この研究の一部は、国立総合医学研究所(NIGMS)のT32プログラム(T32 GM133369)と国立科学財団(NSF 1454230)によって資金提供されました。さらに、WVU共有研究施設と応用生物物理学の支援とサポートが認められています。

電気セル基板センシングによるMOFによる細胞挙動変化の評価

著者らは、この研究における利益相反はないと報告している。

以前の分析では、ECISを使用して、分析物(すなわち、カーボンナノチューブ35、薬物43、またはナノクレイ16)にさらされた細胞の挙動を評価できることが示されました。さらに、Stueckleらは、ECISを使用して、ナノクレイとその副産物に曝露されたBEAS-2B細胞の毒性を評価し、細胞の挙動と付着がそのような材料の物理化学的特性に依存するこ...

金属有機構造体(MOF)は、有機溶媒中で金属イオンと有機リンカー1,2の組み合わせによって形成されるハイブリッドである。このような組み合わせの多様性により、MOFは構造の多様性3、調整可能な多孔性、高い熱安定性、および高い表面積4,5を備えています。このような特性により、ガス貯蔵6,7から触媒作用8,9まで、および造影剤10,11から薬物送達ユニット12,13まで、さまざまな用途で魅力的な候補となります。ただし、このようなアプリケーションへのMOFの実装により、ユーザーと環境の両方に対する安全性に関する懸念が生じています。予備的な研究では、例えば、細胞がMOF合成に使用される金属イオンまたはリンカーにさらされると、細胞機能と成長が変化することが示されています1,14,15。例えば、Tamames-Tabarらは、ZnベースのMOFであるZIF-8 MOFが、ZrベースおよびFeベースのMOFと比較して、ヒト子宮頸がん細胞株(HeLa)およびマウスマクロファージ細胞株(J774)においてより多くの細胞変化をもたらしていることを実証した。このような効果は、おそらくZIF-8の金属成分(すなわち、Zn)によるものであり、フレームワークの崩壊およびZnイオン放出時に細胞のアポトーシスを誘発する可能性がある1。同様に、Gandara-Loeらは、CuベースのMOFであるHKUST-1が、10 μg/mL以上の濃度で使用された場合、マウス網膜芽細胞腫細胞の生存率を最も低下させることを実証しました。これはおそらく、このフレームワークの合成中に取り込まれたCu金属イオンによるものであり、一度放出されると、露出した細胞15に酸化ストレスを誘発する可能性がある。
さらに、分析は、異なる物理化学的特性を有するMOFへの曝露が、曝露された細胞の異なる応答につながる可能性があることを示した。例えば、Wagnerらは、不死化ヒト気管支上皮細胞の曝露に使用されるZIF-8およびMIL-160(Alベースのフレームワーク)が、フレームワークの物理化学的特性、すなわち疎水性、サイズ、および構造特性に依存する細胞応答をもたらすことを実証しました16。補完的に、Chenらは、ヒト正常肝細胞(HL-7702)に曝露された160 μg/mLの濃度MIL-100(Fe)が、おそらくこの特定の骨格の金属成分(すなわちFe17)に起因する細胞生存率の最大の損失を引き起こすことを実証した。
これらの研究は、物理化学的特性と曝露濃度に基づいて細胞系に対するMOFの有害な影響を分類しているため、特に生物医学分野でのフレームワークの実装に関する潜在的な懸念が生じていますが、これらの評価のほとんどは単一時点の比色アッセイに基づいています。例えば、(3-(4,5-ジメチルチアゾール-2-イル)-2,5-ジフェニルテトラゾリウムブロミド)テトラゾリウム(MTT)および水溶性テトラゾリウム塩(WST-1)アッセイを使用した場合、これらの生化学的試薬は、細胞も曝露された粒子との相互作用時に偽陽性につながる可能性があることが示されました18。テトラゾリウム塩と中性赤色試薬は、粒子の表面への高い吸着または結合親和性を有することが示され、その結果、薬剤信号干渉が生じた19。さらに、MOFに曝露された細胞の変化を評価するために使用されることが以前に示されたフローサイトメトリーなどの他のタイプのアッセイ20,21では、粒子の有害な影響の実行可能な分析を検討するには、大きな問題を回避する必要があることが示されました。特に、粒子のサイズの検出範囲、特にMOFによって提供されるものや、細胞が変化する前にキャリブレーションに使用される粒子の参照によって提供されるような混合集団では、対処する必要があります22。また、このようなサイトメトリーアッセイのための細胞標識中に使用される色素も、細胞が曝露されたナノ粒子を妨害する可能性があることが示された23。
この研究の目的は、リアルタイムのハイスループット評価アッセイを使用して、選択したMOFへの曝露時の細胞挙動の変化を評価することでした。リアルタイム評価は、曝露のウィンドウに関連する時間依存の影響に関する洞察を提供するのに役立ちます16。さらに、それらは、細胞-基質相互作用、細胞形態、および細胞-細胞相互作用の変化、ならびにそのような変化が目的の材料の物理化学的特性および曝露時間にそれぞれどのように依存するかに関する情報を提供する24,25。
提案されたアプローチの有効性と適用性を実証するために、ヒト気管支上皮(BEAS-2B)細胞、ZIF-8(ゼオライトイミダゾレート16の疎水性フレームワーク)、および電気細胞-基質インピーダンスセンシング(ECIS)を使用しました。BEAS-2B細胞は肺曝露のモデルであり26、以前は、ナノクレイとその熱分解副産物への細胞の曝露時の変化を評価するために使用されてきました26、27、28、および単層カーボンナノチューブ(SWCNT)18などのナノ材料の毒性を評価します。さらに、このような細胞は、肺上皮機能のモデルとして30年以上にわたって使用されている29。ZIF-8は、触媒作用30におけるその幅広い実装、およびバイオイメージングおよび薬物送達32のための造影剤31として、したがってそのような用途中の肺曝露の拡張の可能性のために選択された。最後に、非侵襲的なリアルタイム手法であるECISは、以前は、分析対象物(材料と薬物の両方)とばく露された細胞との間のさまざまな相互作用の結果として、細胞の接着、増殖、運動性、および形態の変化を評価するために使用されていました16,26.ECISは、交流(AC)を使用して、金電極に固定化されたセルのインピーダンスを測定し、インピーダンスの変化により、セル-金基板界面での抵抗と静電容量の変化、セル-セル相互作用によって誘発されるバリア機能、およびそのような金電極のセル層被覆率に関する洞察が得られます33、34。ECISを使用すると、ナノスケールの分解能で非侵襲的でリアルタイムの方法で定量的な測定が可能になります26,34。
この研究では、MOFによる細胞挙動の変化をリアルタイムで評価することの単純さと容易さを、シングルポイントアッセイ評価と比較します。このような研究は、関心のある他の粒子への曝露に応答して細胞プロファイルを評価するためにさらに外挿することができ、したがって、安全な設計による粒子試験とその後の実装の支援を可能にします。さらに、この研究は、単一点評価である遺伝的および細胞アッセイを補完する可能性があります。これは、細胞集団に対する粒子の有害な影響について、より多くの情報に基づいた分析につながる可能性があり、そのような粒子の毒性をハイスループット方式でスクリーニングするために使用することができる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

金属有機構造体(MOF)は、有機溶媒中で金属イオンと有機リンカーが配位して形成されるハイブリッドです。生物医学および産業用途でのMOFの実装は、その安全性に関する懸念につながっています。本明細書において、選択されたMOF、ゼオライトイミダゾールフレームワークのプロファイルを、ヒト肺上皮細胞への曝露時に評価した。評価のためのプラットフォームは、リアルタイム技術(すなわち、電気セル基板インピーダンスセンシング[ECIS])でした。この研究では、曝露された細胞に対する選択されたMOFの有害な影響のいくつかを特定し、議論します。さらに、この研究は、包括的な細胞評価のために他の生化学的アッセイと比較してリアルタイム法を使用することの利点を示しています。今回の研究では、観察された細胞挙動の変化は、異なる物理化学的特徴を持つMOFへの曝露と、使用されているそれらのフレームワークの投与量によって誘発される可能性のある毒性を示唆している可能性があると結論付けている。細胞の挙動の変化を理解することにより、物理化学的特性を具体的に調整することにより、生物医学的アプリケーションに使用されるMOFのセーフバイデザイン戦略を改善する能力が予測されます。

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.

著者スポットライト:金属有機フレームワークに対するヒト肺上皮細胞の応答評価の進歩 

有機金属骨格の毒性プロファイルのリアルタイム評価のための電気セル-基板センシング

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.

この研究は、一般的な in vitro モデル細胞株39 (BEAS-2B)を使用して、実験室で合成されたMOFへの曝露時の細胞挙動の変化を評価するためのECISの実現可能性と適用性を実証することを目的としていました。これらの変化評価は、従来の比色アッセイによる分析によって補完されました。
フレームワークの物理化学的特性は、採用された方法の再現性、...

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以下の研究では、リアルタイムのハイスループットスクリーニング技術である電気セル基板インピーダンスセンシング(ECIS)を利用して、選択された金属有機フレームワークの毒物学的プロファイルを評価します。

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

私の研究は、有機溶媒中の有機リンカー中の金属イオンを組み合わせて形成されるハイブリッドである金属有機フレームワークへの曝露によるヒト肺上皮細胞の挙動の変化を評価することを目的としています。この研究は、金属有機フレームワークの物理的および化学的組成、ならびにそれらの細胞曝露率が、時間および用量依存的にヒト肺上皮細胞の挙動に影響を与えることを実証した。これは、リアルタイムで高スループットで記録できます。私たちの研究は、細胞系への曝露時の金属有機フレームワークの毒性のメカニズムを評価、理解するのに役立ちます。現在の方法では、リアルタイムかつ高スループットの方法で連続的な細胞モニタリングが可能です。さらに、この方法は外部試薬に依存しないため、曝露に使用されるフレームワークとの干渉の可能性を低減します。私たちの研究室では、ナノ材料曝露に関連する毒性のメカニズムの理解と評価に引き続き焦点を当て、そのような情報を使用して、ユーザーや環境へのリスクを最小限に抑えて生物医学アプリケーションに実装できる新しい安全なシステムを合成します。

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

598 ビュー.  West Virginia University. 私の研究は、有機溶媒中の有機リンカー中の金属イオンを組み合わせて形成されるハイブリッドである金属有機フレームワークへの曝露によるヒト肺上皮細胞の挙動の変化を評価することを目的としています。この研究は、金属有機フレームワークの物理的および化学的組成、ならびにそれらの細胞曝露率が、時間および用量依存的にヒト肺上皮細胞の挙動に影響を与?...