Ефекти наночестица CeO2 и ZnO на туморске (HeLa) и нетрансформисане (МRC-5) хумане ћелијe in vitro проучавани вибрационом спектроскопијом и микроскопијом на бази атомских сила

Abstract

Потенцијално широка примена метал-оксидних наночестица условљена је повољним односом између корисних и штетних ефеката које испољавају на ћелијама човека. Наночестицама CeO2 посебност даје променљивост оксидационог стања церијума захваљујући чему имитирају активност ћелијских ензима. Проучава се њихово селективно дејство на различите типове ћелија, што важи и за наночестице ZnO. У овој студији је показано да облагање наночестица CeO2 декстраном драстично повећава њихову цитотоксичност. Биохемијске промене HeLa и MRC-5 ћелија изазване наночестицама CeO2 (необложеним и декстраном обложеним) и ZnO проучаване су Рамановом спектроскопијом комбинованом са методама мултиваријантне статистике. Најупечатљивије регистроване дозно-зависне промене су пад интензитета Раманових модова нуклеинских киселина и пораст интензитета липидних модова код третираних ћелија. За мање оштећене ћелије карактеристични су спектрални маркери незасићених масти и фосфатидилсерина, повезани са раном апоптозом детектованом код ових ћелија. У касној апоптози описани маркери су мање изражени. Односи интензитета I~1270/I~1300 и I~2850/I~2930 предложени су за будућа истраживања као квантитативни параметри чија вредност расте услед цитотоксичног дејства наночестица. Ненегативна анализа главних компонената показала се корисном за анализу ћелијских Раманових спектара, а комбиновање различитих приступа анализи неопходним за адекватно разумевање спектралних промена. Микроскопијом на бази атомских сила добијене су топографске слике ћелија у високој резолуцији и описане морфолошке промене третираних ћелија. Дефинисана је површинска храпавост као квантитативни параметар који расте код третираних ћелија, без обзира на остале морфолошке карактеристике.

Potentially wide application of metal-oxide nanoparticles is determined by positive prevalence of their beneficial over harmful effects observed in studies on human cells.. The specificity of CeO2 nanoparticles is switching between two oxidational states of cerium, which enables an enzyme-mimicking activity of nanoparticles in the cell. Selective action of CeO2 and ZnO to different cell types has been studied. In this study, it is shown that coating of CeO2 nanoparticles with dextran dramatically increases their cytotoxicity. Biochemical changes of HeLa and MRC-5 cells induced by CeO2 (uncoated and dextran-coated) and ZnO nanoparticles are investigated by Raman spectroscopy combined with the methods of multivariate statistics. The most prominent dose-dependent changes that are registered include the decrease of nucleic acids’ and increase of lipid’s Raman modes. Partially damaged cells are characterized by Raman markers of unsaturated lipids and phosphatidylserine, correlated with early apoptosis detected in those cells. In late apoptosis, described spectral markers diminish. The increasing intensity ratios I~1270/I~1300 and I~2850/I~2930 are proposed as marker for the cytotoxic effect of nanoparticles that can be employed in future studies as quantitative parameters of this effect. Non-negative principal component analysis appeared to be useful for the cell Raman spectra analysis and combining different approaches in analysis was needed for comprehensive interpretation of spectral changes. High-resolution topographic images of the cells were obtained by atomic force microscopy and morphological changes of treated cells have been described. Surface roughness is defined as quantitative parameter increasing in treated cell, regardless other morphological characteristics.