A szilícium-dioxid felszínének vizsgálata vörösvérsejtekkel

Biológiai Tudományok Tanszék, Doktori Iskola, Hirosima Egyetem, Higashi ‐ Hiroshima, Japán

Radiológiai Tanszék, MSB F-451, New Jersey Orvostudományi és Fogorvosi Egyetem - New Jersey Orvosi Iskola, 185 S. Orange Avenue, Newark, NJ 07103-2714

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Kémiai Fizikai Tanszék, Maria Curie ‐ Sklodowska Egyetem, Lublin, Lengyelország

Biológiai Tudományok Tanszék, Doktori Iskola, Hirosima Egyetem, Higashi ‐ Hiroshima, Japán

Biológiai Tudományok Tanszék, Doktori Iskola, Hirosima Egyetem, Higashi ‐ Hiroshima, Japán

Radiológiai Tanszék, MSB F-451, New Jersey Orvostudományi és Fogorvosi Egyetem - New Jersey Orvosi Iskola, 185 S. Orange Avenue, Newark, NJ 07103-2714

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Felületi Kémiai Intézet, Kijev, Ukrajna

Kémiai Fizikai Tanszék, Maria Curie ‐ Sklodowska Egyetem, Lublin, Lengyelország

Biológiai Tudományok Tanszék, Doktori Iskola, Hirosima Egyetem, Higashi ‐ Hiroshima, Japán

Absztrakt

Háttér

A szilícium-dioxid polimorf formái (szilícium-dioxid; SiO2) kölcsönhatásba lépnek sok emlős sejt sejtmembránjával, beleértve a vörösvérsejteket (RBC), hemolízist okozva. Az elektrosztatikus faktor, amelyről úgy gondolják, hogy a szilícium-dioxid-sejt érintkezés egyik fő tényezője, potenciálisan érdekelt lehet a sejtek felületi tulajdonságainak tanulmányozásában. A SiO2 részecskék felületi tulajdonságai szintén érdekesek.

Mód

A megmosott emberi vörösvértestek kölcsönhatásba léptek az erősen diszpergált füstölt szilícium-dioxid (Aerosil A-300) és a szilícium-dioxid (kilenc minta) részecskéivel, amelyeket a kezdeti A-300-ból különféle hőfeltételek mellett dehidroxilezésével nyertek. Fényszóródásukat (előre- és oldalsó fényszóródásuk) 0,01% szilícium-dioxid-oldatban megszakítás nélkül mértük a reakció első 5 percében áramlási citometriával (áramlás erythrogram). A SiO2 részecskék hemolitikus hatását a hemoglobin fotometrikus mérésével értékeltük a felülúszóban 90 perccel a reakció után.

Eredmények

Az érintett vörösvértestek fényszóródása és a hemolízis mértéke feltárta, hogy a SiO2 részecskék felületi tulajdonságai különféle hatásokkal jártak a vörösvértestekre. A felszíni hidroxilcsoportok termikus redukciója után a szilícium-dioxid membranotoxikus hatása fokozódott, majd csökkent.

Következtetések

Bár az emberek és más élőlények a környezetükben fejlődtek (evolúcióelmélet), bizonyos környezeti tényezők károsak lehetnek, és számos betegség kialakulásához vezethetnek. Például a részecske-légszennyezés súlyosbítja a légzőszervi betegségben szenvedők betegségét, és növeli a szív- és érrendszeri és légzőszervi megbetegedések okozta halálozások számát, különösen az idősebb emberek körében (1). Paoletti (2) szerint a finom diszpergált ásványi részecskék eljutnak az alveolusokba, és évekig ott maradnak anélkül, hogy elveszítenék kémiai tulajdonságukat. Úgy gondolják, hogy a részecske és a sejtfelület kémiai tulajdonságai jelentősen hozzájárulnak a részecske-sejt érintkezéshez, ami elkerülhetetlen és nélkülözhetetlen a betegség kialakulásához. A sejt és a szervetlen membranofil anyagok (például szilícium-dioxid mikrorészecskék) közötti kölcsönhatás tanulmányozása a membránbiológia egyik problémája. A szilícium-dioxid, amely hozzájárul a szilikózis, egy tüdőbetegség kialakulásához, számos polimorf formában fordul elő (3). Az amorf szilícium-dioxid valószínűleg kevésbé veszélyes, mint a kristályos szilícium-dioxid (4).

ANYAGOK ÉS METÓDUSOK

Szilícium-dioxid-minták

Kilenc szilícium-dioxid-mintát nyertünk a kezdeti Aerosil A-300-ból (Kalush, Ukrajna; az 1. minta nem szabványos körülmények között szintetizált a molekulárisan és disszociatívan adszorbeált víz mennyiségének csökkentése érdekében [24]) 0,57% vízzel különböző hőmérsékleteken történő melegítéssel (T; 200–900 ° C) tT = 10–180 perc a légkörben (1. táblázat) .1

Minták Hőmérséklet (° C) Idő (perc)
2 200 25
3 200 60
4 200 85
5. 200 180
6. 600 60
7 600 150
8. 900 10.
9. 900 20
10. 900 120

A szokásos körülmények között szintetizált füstölt szilícium-dioxid A-300-at nagyobb mennyiségű adszorbeált víz jellemzi, legfeljebb 5 tömeg% -ig. A szilícium-dioxid-oldatot 5 mg száraz szilícium-dioxid-por hozzáadásával 25 ml (w/v) foszfáttal pufferolt sóoldathoz (PBS; 137 mM NaCl, 2,7 mM KCl, 1,5 mM KH2PO4, 8,0 mM Na2HPO4, pH 7,3) adtuk. A nagyobb részecskék szubkronizálásához a részmikronos részecskékig a szuszpenziót ultrahangos kezelésnek vetették alá (Branson Sonifier 450-es modell; Branson Ultrasonics, Danbury, CT) 50 ml-es műanyag csövekben, jéggel körülvéve 20 W kimenőteljesítmény mellett, 5 percig. . A vörösvértestekkel történő reakció előtt 0,5 ml szilícium-dioxid-oldatot hígítottunk 1,0 térfogat PBS-ben (a szilícium-dioxid végső koncentrációja 0,01% volt).

Szilícium-RBC reakcióelegy

Tíz mikroliter egészséges önkéntes eritrocita tömegét háromszor mossuk PBS-ben 300xg-n 5 percig szobahőmérsékleten. A szilikagél oldathoz 70 × μl-es 2x106 sejtet tartalmazó vörösvértest-szuszpenziót adunk, és óvatosan összekeverjük. Kontrollként a vörösvértesteket 1 ml PBS-hez adtuk.

Optikai mérések

A szilícium-dioxiddal kölcsönhatásba lépő sejtek fényszórását, azaz az előremenő (FSC) és a 90 ° -os oldalsó szórást (SSC) a reakció első 5 percében2 megszakítás nélkül rögzítettük FACSCalibur áramlási citométeren (Becton-Dickinson Immunocytometry Systems, San Jose)., CA) 15 mW-os argon-ion lézerrel (488 nm) ellátva. Az FSC és SSC jeleket lineáris módban gyűjtöttük össze. A mintákat 35 ± 5 μl/perc (közepes) áramlási sebesség beállítással elemeztük.3 Az adatok elemzését CellQuest szoftverrel (Becton Dickinson) végeztük. A sejttörmeléket és az aggregátumokat eltávolítottuk az elemzésből.

A 90 perces inkubációs idő elérésekor 4 vörösvértestet szobahőmérsékleten 5 percig 300 × g-vel centrifugáltunk. A felszabadult hemoglobin mennyiségét fotometriásan határoztuk meg a felülúszóban 405 nm-en, MPR-A4 mikrolemez-olvasónén (Toson, Japán).

Eredmények és vita

A füstölgő szilícium-dioxid több napos melegítése 1000 ° C-on nem változtatja meg az amorf maradék primer részecskék rajainak morfológiáját (16). Ez a merev kezelés azonban megváltoztathatja a fajlagos felületet (S) és a pórustérfogat aggregátumokban a dehidratáció következtében, a felület és az ömlesztett hidroxilok eltávolításával (3, 15-17). Bár a füstölt szilícium-dioxid melegítése széles hőmérsékleti tartományban (200–900 ° C) változó volt tT befolyásolja mind a mikropórusokkal, mind a mezopórusokkal kapcsolatos szerkezeti tulajdonságait, és ezek a változások kétértelműek és nemlineárisak lehetnek S ellen T és tT, a felszíni hidroxilok száma korrelál a hőkezelés hőmérsékletével (3, 15-17).

Az 1. ábra a hemolízis fotometriai mérésével becsült hemolízis mértékét mutatja be a felülúszóban, amelyet 2 × 106 RBC és 0,01% szilícium-dioxid 90 perces inkubálásával szabadítottak fel. Az A-300 hőmérséklete és hőkezelési ideje 600 ° C-ig, illetve 150 percig emelkedve a szilícium-dioxid (2–7. Minta) fokozatosan növelte a hemolitikus aktivitást. A hőkezelés későbbi fokozódása, különösen a hőmérséklet 900 ° C-ig történő emelkedése után a szilícium-dioxid (8–10. Minta) membranotoxikus hatásának enyhe csökkenését mutatta.

szilícium-dioxid

0,01% szilícium-dioxid (1–10. Minta) hemolitikus hatása 2 × 10 6 vörösvértestre 90 perc szilícium-sejt kölcsönhatás után. A felszabadult hemoglobin optikai sűrűségét (O.D.) két példányban határoztuk meg, és ezek értékeit átlagoltuk. Az O.D. a 0,015 érték reprezentatív a kontrollmintára (spontán lízis). A 6. és 7. mintának volt a legnagyobb a hemolitikus hatása, és 88% -os sejtlízist okozott. Érdekes módon a 3. minta több hemolízist okozott, mint a 4. minta. Két független kísérlet a hemolízissel hasonló eredményeket mutatott.

Az FSC és az SSC kontúr ábrák mutatják a vörösvértestek reakcióját a szilícium-dioxidra az első 5 percben, miután 2 × 106 sejtet adtak 0,01% szilícium-dioxidhoz (1–10. Minta). A nyilak jelzik a legnagyobb mennyiségű sejttörmeléket, amelyet a SiO2 részecskék okoznak a 6. és 7. mintában.

A szilícium-dioxidra reagáló vörösvértestek FSC hisztogram elemzése az első 5 percben, miután 2 × 10 6 sejtet adtunk 0,01% szilícium-dioxidhoz (1–10. Minta).

Az FSC összehasonlító elemzése (A) és SSC (B) jeleket gyűjtötték a vörösvérsejtekből az első 5 percben, miután 2 × 106 sejtet adtak 0,01% szilícium-dioxidhoz (1–10. minta). Mivel az érintett sejteket ferde FSC eloszlások jellemezték, az FSC jelek értékét medián csatornaszámként fejezzük ki, hogy a központi tendenciát megmutassuk. Az SSC jelek értékét átlagos csatornaszámként fejezzük ki.

A szilícium-dioxidra reagáló vörösvértest-populációk FSC és SSC-térképe az első 5 percben 2 × 106 sejt 0,01% -os szilícium-dioxidhoz való hozzáadása után (1–10. Minta). Az FSC és SSC jelek értékét medián, illetve átlagos csatornaszámként fejezzük ki. A szilícium-dioxid által érintett sejtpopulációk megoszlását az Aerosil A-300 kezelésének hőmérsékleti viszonyai szerint különféle szimbólumok mutatják (nyitott négyzet, 200 ° C; vastag nyitott négyzet, 600 ° C; zárt négyzet, 900 ° C).

Arra a következtetésre jutunk, hogy az ebben a tanulmányban bemutatott adatok azt mutatják, hogy a vörösvértestek mintaszpecifikus és nem véletlenszerű módon reagáltak a kovasavra. A rendelkezésre állás és a külső tényezőkre való nagy érzékenység miatt a vörösvértestek kényelmes és informatív modellt kínálnak a szilícium-dioxid felületi tulajdonságainak vizsgálatára. Az ebben a tanulmányban javasolt flow erythrogram módszer egyszerű és pontos módszert tesz lehetővé a sejtek reakcióinak elemzésére a szilícium-dioxid-sejt interakció kezdeti fázisában. Úgy gondolják, hogy ez a módszer megalapozza az új vizsgálati rendszert, amellyel megvizsgálható a szilícium-dioxid felülete és esetleg más érdekes anyagok felülete.

Köszönetnyilvánítás

Bogdan I. Gerashchenko hálás a japán oktatási, tudományos és kulturális minisztérium által biztosított Monbusho-ösztöndíjért.