이 연구는 NIGMS (National Institute of General Medical Sciences) T32 프로그램 (T32 GM133369)과 National Science Foundation (NSF 1454230)이 부분적으로 자금을 지원했습니다. 또한 WVU 공유 연구 시설과 응용 생물 물리학 지원 및 지원이 인정됩니다.

1. ZIF-8 합성
<ol><li>이 예에서는 1:10:100(금속:링커:용매) 질량비를 사용하여 ZIF-8을 합성합니다. 이를 위해 질산 아연 육수화물을 측정하고 측정을 기록합니다. 링커, 2-메틸이미다졸 및 용매(즉, 메탄올)에 필요한 양을 계산하기 위해 예시 질량비를 활용한다.</li>
	<li>질산아연 육수화물과 링커를 두 개의 다른 유리 바이알에 넣습니다. 계산 된 메탄올 양의 절반을 질산 아연 6 수화물에 첨가하고 나머지 절반을 링커에 첨가한다. 각 용액이 용해되도록 합니다.</li>
	<li>두 용액(즉, 각각 금속과 링커를 포함하는 용액)을 결합합니다. 반응을 위해 결합된 용액이 담긴 용기를 교반 플레이트에 놓고 실온(RT)에서 24시간 동안 700rpm으로 교반합니다.</li>
</ol>2. ZIF-8 컬렉션
<ol><li>위의 반응이 종결되면(즉, 24시간 후) 용액을 50mL 원심분리기 튜브에 넣고 3,075 x g 에서 5분 동안 원심분리합니다(동일한 양을 사용하고 로터의 균형을 맞춥니다). 원심분리된 튜브에서 상층액을 제거합니다.</li>
	<li>메탄올(5-15mL)을 원심분리기 튜브에 넣고 입자를 재분산시킵니다.</li>
	<li>원심분리 및 세척 단계를 최소 2-4회 더 반복합니다. 마지막 세척 후 상청액을 배출하십시오. 알림: 세척 단계는 침전되지 않은 종을 제거합니다.</li>
	<li>튜브의 뚜껑을 제거하고 상단에 파라필름 테이프를 붙입니다. 그런 다음 파라 필름에 구멍을 뚫습니다. s가 들어 있는 튜브를 RT의 진공 챔버에 넣어 24시간 동안 건조시킵니다.</li>
</ol>3. ZIF-8 표면 형태 (주사 전자 현미경 [SEM])
<ol><li>ZIF-8의 건조 분말을 탄소 테이프에 장착하고 금-팔라듐으로 120초 동안 스퍼터링하여 SEM 분석 중에 발생할 수 있는 충전을 방지합니다.</li>
	<li>현미경의 가속 전압을 15kV로 설정합니다. 입자에 초점을 맞추고 배율을 조정합니다(500x, 1,000x, 1,500x, 4,000x, 10,000x, 20,000x, 30,000x 및 40,000x의 배율이 사용됨).</li>
	<li>입자 크기와 형태를 명확하게 평가할 수 있는 배율로 입자를 이미지화합니다(5μm, 10μm 및 20μm의 입자 범위를 고려하는 것이 좋습니다).</li>
	<li>최소 3개의 서로 다른 시야에서 데이터를 수집하고 각각에 대해 서로 다른 배율을 고려합니다.</li>
</ol>4. ZIF-8 원소 조성
<ol><li>SEM 이미징 단계를 따르십시오.</li>
	<li>SEM 현미경의 에너지 분산 X선(EDX) 분광 장치를 사용하여 샘플 원소 조성을 분석합니다.</li>
	<li>SEM 가속 전압과 배율이 EDX 모니터와 일치하는지 확인하십시오. SEM 현미경의 적외선 카메라를 끕니다.</li>
	<li>EDX 모니터에서 Collect Spectrum 으로 이동하여 수집 시간을 200초로 입력합니다. 이는 잘못된 평가로 이어질 수 있는 입자 충전 및 분해를 방지하기 위해 권장됩니다.</li>
	<li>최소 3개의 서로 다른 시야에서 데이터를 수집합니다. 수집이 완료되면 데이터를 분석하고 관심 있는 요소를 식별합니다.</li>
</ol>5. 세포 배양
<ol><li>5% 소 태아 혈청(FBS)과 0.2% 페니실린/스트렙토마이신이 보충된 배지에서 불멸화된 BEAS-2B 세포를 배양했습니다. 참고: 5-10 사이의 계대는 사용 중인 세포 배치에서 이전에 표현형 변화가 발생하지 않았는지 확인하기 위해 사용해야 합니다37 (모든 시약은 재료 표에 나열되어 있음).</li>
	<li>100mm 세포 배양 플레이트를 가져다가 배지 10mL를 플레이트에 놓습니다. 플레이트에 BEAS-2B 세포 용액 1mL를 추가합니다.</li>
	<li>플레이트를 인큐베이터(37°C, 5%CO2)에 넣고 세포가 성장하도록 합니다.</li>
	<li>24시간 후 플레이트를 확인하여 세포가 80% 밀도에 도달했는지 확인합니다. 여기서, 80% 밀도는 부착된 세포에 의해 덮인 표면의 백분율을 의미한다. 그렇지 않은 경우 배지를 변경하고 80% 밀도 수준에 도달할 때까지 세포가 성장하도록 합니다.</li>
</ol>6. 세포 계수
<ol><li>플레이트의 셀이 80%의 밀도에 도달하면 플레이트에서 배지를 제거합니다. 플레이트를 5mL의 인산염 완충 식염수(PBS)로 세척합니다.</li>
	<li>플레이트에서 PBS를 제거합니다. 플레이트에 트립신 2mL를 넣고 인큐베이터(37°C, 5%CO2)에 2분 동안 넣습니다.</li>
	<li>플레이트에 2mL의 배지를 추가하고 배지를 위아래로 피펫하여 플레이트에서 세포를 제거합니다. 용액을 15mL 튜브로 옮기고 123 x g 에서 5분 동안 원심분리합니다.</li>
	<li>튜브에서 상청액을 제거하고 배지 2mL를 추가합니다. 세포를 재분산시키기 위해 배지를 위아래로 피펫합니다.</li>
	<li>1.5mL 튜브를 사용하여 트리판 블루 20μL를 넣은 다음 세포 용액 20μL(트리판 블루:세포 용액의 1:1 비율)를 추가합니다.</li>
	<li>세포 혼합물 10μL를 유리 슬라이드에 놓고 자동 세포 계수기에 놓습니다. 화면에 초점이 맞춰질 때까지 기다렸다가 캡처를 선택합니다.</li>
	<li>화면에는 살아있는 세포 번호와 세포 생존율이 표시됩니다. 측정 범위는 1 x 104-1 x 107 셀까지 확장됩니다.</li>
	<li>또는 혈구계를 사용하여 수동으로 세포를 계산합니다.<ol><li>이를 위해 15-20 μL의 트립판 블루 처리 세포 용액을 혈구계에 첨가하십시오.</li>
		<li>혈구계의 그리드 라인에 10x 대물렌즈 초점이 있는 정립 현미경을 사용하십시오.</li>
		<li>네 개의 바깥 쪽 사각형에있는 셀 수를 세고 숫자를 4로 나눕니다. 그런 다음 10,000을 곱하여 살아있는 세포 수 번호를 얻습니다.</li>
		<li>세포 생존율을 계산하려면 살아있는 세포와 죽은 세포 수를 더하여 총 세포 수를 구한 다음 살아있는 세포 수를 총 세포 수로 나눕니다.</li>
	</ol></li>
</ol>7. ZIF-8 용량 준비
<ol><li>8mg/mL의 ZIF-1 원액을 만듭니다. 이를 위해 ZIF-8의 양을 측정하고 입자에 탈이온수(DI)를 추가하여 1mg/mL 농도에 도달합니다.</li>
	<li>수조에서 30초 간격으로 2분 동안 ZIF-8 스톡 용액을 초음파 처리(초음파 처리기를 음파로 설정)합니다.</li>
	<li>방정식C1V1=C2V2를 사용하여 원하는 선량에 도달하는 데 필요한 원액과 Dulbecco's modified eagle medium(DMEM)의 양을 계산하여 세포 노출에 대해 ZIF-8의 다른 용량을 만듭니다. 용량 범위는 0-950 μg/mL입니다. 참고: 이 실험에서는 0μg/mL, 1μg/mL, 10μg/mL, 50μg/mL, 100μg/mL, 250μg/mL, 500μg/mL, 750μg/mL 및 950μg/mL의 용량을 선택했습니다.</li>
</ol>8. 절반 최대 억제 농도 (IC 50)
<ol><li>세포 계수 후 BEAS-2B 세포를 4 x 104 cells/mL의 밀도로 96 μL/웰의 부피로 시드합니다.<ol><li>4 x 104 cells/mL의 밀도에 도달하려면 C 1 V1 = C2 V2를 사용하여 배지와 결합하는 데 필요한 세포 용액의 양을 계산합니다.</li>
		<li>각 복용량에 대해 빈 웰을 유지해야 합니다. ZIF-8에 노출될 때까지 이 우물을 비워 두십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>96-웰 플레이트를 37°C 및 5%CO2 에서 인큐베이터에 넣고 세포가 24시간 동안 합류성 단분자층으로 성장하도록 합니다.</li>
	<li>웰에서 배지를 제거하고 BEAS-2B 세포를 0-950μg/mL 범위의 ZIF-8 용량에 노출시킵니다. 100 μL의 ZIF-8을 각각의 블랭크 및 셀 웰에 추가합니다.</li>
	<li>96웰 플레이트를 48시간의 노출 시간 동안 인큐베이터에 다시 넣습니다.</li>
	<li>노출 후 10μL의 4-[3-(4-idophenyl)-2-(4-nitrophenyl)-2H-5-tetrazolio]-1,3-benzene disulfonate(WST-1)를 각 웰(블랭크 및 셀 웰)에 넣고 2시간 동안 배양합니다. 미디어는 우물에 남아 있습니다. 비율은 1:10(시약:미디어)입니다.</li>
	<li>485nm 흡광도를 사용하여 플레이트 리더에서 흡광도의 변화를 읽습니다.</li>
	<li>IC50 값을 결정하기 위해 소프트웨어를 통해 세포 생존율을 계산한다(섹션 10 참조).</li>
</ol>9. 전기 셀-기판 임피던스 감지(ECIS)
<ol><li>96웰 플레이트(96W10idf)를 사용하여 ECIS 분석을 수행합니다. 플레이트(28 )는 약 4mm2의 면적을 커버하는 인터-디지타이티드 핑거 연결 전극들을 포함한다.</li>
	<li>먼저 센서가 모든 웰을 읽고 있는지 테스트합니다. 이를 위해 96웰 플레이트를 웰 스테이션에 놓고 설정 버튼을 클릭합니다.</li>
	<li>우물이 제대로 연결되면 녹색이 나타납니다. 연결되지 않은 우물은 빨간색으로 식별됩니다. 이러한 경우가 발생하면 웰 플레이트를 제거했다가 다시 삽입하고 모든 웰이 실행 가능한 녹색 판독값을 제공할 때까지 설정 버튼을 다시 클릭합니다.</li>
	<li>잠재적인 드리프트를 방지하기 위해 웰당 200μL의 배지로 40분 동안 전극을 안정화합니다. 사용 중인 각 웰에 200μL의 배지를 추가한 다음 96웰 플레이트를 ECIS 스테이션에 놓습니다. 설정/확인을 클릭하여 플레이트가 제대로 연결되었는지 확인합니다. 안정화를 클릭합니다.</li>
	<li>안정화가 완료되면 스테이션에서 플레이트를 제거하고 각 웰에서 매체를 제거합니다.</li>
	<li>BEAS-2B 세포를 웰당 100μL의 부피로 4 x 104 cells/ mL의 밀도로 세포가 포함된 웰에 시드하고 플레이트를 인큐베이터의 ECIS 스테이션에 놓습니다.</li>
	<li>모니터에서 확인을 클릭하여 스테이션의 센서가 모든 전극을 읽는지 확인합니다.</li>
	<li>다중 주파수/시간(MFT)을 선택하여 시간 경과 측정을 설정합니다. 이 프로그램은 7개의 다른 주파수에서 각 웰을 측정합니다.</li>
	<li>시작을 클릭하고 셀이 합류 단층을 형성할 수 있도록 24시간 동안 실행합니다.</li>
	<li>24시간 후, 세포가 포함된 웰은 모니터에서 증가된 저항을 보일 것입니다. 이것은 세포가 전극에 부착되었음을 나타내는 지표입니다.</li>
	<li>모니터에서 일시 중지를 눌러 데이터 수집을 중지 합니다.</li>
	<li>위의 섹션 8에 설명된 단계에 따라 계산된IC50 값에서 ZIF-7 용량을 확인하십시오.</li>
	<li>ZIF-8 나노 입자를 웰 당 100 μL의 부피로 각각의 블랭크 및 셀 웰에 노출시키고 96 웰 플레이트를 스테이션에 다시 놓습니다.</li>
	<li>모니터를 다시 확인하여 센서가 모든 전극을 읽고 있는지 확인하십시오. 재개 를 클릭하고 시스템이 72시간 동안 실행되도록 하여 셀룰러 동작과 부착을 모니터링합니다.</li>
	<li>데이터 수집이 완료되면 모니터에서 마침 을 클릭합니다. 파일을 저장하려면 파일 > 다른 이름으로 저장을 클릭합니다. 데이터를 스프레드시트 파일로 저장합니다.</li>
	<li>알파 매개 변수를 얻으려면 모델을 클릭합니다. 화면 팝업에서 Media-Only Well을 클릭한 다음 미디어만 있는 Well을 선택합니다.</li>
	<li>참조 설정(Set Ref)을 클릭합니다. 모니터에서 찾기를 클릭합니다.</li>
	<li>시스템에 표시된 웰이 선택한 것과 동일하지 않은 경우 9.16 단계를 반복하십시오.</li>
	<li>설정을 클릭합니다. T-범위 맞춤을 클릭하여 데이터 수집에 원하는 시간 범위를 결정합니다.</li>
	<li>처리하는 동안 알파를 클릭합니다. 시스템이 분석을 마치면 RbA 저장을 클릭하고 스프레드시트 파일로 저장합니다. 알림: 제조업체의 웹 사이트38에서 찾을 수 있는 ECIS 설명서를 참조하십시오.</li>
</ol>10. 데이터 분석
<ol><li>증권 시세 표시기<ol><li>이미징 소프트웨어를 열어 SEM 이미지를 분석합니다. 파일 > 열기를 클릭한 다음 분석할 이미지를 선택합니다.</li>
		<li>Image > Type > 8 Bits 를 클릭하여 이미지를 회색조로 변환하여 임계값 작업을 수행합니다.</li>
		<li>픽셀 단위의 거리 측정값을 미크론 단위로 보정합니다. 직선 도구를 클릭하고 측정하려는 각 입자의 길이를 추적합니다.</li>
		<li>Analyze(분석)를 클릭한 다음 Set Scale(배율 설정)을 클릭합니다. 알려진 거리는 SEM 이미지 상의 스케일 바의 크기의 길이로 설정될 것이다. 알려진 길이 단위는 미크론으로 설정됩니다. Global(글로벌)을 확인하고 Ok(확인)를 누릅니다.</li>
		<li>직선(Straight-Line) 도구를 클릭하고 파티클의 지름을 추적한 다음 분석 및 측정(Analyze and Measure)을 선택합니다. 길이 결과를 기록합니다.</li>
		<li>수집된 모든 이미지에 대해 반복합니다. 적절한 통계 평가를 위해 최소 60개 입자의 모든 직경을 평균화합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>증권 시세 표시기<ol><li>수집된 모든 이미지에서 각 요소의 모든 중량 백분율을 평균화합니다(위의 EDX 섹션 참조).</li>
		<li>스프레드시트를 사용하여 x축에 각 원소의 막대 그래프를 표시하고 y축에 평균 원소 중량 백분율을 표시합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>IC50 (영어)<ol><li>블랭크 웰의 평균을 구하고 각 반복실험에 대한 선량 웰의 평균을 구합니다.</li>
		<li>용량 블랭크 평균에서 대조군 블랭크 평균을 빼서 조정된 블랭크를 계산합니다. 평균 투여량 값에서 조정된 블랭크를 빼서 각 투여량에 대한 실제 세포 값을 계산합니다.</li>
		<li>평균 대조군에서 각 용량에 대해 조정된 블랭크 값을 뺍니다. 다음 방정식을 사용하여 각 용량의 세포 생존율을 계산합니다: 세포 생존율 = (실제 세포 값/(대조군 - 조정된 공백 값)) x 100.</li>
		<li>다른 모든 반복실험에 대해 이 작업을 반복합니다.</li>
		<li>각 복제에 대한 세포 생존율을 함께 평균화하여 각 용량에 대한 최종 세포 생존율을 얻습니다.</li>
		<li>소프트웨어에서 화면의 XY 탭을 선택합니다.</li>
		<li>X 열에 농도(용량) 값을 입력하고 Y 열에 각 용량의 세포 생존율(%)을 입력합니다.</li>
		<li>분석 > 변환 > 확인 및 변환 X = Log(X)를 클릭하여 X 값을 변환합니다.</li>
		<li>변환된 데이터 시트를 선택하고 분석을 클릭한 다음 정규화를 선택하여 Y 값을 정규화합니다.</li>
		<li>Normalize of Transform 데이터 시트를 선택하고 분석을 클릭한 다음 비선형 회귀(곡선 피팅)를 선택합니다. Dose-Response-Inhibition(용량-반응-억제)을 선택하고 Log(Inhibitor) Vs. Response-Variable Slope (Four Parameters)를 클릭합니다. 확인을 클릭하여 결과를 봅니다.</li>
	</ol></li>
	<li>증권 시세 표시기<ol><li>스프레드시트에서 각 반복실험(빈 웰 및 선량 웰)에 대한 저항(옴) 열을 가져와서 4,000Hz 주파수에서 함께 평균을 구합니다. 이 주파수는 세포-세포 접촉 평가(38)를 허용한다.</li>
		<li>각 반복실험에 대한 평균 선량에서 평균 블랭크를 빼서 수정된 저항을 계산합니다. 각 용량에 대한 반복실험에 대한 수정된 저항의 평균을 구합니다.</li>
		<li>알파 값에 대해 동일한 단계를 반복하여 평균 알파 매개 변수를 계산합니다. x축을 시간(h)으로 표시하고 y축을 각 선량 값에 대한 평균 저항/알파 값으로 표시합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>11. 통계 분석
<ol><li>증권 시세 표시기<ol><li>ZIF-8 입자의 평균 직경이 계산된 스프레드시트 파일에서 표준 편차를 수행합니다.</li>
		<li>스프레드시트의 STDEV 함수를 활용하여 60개 입자의 데이터를 강조 표시하고 Enter를 클릭합니다. 계산된 각 평균 직경에 대한 표준 편차를 그래프로 표시합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>증권 시세 표시기<ol><li>SEM(단계 11.1.1-11.1.2)과 유사하게 스프레드시트의 STDEV 함수를 사용하여 각 평균 원소 조성에 대한 표준 편차를 계산합니다. 각 평균 원소 조성에 대한 표준 편차를 그래프로 표시합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>IC50 (영어)<ol><li>IC50 을 계산하는 데 사용된 소프트웨어를 열고 그룹화된 데이터 시트를 클릭합니다.</li>
		<li>그룹 A, 그룹 B 등으로 표시된 행에 ZIF-8 용량을 입력합니다. 각 용량에 대한 평균 세포 생존율을 입력하고 ZIF-8 용량에 해당하는 열에 복제합니다.</li>
		<li>분석( Analyze)을 클릭하고 컬럼 분석( Column Analyses)에서 일원 분산 분석(One-way ANOVA)(및 비모수적 분석(Nonparametric or mixed))을 선택합니다.</li>
		<li>실험 설계 탭에서 일치 또는 페어링 없음을 선택합니다. 잔차의 가우스 분포(Gaussian Distribution Of Residuals)에서 예, 분산 분석 사용(Yes use ANOVA)을 선택합니다. 마지막으로 Assume Equal SDs(SD 동일 가정)에서 Yes Use Ordinary ANOVA Test(예, 일반 분산 분석 검정 사용)를 선택합니다.</li>
		<li>다중 비교 탭에서 각 열의 평균과 대조 열의 평균 비교를 선택합니다. 확인을 클릭하여 결과를 봅니다.</li>
	</ol></li>
</ol>

전기 셀 기판 감지에 의한 MOF 유도 셀 거동 변화 평가

저자는 이 작업에 대한 이해 상충이 없다고 보고합니다.

이전 분석에서는 ECIS를 사용하여 분석물(즉, 탄소 나노튜브(35), 약물(43) 또는 나노클레이(nanoclays))에 노출된 세포의 거동을 평가할 수 있었습니다. 또한, Stueckle et al. ECIS를 사용하여 나노클레이 및 그 부산물에 노출된 BEAS-2B 세포의 독성을 평가했으며 세포 거동 및 부착이 이러한 물질의 물리화학적 특성에 의존한다는 것을 발견했습니다<sup clas...

금속-유기 프레임워크(MOF)는 유기 용매에서 금속 이온과 유기 링커 1,2의 조합을 통해 형성된 하이브리드입니다. 이러한 조합의 다양성으로 인해, MOF는 구조적 다양성3, 조정 가능한 다공성, 높은 열 안정성 및 높은 표면적4,5을 갖는다. 이러한 특성은 가스 저장(6,7)에서 촉매(8,9)까지, 그리고 조영제(10,11)에서 약물 전달 유닛(12,13)까지 다양한 응용에서 매력적인 후보가 된다. 그러나 이러한 응용 분야에 MOF를 구현하면 사용자와 환경 모두에 대한 안전에 대한 우려가 제기되었습니다. 예를 들어, 예비 연구들은 MOF 합성에 사용되는 금속 이온 또는 링커에 세포가 노출될 때 세포 기능과 성장이 변화한다는 것을 보여주었다 1,14,15. 예를 들어, Tamames-Tabar et al. Zn 기반 MOF인 ZIF-8 MOF가 Zr 기반 및 Fe 기반 MOF에 비해 인간 자궁경부암 세포주(HeLa) 및 마우스 대식세포 세포주(J774)에서 더 많은 세포 변화를 일으키고 있음을 입증했습니다. 이러한 효과는 아마도 ZIF-8의 금속 성분(즉, Zn)에 기인하는 것으로 추정되며, 이는 프레임워크 붕괴 및 Zn 이온 방출1시 잠재적으로 세포 사멸을 유도할 수 있습니다. 유사하게, Gandara-Loe et al. Cu 기반 MOF인 HKUST-1이 10μg/mL 이상의 농도에서 사용될 때 마우스 망막모세포종 세포 생존율이 가장 높음을 입증했습니다. 이것은 아마도 이 프레임워크의 합성 동안 통합된 Cu 금속 이온 때문이었을 것이며, 일단 방출되면 노출된 세포(15)에서 산화 스트레스를 유도할 수 있습니다.
또한, 분석에 따르면 다른 물리 화학적 특성을 가진 MOF에 노출되면 노출 된 세포의 다양한 반응이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, Wagner et al. 불멸화된 인간 기관지 상피 세포의 노출에 사용되는 ZIF-8 및 MIL-160(Al 기반 프레임워크)이 프레임워크의 물리화학적 특성, 즉 소수성, 크기 및 구조적 특성에 따라 세포 반응을 유도한다는 것을 입증했습니다16. 보완적으로, Chen et al. 인간의 정상 간 세포(HL-7702)에 노출된 160μg/mL MIL-100(Fe) 농도가 세포 생존력에 가장 큰 손실을 일으켰으며, 이는 아마도 이 특정 프레임워크의 금속 성분(즉, Fe17)으로 인한 것입니다.
이러한 연구는 물리화학적 특성과 노출 농도에 따라 세포 시스템에 대한 MOF의 유해한 영향을 분류하여 특히 생물 의학 분야에서 프레임워크 구현에 대한 잠재적인 우려를 제기하지만 이러한 평가의 대부분은 단일 시점 비색 분석을 기반으로 합니다. 예를 들어, (3-(4,5-디메틸티아졸-2-일)-2,5-디페닐테트라졸륨 브로마이드) 테트라졸륨(MTT) 및 수용성 테트라졸륨염(WST-1) 분석을 사용했을 때, 이러한 생화학적 시약은 세포가 또한 노출된 입자와의 상호 작용에 대해 위양성을 유발할 수 있는 것으로 나타났습니다18. 테트라졸륨 염 및 중성 적색 시약은 입자 표면에 높은 흡착 또는 결합 친화력을 갖는 것으로 나타났으며, 그 결과 작용제 신호 간섭이 발생하였다19. 또한, 이전에 MOFs20,21에 노출된 세포의 변화를 평가하는 데 사용되는 것으로 나타났던 유세포 분석과 같은 다른 유형의 분석의 경우, 입자의 유해한 영향에 대한 실행 가능한 분석을 고려하려면 주요 문제를 우회해야 하는 것으로 나타났습니다. 특히, 입자 크기의 검출 범위, 특히 MOF에서 제공하는 것과 같은 혼합 집단 또는 세포 변화 전 보정에 사용된 입자의 기준은 해결해야 한다22. 또한 이러한 세포 분석 분석을 위해 세포 표지 중에 사용 된 염료는 세포가 노출 된 나노 입자를 방해 할 수 있음이 밝혀졌습니다23.
이 연구의 목표는 실시간 고처리량 평가 분석을 사용하여 선별된 MOF에 노출되었을 때 세포 행동의 변화를 평가하는 것이었습니다. 실시간 평가는 노출 기간과 관련된 시간 의존적 효과에 대한 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 수 있다16. 또한, 세포 - 기질 상호 작용, 세포 형태 및 세포 - 세포 상호 작용의 변화뿐만 아니라 이러한 변화가 관심 물질의 물리 화학적 특성 및 노출 시간24,25에 어떻게 의존하는지에 대한 정보를 제공합니다.
제안된 접근법의 타당성과 적용 가능성을 입증하기 위해 인간 기관지 상피(BEAS-2B) 세포, ZIF-8(제올라이트 이미다졸레이트16의 소수성 프레임워크) 및 전기 세포-기질 임피던스 감지(ECIS)를 사용했습니다. BEAS-2B 세포는 폐 노출에 대한 모델이며(26) 이전에 나노클레이 및 열적으로 분해된 부산물(26,27,28)에 대한 세포 노출 시 변화를 평가하고 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)18와 같은 나노 물질의 독성을 평가하는 데 사용되었습니다. 또한, 이러한 세포는 폐 상피 기능의 모델로 30년 이상 사용되어 왔다29. ZIF-8은 촉매 작용(catalysis)(30)에서의 광범위한 구현과 바이오이미징 및 약물 전달(32)을 위한 조영제(contrast agent)(31)로서 선택되었으며, 따라서 이러한 적용 동안 폐 노출에 대한 확장된 가능성을 위해 선택되었다. 마지막으로, 비침습적 실시간 기술인 ECIS는 분석물(재료 및 약물 모두)과 노출된 세포 간의 다양한 상호 작용의 결과로 세포 부착, 증식, 운동성 및 형태학의 변화를 실시간으로 평가하는 데 사용되었습니다16,26,28. ECIS는 교류(AC)를 사용하여 금 전극에 고정된 셀의 임피던스를 측정하며, 임피던스 변화는 셀-금 기판 계면의 저항 및 커패시턴스 변화, 셀-셀 상호 작용에 의해 유도된 장벽 기능 및 이러한 금 전극의 과세포 층 커버리지에 대한 통찰력을 제공합니다(33,34). ECIS를 사용하면 비침습적 실시간 방식으로 나노 스케일 분해능으로 정량적 측정이 가능합니다26,34.
이 연구는 단일 지점 분석 평가와 실시간으로 MOF로 인한 세포 행동 변화의 단순성과 평가 용이성을 평가하고 비교합니다. 이러한 연구는 다른 관심 입자에 대한 노출에 대한 반응으로 세포 프로파일을 평가하기 위해 추가로 외삽될 수 있으므로 안전한 설계 입자 테스트를 허용하고 후속 구현을 지원할 수 있습니다. 또한, 이 연구는 단일 지점 평가인 유전 및 세포 분석을 보완할 수 있습니다. 이것은 세포 집단에 대한 입자의 유해한 영향에 대한 보다 정보에 입각한 분석으로 이어질 수 있으며 이러한 입자의 독성을 고처리량 방식으로 스크리닝하는 데 사용될 수 있습니다(16,35,36).

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	<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

금속-유기 프레임워크(MOF)는 유기 용매에서 금속 이온과 유기 링커의 배위를 통해 형성된 하이브리드입니다. 생물 의학 및 산업 응용 분야에서 MOF의 구현은 안전성에 대한 우려를 불러일으켰습니다. 본원에서, 선택된 MOF, 제올라이트 이미다졸 프레임워크의 프로파일을 인간 폐 상피 세포에의 노출시에 평가하였다. 평가를 위한 플랫폼은 실시간 기술(즉, 전기 전지-기판 임피던스 감지[ECIS])이었습니다. 이 연구는 노출된 세포에 대한 선택된 MOF의 유해한 영향 중 일부를 식별하고 논의합니다. 또한, 이 연구는 포괄적인 세포 평가를 위해 다른 생화학적 분석에 비해 실시간 방법을 사용하는 이점을 보여줍니다. 이 연구는 관찰된 세포 행동의 변화가 다양한 물리화학적 특성의 MOF에 노출될 때 유발될 수 있는 독성과 사용되는 프레임워크의 용량을 암시할 수 있다고 결론지었습니다. 세포 행동의 변화를 이해함으로써 물리화학적 특성을 구체적으로 조정하여 생물 의학 응용 분야에 사용되는 MOF의 안전한 설계 전략을 개선할 수 있는 능력을 예측할 수 있습니다.

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.

저자 스포트라이트: Advances in Evaluating Human Lung Epithelial Cells' Response to Metal-Organic Frameworks (금속-유기 프레임워크에 대한 인간 폐 상피 세포의 반응 평가의 발전) 

금속-유기 프레임워크 독성 프로파일의 실시간 평가를 위한 전기 전지-기질 감지

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.

이 연구는 일반적인 시험관 내 모델 세포주39 (BEAS-2B)를 사용하여 실험실에서 합성된 MOF에 노출되었을 때 세포 행동의 변화를 평가하기 위한 ECIS의 타당성과 적용 가능성을 입증하는 것을 목표로 했습니다. 이러한 변화 평가는 종래의 비색 분석을 통한 분석에 의해 보완되었다.
프레임워크의 물리화학적 특성은 사용된 방법의 재현성, 얻은 결과의 타당...

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다음 연구는 실시간 고처리량 스크리닝 기술인 전기 전지-기질 임피던스 감지(ECIS)를 활용하여 선택된 금속-유기 프레임워크의 독성학적 프로파일을 평가합니다.

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

저의 연구는 유기 용매의 유기 링커에서 금속 이온을 결합하여 형성된 하이브리드인 금속 유기 프레임워크에 노출되었을 때 인간 폐 상피 세포의 행동 변화를 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 연구는 금속 유기 골격의 물리적, 화학적 조성과 세포 노출 비율이 시간 및 용량 의존적 방식으로 인간 폐 상피 세포의 행동에 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 이를 실시간으로 높은 처리량으로 기록할 수 있습니다.우리의 연구는 세포 시스템에 노출되었을 때 금속 유기 골격의 독성 메커니즘을 평가하고 이해하는 데 도움이 됩니다. 현재의 방법은 실시간으로 높은 처리량 방식으로 지속적인 셀 모니터링을 가능하게 합니다. 또한 이 방법은 외부 시약에 의존하지 않으므로 노출에 사용되는 프레임워크에 발생할 수 있는 간섭을 줄입니다.우리 실험실은 나노 물질 노출과 관련된 독성 메커니즘을 이해하고 평가하는 데 계속 초점을 맞출 뿐만 아니라 이러한 정보를 사용하여 사용자 또는 환경에 대한 위험을 최소화하면서 생물 의학 응용 분야에서 구현할 수 있는 새롭고 안전한 시스템을 합성하는 데 계속 집중할 것입니다.

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 조회수.  West Virginia University. 저의 연구는 유기 용매의 유기 링커에서 금속 이온을 결합하여 형성된 하이브리드인 금속 유기 프레임워크에 노출되었을 때 인간 폐 상피 세포의 행동 변화를 평가하는 것을 목표로 합니다. 이 연구는 금속 유기 골격의 물리적, 화학적 조성과 세포 노출 비율이 시간 및 용량 의존적 방식으로 인간 폐 상피 세포의 행동에 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 이를 실시간으로 ...