היכולת לשפר אסטרטגיות בטוחות על ידי תכנון של MOFs שישמשו ליישומים ביו-רפואיים על ידי התאמה ספציפית של המאפיינים הפיזיקוכימיים שלהם.

Metal-organic frameworks (MOFs) are hybrids formed through the combination of metal ions and organic linkers1,2 in organic solvents. Due to the variety of such combinations, MOFs possess structural diversity3, tunable porosity, high thermal stability, and high surface areas4,5. Such characteristics make them attractive candidates in a variety of applications, from gas storage6,7 to catalysis8,9, and from contrast agents10,11 to drug delivery units12,13. However, the implementation of MOFs into such applications has raised concerns relative to their safety to both the users and the environment. Preliminary studies have shown, for instance, that cellular function and growth change upon the exposure of cells to metal ions or linkers used for MOF synthesis1,14,15. For instance, Tamames-Tabar et al. demonstrated that ZIF-8 MOF, a Zn-based MOF, was leading to more cellular changes in a human cervical cancer cell line (HeLa) and a mouse macrophage cell line (J774) relative to Zr-based and Fe-based MOFs. Such effects were&#160;presumably due to the metal component of ZIF-8 (i.e., Zn), which could potentially induce cell apoptosis upon framework disintegration and Zn ion release1. Similarly, Gandara-Loe et al. demonstrated that HKUST-1, a Cu-based MOF, caused the highest reduction in mouse retinoblastoma cell viability when used at concentrations of 10 &#181;g/mL or greater. This was presumably due to the Cu metal ion incorporated during the synthesis of this framework, which, once released, could induce oxidative stress in the exposed cells15.
Moreover, analysis showed that the exposure&#160;to MOFs with different physicochemical characteristics could lead to varying responses of exposed cells. For instance, Wagner et al. demonstrated that ZIF-8 and MIL-160 (an Al-based framework), used in the exposure of an immortalized human bronchial epithelial cell, led to cellular responses dependent on frameworks&#39; physicochemical properties, namely hydrophobicity, size, and structural characteristics16. Complementarily, Chen et al. demonstrated that a concentration of 160 &#181;g/mL MIL-100(Fe) exposed to human normal liver cells (HL-7702) caused the largest loss in cellular viability, presumably due to the metal component of this specific framework (i.e., Fe17).
While these studies categorize MOFs&#39; deleterious effects on cellular systems based on their physicochemical characteristics and exposure concentrations, thus raising potential concerns with framework implementation, especially in biomedical fields, most of these evaluations are based on single time point colorimetric assays. For instance, it was shown that when (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) tetrazolium (MTT) and water-soluble tetrazolium salt (WST-1) assays were used, these biochemical reagents could lead to false positives upon&#160;their&#160;interactions with the particles that the cells were also exposed to18. The tetrazolium salt and neutral red reagents were&#160;shown to possess a high adsorption or binding affinity onto the surfaces of the particles, resulting to agent signal interference19. Moreover, for other types of assays, such as flow cytometry, which was previously shown to be used for assessing changes in cells exposed to MOFs20,21, it was shown that major issues have to be circumvented if a viable analysis of particles&#39; deleterious effects is to be considered. In particular, detection ranges of the particles&#39; sizes, especially in mixed populations like the ones offered by MOFs or references of the particles used for calibration before cellular changes, have to be addressed22. It was also shown that the dye used during cell labeling for such cytometry assays could also interfere with the nanoparticles that the cells were exposed to23.
The goal of this study was to use a real-time, high-throughput evaluation assay to assess changes in cell behavior upon exposure to a select MOF. Real-time evaluations can help provide insights into time-dependent effects, as related to the windows of exposures16. Further, they provide information on changes in cell-substrate interactions, cell morphology, and cell-cell interactions, as well as how such changes depend on the physicochemical properties of the materials of interest and exposure times24,25 respectively.
To demonstrate the validity and applicability of the proposed approach, human bronchial epithelial (BEAS-2B) cells, ZIF-8 (a hydrophobic framework of zeolitic imidazolate16), and electric cell-substrate impedance sensing (ECIS) were used. BEAS-2B cells represent a model for lung exposure26 and have been previously used to evaluate changes upon the exposure of cells to nanoclays and their thermally degraded byproducts26,27,28,&#160;as well as assess the toxicity of nanomaterials, such as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs)18. Furthermore, such cells have been used for more than 30 years as a model for pulmonary epithelial function29. ZIF-8 was chosen due to its wide implementation&#160;in catalysis30 and as contrast agents31 for bioimaging and drug delivery32, and thus for the extended potential for lung exposure during such applications. Lastly, ECIS, the noninvasive, real-time technique, was previously used to evaluate changes in cell adherence, proliferation, motility, and morphology16,26 as a result of a variety of interactions between analytes (both materials and drugs) and exposed cells in real-time16,18,28. ECIS uses an alternating current (AC) to measure the impedance of cells immobilized on gold electrodes, with the impedance changes giving insights into changes in resistance and capacitance at the&#160;cell-gold substrate interface, barrier function as induced by cell-cell interactions, and over-cell layer coverage of such gold electrodes33,34. Using ECIS allows quantitative measurements at a nanoscale resolution in a noninvasive, real-time manner26,34.
This study assesses and compares the simplicity and ease of evaluation of MOF-induced changes in cellular behavior in real-time with single-point assay evaluations. Such a study could be further extrapolated for evaluating cell profiles in response to exposure to other particles of interest, thus allowing for safe-by-design particle testing and subsequent helping with&#160;implementation. Moreover, this study could complement genetic and cellular assays that are single-point evaluations. This could lead to a more informed analysis of the deleterious effects of particles on the cellular population and could be used for screening such particles&#39; toxicity in a high-throughput manner16,35,36.

מחבר זרקור: התקדמות בהערכת תגובת תאי אפיתל ריאתיים אנושיים למסגרות מתכת-אורגניות 

חישת מצע תא חשמלי להערכה בזמן אמת של פרופילים טוקסיקולוגיים של מסגרת מתכת-אורגנית

My research aims to evaluate changes in human lung epithelial cells'behavior upon exposure to metal organic framework, hybrids formed by combining metal ions in organic linkers in organic solvents. This research demonstrated that the physical and chemical composition of metal organic frameworks, as well as their cellular exposure ratios, affects the behavior of human lung epithelial cells in a time and dose-dependent manner. This can be recorded in a high throughput in real time fashion.Our research helps to evaluate, understand the mechanisms of toxicity of metal organic frameworks upon exposure to cellular systems. The current method allows continuous cell monitoring in a real time and in high throughput manner. Additionally, this method does not rely on any external reagents, and thus it reduces any possible interference they could have with the frameworks used for exposure.Our laboratory will continue to focus on understanding and evaluating the mechanisms of toxicity associated with nanomaterials exposures, as well as using such information to synthesize new and safe systems that could be implemented in biomedical applications at minimum risks to the user or the environment.

באמצעות מודל משותף במבחנה קו תא 39 (BEAS-2B), מחקר זה נועד להדגים את ההיתכנות והישימות של ECIS כדי להעריך שינויים בהתנהגות התא בעת חשיפה ל- MOF מסונתז במעבדה. הערכת שינויים אלה הושלמה על ידי ניתוח באמצעות בדיקות קולורימטריות קונבנציונליות.
המאפיינים הפיזיקוכימיים ...

Watch this Scientific Journal Video about Advances in Evaluating Human Lung Epithelial Cells' Response to Metal-Organic Frameworks at JoVE.com

המחקר הבא מעריך את הפרופיל הטוקסיקולוגי של מסגרת מתכתית-אורגנית נבחרת המשתמשת בחישת עכבת תא חשמלי (ECIS), טכניקת סינון בזמן אמת ובתפוקה גבוהה.

Metal-organic frameworks (MOFs) are hybrids formed through the coordination of metal ions and organic linkers in organic solvents. The implementation of ...

מטרת המחקר שלי היא להעריך שינויים בהתנהגות תאי אפיתל ריאתיים אנושיים בעקבות חשיפה למסגרת אורגנית של מתכת, בני כלאיים שנוצרו על ידי שילוב יוני מתכת במקשרים אורגניים בממסים אורגניים. מחקר זה הראה כי ההרכב הפיזיקלי והכימי של מסגרות אורגניות מתכתיות, כמו גם יחסי החשיפה התאית שלהן, משפיעים על התנהגותם של תאי אפיתל ריאתיים אנושיים באופן תלוי זמן ומינון. ניתן להקליט זאת בתפוקה גבוהה בזמן אמת.המחקר שלנו מסייע להעריך, להבין את מנגנוני הרעילות של מסגרות אורגניות מתכתיות בעת חשיפה למערכות תאיות. השיטה הנוכחית מאפשרת ניטור תאים רציף בזמן אמת ובתפוקה גבוהה. בנוסף, שיטה זו אינה מסתמכת על ריאגנטים חיצוניים, ובכך היא מפחיתה כל הפרעה אפשרית שיכולה להיות להם עם המסגרות המשמשות לחשיפה.המעבדה שלנו תמשיך להתמקד בהבנה והערכה של מנגנוני הרעילות הקשורים לחשיפות לננו-חומרים, כמו גם להשתמש במידע כזה כדי לסנתז מערכות חדשות ובטוחות שניתן ליישם ביישומים ביו-רפואיים במינימום סיכונים למשתמש או לסביבה.

electric-cell-substrate-sensing-for-real-time-evaluation-metal

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Electric Cell-Substrate Sensing for Real-Time Evaluation of Metal-Organic Framework Toxicological Profiles

606 Views.  West Virginia University. מטרת המחקר שלי היא להעריך שינויים בהתנהגות תאי אפיתל ריאתיים אנושיים בעקבות חשיפה למסגרת אורגנית של מתכת, בני כלאיים שנוצרו על ידי שילוב יוני מתכת במקשרים אורגניים בממסים אורגניים. מחקר זה הראה כי ההרכב הפיזיקלי והכימי של מסגרות אורגניות מתכתיות, כמו גם יחסי החשיפה התאית ?...

Video: מחבר זרקור: התקדמות בהערכת תגובת תאי אפיתל ריאתיים אנושיים למסגרות מתכת-אורגניות 

Metal-organic frameworks (MOFs) are hybrids formed through the coordination of metal ions and organic linkers in organic solvents. The implementation of MOFs in biomedical and industrial applications has led to concerns regarding their safety. Herein, the profile of a selected MOF, a zeolitic imidazole framework, was evaluated upon exposure to human lung epithelial cells. The platform for evaluation was a real-time technique (i.e., electric cell-substrate impedance sensing [ECIS]). This study identifies and discusses some of the deleterious effects of the selected MOF on the exposed cells. Furthermore, this study demonstrates the benefits of using the real-time method versus other biochemical assays for comprehensive cell evaluations. The study concludes that observed changes in cell behavior could hint at possible toxicity induced upon exposure&#160;to MOFs of different physicochemical characteristics and the dosage of those frameworks being used. By understanding changes in cell behavior, one foresees the ability to improve safe-by-design strategies of MOFs to be used for biomedical applications by specifically tailoring their physicochemical characteristics.

The following study evaluates the toxicological profile of a selected metal-organic framework utilizing electric cell-substrate impedance sensing (ECIS), a real-time, high-throughput screening technique.

Electrical Cell-Substrate Impedance Sensing (ECIS)

To begin, take a 96 well plate containing interdigitated finger connection electrodes covering an area of about four square millimeters. Place the plate onto the well station and click the setup button. If the wells are connected properly, green readings will appear.Any unconnected wells will be identified as red. Add 200 microliters of media to each well being used and then place the plate into the electrical cell substrate impedance sensing, or ECIS station. To stabilize the wells and prepare them for experiments, click setup, followed by check, and then click on stabilize.After 40 minutes, remove the plate from the station and remove the media from each well. Seed the B2B cells at a density of 40, 000 cells per milliliter into the wells containing the cells, and place the plate onto the ECIS station in the incubator. Next, click on check to ensure all the electrodes are read by the sensors on the station.Select multiple frequency time to measure each electrode at seven different frequencies. Click on start and allow it to run for 24 hours so the cells can form a confluent monolayer. Every well's reading is displayed in a different color.After about 24 hours, the wells containing cells will show increased resistance on the monitor indicating the attachment of the cells to the electrodes. Press pause to interrupt the data collection. For example, for media changes, reagents edition, and so on.Expose the ZIF8 nanoparticles to the blank well and the cell wells with a volume of 100 microliters per well, Place the plate onto the station and click on check again to ensure that the sensors are reading all the electrodes. Click on resume to resume the experiments after the chosen pause. After the data collection, click finish to save the data as a spreadsheet file.To get the alpha parameters click on model, and on the popped up screen, click on media only well, then select the well that has only media. Click on set reference for data evaluation and select the reference related to the control experiment. Click on find to start the reference fitting.Select set then fit T range to process the data relative to the selected reference. To evaluate the cell attachment, select alpha. Finally, after the system finishes the analysis, click save RBA and save the parameters as a spreadsheet file.The analysis of the cell behavior upon exposure to ZIF8 MOFs was performed through electrical cell substrate impedance sensing. The images showed changes in the cell substrate interactions and the changes are dependent on the time of exposure and the dose being used.