Revelation of different nanoparticle-uptake behavior in two standard cell lines NIH/3T3 and A549 by flow cytometry and time-lapse imaging

The uptake of nanomaterials into different cell types is a central pharmacological issue for the determination of nanotoxicity as well as for the development of drug delivery strategies. Most responses of the cells depend on their intracellular interactions with nanoparticles (NPs). Uptake behavior can be precisely investigated in vitro, with sensitive high throughput methods such as flow cytometry. In this study, we investigated two different standard cell lines, human lung carcinoma (A549) and mouse fibroblast (NIH/3T3) cells, regarding their uptake behavior of titanium dioxide NPs. Cells were incubated with different concentrations of TiO2 NPs and samples were taken at certain time points to compare the uptake kinetics of both cell lines. Samples were analyzed with the help of flow cytometry by studying changes in the side and forward scattering signal. To additionally enable a detection via fluorescence, NPs were labeled with the fluorescent dye fluorescein isothiocyanate (FITC) and propidium iodide (PI). We found that NIH/3T3 cells take up the studied NPs more efficiently than A549 cells. These findings were supported by time-lapse microscopic imaging of the cells incubated with TiO2 NPs. Our results confirm that the uptake behavior of individual cell types has to be considered before interpreting any results of nanomaterial studies.DFG/FOR/2180State of Lower Saxony, German

Photokatalytische Nanopartikel für die Krebstherapie

Titandioxid-Nanopartikel (TiO2 NP) haben mittlerweile ein breites Anwendungsspektrum und sind besonders wegen ihrer Fähigkeit zur Photokatalyse interessant für Industrie und Forschung. In dieser Arbeit wurde die Phototoxizität von TiO2 NP und das damit verbundene Potential für den pharmazeutischen Einsatz in der Krebstherapie untersucht. Es wurde zunächst das Aufnahmeverhalten von zwei Säugerzelllinien, A549 und NIH/3T3, mittels Durchflusszytometrie und Time Lapse Mikroskopie analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die NIH/3T3 Zellen die Nanopartikel sehr effizient aufnahmen, während bei den A549 Zellen vorwiegend Agglomerat-Bildung und äußere Anlagerung beobachtet werden konnte. Es wurden keinerlei zytotoxische Effekte bei den verwendeten TiO2 NP für die untersuchten Zelllinien beobachtet. Dies änderte sich jedoch bei Bestrahlung der Zellen mit UV A Licht. Es wurde ein eindeutiges phototoxisches Potential der TiO2 P25 NP festgestellt. Das Ausmaß der Phototoxizität hing von vielen Faktoren wie beispielsweise der untersuchten Zelllinie, Bestrahlungsdosis, Inkubationsdauer und dem verwendeten Nanomaterial ab. Eine Kombination aus mit Eisen beschichteten TiO2/WO3 NP erwies sich als äußerst effizient in der Abtötung von Krebszellen (HeLa und A549) unter Bestrahlung mit UV-A-Licht. Durch verschiedene in vitro-Assays konnte festgestellt werden, dass sowohl intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies gebildet werden, als auch Apoptose eingeleitet und die Membranintegrität zerstört wird. Für die Anwendung in der photodynamischen Therapie sollte die Effizienz der NP durch Oberflächenmodifizierung verbessert und ein gezielter Wirkstofftransport ermöglicht werden. Die Kopplung des Aptamers Syl3C an vorher an die NP Oberfläche adsorbierte Polyacrylsäure-Moleküle war erfolgreich, konnte die Effizienz der verwendeten NP jedoch nur bedingt verbessern. Für eine zukünftige Anregung des photokatalytischen Prozesses unter Nahinfrarot (NIR) Strahlung wurden außerdem Upconversion-Nanopartikel synthetisiert, die die Umwandlung von NIR Licht (980 nm) in UV-A-Licht ermöglichen