表面官能化シリコンとゲルマニウムナノ粒子の細胞毒性：表面電荷の支配的な役割

表面（表面電荷など）や物理的特性（粒子サイズなど）がナノ粒子（NP）の細胞相互作用に重要な役割を果たすと仮定されることがよくありますが、この問題を調査する系統的研究が欠落しています。したがって、9つの異なる細胞エンドポイントを定量化する比較細胞毒性研究は、さまざまな表面官能化を備えた、よく特徴付けられたシリコン（SI）およびゲルマニウム（GE）NPの幅広い一連の単分散で実行されました。ヒト結腸腺癌CACO-2およびラット肺胞マクロファージNR8383細胞を使用して、この一連のNPの毒性を明らかにしました。NPSの表面コーティングは細胞毒性を支配するように見えました：カチオン性NPは細胞毒性を示しましたが、カルボン酸末端および親水性のペグまたはデキストラン末端NPはそうではありませんでした。カチオン性Si nps内では、より小さなsi npはより大きなものよりも毒性がありました。マンガンドープ（1％mn）SI NPは、毒性が追加されていないため、バイオイメージングのさらなる発展を支持しています。鉄ドープ（1％Fe）Si NPは、コアからのFe（3+）イオンの浸出による可能性のある毒性をいくつか追加したことを示しました。シリカコーティングは、シリカの報告された毒性に沿って毒性を与えるように見えました。細胞内ミトコンドリアは、ミトコンドリア膜電位の用量、表面電荷依存性、およびサイズ依存性の不均衡が観察されたため、毒性NPの標的と思われます。このような不均衡は、ミトコンドリア膜電位の減少（Δψm）およびATP産生、ROS生成の誘導、細胞質Ca（2+）含有量の増加、TNF-αの産生、およびカスパーゼの増強など、カチオン性NPの他の一連の細胞イベントにつながりました。3アクティビティ。まとめると、結果は、主に表面特性によるSI NP/GE NPの毒性を説明し、観察された細胞毒性の根底にある作用モードについての洞察を提供し、生体適合性のSIおよびGE NPの合成に関する方向性を示します。たとえば、医学の分野の他のアプリケーション。

Although it is frequently hypothesized that surface (like surface charge) and physical characteristics (like particle size) play important roles in cellular interactions of nanoparticles (NPs), a systematic study probing this issue is missing. Hence, a comparative cytotoxicity study, quantifying nine different cellular endpoints, was performed with a broad series of monodisperse, well characterized silicon (Si) and germanium (Ge) NPs with various surface functionalizations. Human colonic adenocarcinoma Caco-2 and rat alveolar macrophage NR8383 cells were used to clarify the toxicity of this series of NPs. The surface coatings on the NPs appeared to dominate the cytotoxicity: the cationic NPs exhibited cytotoxicity, whereas the carboxylic acid-terminated and hydrophilic PEG- or dextran-terminated NPs did not. Within the cationic Si NPs, smaller Si NPs were more toxic than bigger ones. Manganese-doped (1% Mn) Si NPs did not show any added toxicity, which favors their further development for bioimaging. Iron-doped (1% Fe) Si NPs showed some added toxicity, which may be due to the leaching of Fe(3+) ions from the core. A silica coating seemed to impart toxicity, in line with the reported toxicity of silica. Intracellular mitochondria seem to be the target for the toxic NPs since a dose-, surface charge- and size-dependent imbalance of the mitochondrial membrane potential was observed. Such an imbalance led to a series of other cellular events for cationic NPs, like decreased mitochondrial membrane potential (ΔΨm) and ATP production, induction of ROS generation, increased cytoplasmic Ca(2+) content, production of TNF-α and enhanced caspase-3 activity. Taken together, the results explain the toxicity of Si NPs/Ge NPs largely by their surface characteristics, provide insight into the mode of action underlying the observed cytotoxicity, and give directions on synthesizing biocompatible Si and Ge NPs, as this is crucial for bioimaging and other applications in for example the field of medicine.