Small Methods: 人体小肠体外模型单细胞水平二氧化钛纳米材料摄取的同步定量和可视化检测

二氧化钛是世界上最常用的纳米材料(NMs)之一,在欧洲,它被称为食品添加剂(E171),纳米颗粒的含量高达36%。一方面,在非过载条件下,它在生物学上是无活性的,在生理上是惰性的,毒性相对较低。另一方面,据报道,二氧化钛NMs在高剂量和/或长时间暴露下诱导肺部炎症,纤维化和肺部肿瘤发生。考虑到这一点,国际癌症研究机构(IARC)将钛列为“可能致人类致癌物”。这种风险评估的不一致性使得对二氧化钛纳米粒子的研究很有意义。

在体内研究中观察到TiO2 NMs通过肠道移位并在肝脏,脾脏,肾脏和肺中积聚。一些研究表明TiO2易位主要通过小肠;而Caco-2细胞系作为人体小肠的体外模型,常用于研究胃肠道的反应。然而,迄今为止,肠道细胞对TiO2 NMs的摄取行为及其对上皮细胞衬里的影响与表面特性关系的研究几乎未见报道。 不良反应可能强烈依赖于NM的细胞摄取速率。实际上,细胞或有效剂量被认为是关键的毒理学终点。这是几个易位事件链的最后一个环节,即NM的物理化学和表面特性的功能。因此,细胞中NMs易位模式的摄取和可视化是毒性和风险评估的关键问题。

近期,莱比锡大学Irina Estrela-Lopis团队在研究中结合无标记空间分辨剂量测定工具,如微分解粒子诱发X射线发射和Ruther-ford反向散射,以及高分辨率成像技术,如飞行时间二次离子质谱和透射电子显微镜,用于可视化二氧化钛NMs的细胞易位模式,并研究了不同Caco-2细胞的细胞内定位和NM摄取作为其在单细胞水平的表面特性的函数。单细胞分析显示,在类似对数正态分布的细胞群中,TiO2负载强烈不均匀,表明内吞作为摄取机制;通过应用的单细胞分析方法可以容易地识别具有高NM负荷的轮廓仪细胞。已证明细胞NM负荷高度依赖于疏水性NM的暴露条件,其摄取效率高达施用的NM的14%。在亲水性NMs的情况下,吸收效率约为3%,与暴露场景无关。细胞膜的疏水相互作用与富含β-肌动蛋白的NM蛋白电晕相互作用,可能共同促进NM103的摄取。

NM表面的细胞外和细胞内修饰在单细胞水平上可视化和定量,首次显示和量化了细胞中NMs的存在导致细胞稳态失调和代谢相关元素磷,硫,钙,铁和铜的重新分布,这些元素与细胞内的NMs共定位。细胞中这些元素的显着变化可能导致对整个生物体水平的不可预测的长期影响。

相关论文以”Simultaneous Quantification and Visualization of Titanium Dioxide Nanomaterial Uptake at the Single Cell Level in an In Vitro Model of the Human Small Intestine”为题发表在 Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201800540

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