Auswirkungen von Graphenoxid auf Zellen
Antiangiogenic Effect of Graphene Oxide in Primary Human Endothelial Cells, April 2020
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ZUSAMMENFASSUNG
In dieser Arbeit haben wir einen integrierten Ansatz genutzt, der die systematische Analyse der Zytotoxizität, des angiogenen Potenzials und der Metabolomik kombiniert, um Licht auf die Auswirkungen von Graphenoxid (GO) auf primäre menschliche endotheliale Huvec-Zellen zu werfen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen, die in immortalisierten Zelllinien beobachtet wurden, die eine ähnliche Menge GO internalisieren können, wurde bei hohen GO-Konzentrationen (25 und 50 μg/mL) eine signifikante Toxizität in Huvec-Zellen festgestellt.
Insbesondere stellten wir fest, dass die störende Wirkung der intrazellulären GO-Aggregate die richtige Anordnung des Zytoskeletts und die Verteilung der Mitochondrien störte. Dies wurde hauptsächlich mit oxidativem Stress und Beeinträchtigung der Zellmigration in Verbindung gebracht, was die Bildung kapillarähnlicher Strukturen beeinflusste. Darüber hinaus zeigte die vorläufige Metabolomik-Charakterisierung, dass GO den Verbrauch von Niacinamid, einem Vorläufer von Energielieferanten, und mehrerer Aminosäuren, die an der Regulation der Angiogenese beteiligt sind, beeinflusst.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass GO auf verschiedenen zellulären Ebenen wirkt, sowohl direkt als auch indirekt. Genauer gesagt führt die Kombination aus der physischen Behinderung der internalisierten GO-Aggregate, der Induktion von oxidativem Stress und der Veränderung einiger Stoffwechselwege zu einer signifikanten antiangiogenen Wirkung in primären menschlichen Endothelzellen.
Graphene oxide induces apoptotic cell death in endothelial cells by activating autophagy via calcium-dependent phosphorylation of c-Jun N-terminal kinases, September 2016
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ZUSAMMENFASSUNG
Trotz der rapiden Ausweitung der biomedizinischen Anwendungen von Graphenoxid (GO) wurden Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit GO, insbesondere hinsichtlich seiner Auswirkungen auf vaskuläre Endothelzellen (ECs), bisher nur unzureichend bewertet.
Um mögliche GO-vermittelte Zytotoxizität im Gefäßsystem zu untersuchen und die Relevanz der seitlichen GO-Größe zu bestimmen, haben wir vier Arten von GO hergestellt: mikrometergroßes GO (MGO; 1089,9 ± 135,3 nm), submikrometergroßes GO (SGO; 390,2 ± 51,4 nm), nanometergroßes GO (NGO; 65,5 ± 16,3 nm) und Graphen-Quantenpunkte (GQDs). Alle Typen außer GQD zeigten eine signifikante Abnahme der Zellviabilität in dosisabhängiger Weise.
Bemerkenswerterweise induzierten SGO oder NGO, aber nicht MGO, potenziell Apoptose, ohne dabei eine nachweisbare Nekrose zu verursachen. Anschließend induzierten SGO oder NGO signifikant Autophagie durch einen Prozess, der von der c-Jun-N-terminalen Kinase (JNK)-vermittelten Phosphorylierung von B-Zell-Lymphom 2 (Bcl-2) abhängig war, was zur Trennung von Beclin-1 von der Beclin-1-Bcl-2-Komplex führte. Die Unterdrückung der Autophagie minderte die durch SGO oder NGO induzierte apoptotische Zelltod von ECs, was darauf hindeutet, dass die durch SGO oder NGO verursachte Zytotoxizität mit Autophagie zusammenhängt.
Darüber hinaus induzierten SGO oder NGO signifikant erhöhte intrazelluläre Calciumionen (Ca2+)-Spiegel. Die intrazelluläre Ca2+-Chelatierung mit BAPTA-AM minderte signifikant die Anhäufung von Mikrotubuli-assoziiertem Protein 1A/1B-Light Chain 3-II und die Phosphorylierung von JNK, was zu reduzierter Autophagie führte. Weiterhin fanden wir heraus, dass SGO oder NGO eine Ca2+-Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum über die PLC β3/IP3/IP3R-Signalachse induzierten.
Diese Ergebnisse klären den Mechanismus der größenabhängigen Zytotoxizität von GOs im Gefäßsystem auf und können die Entwicklung sichererer biomedizinischer Anwendungen von GOs erleichtern. Bedeutungserklärung Graphenoxid (GO) hat im Zusammenhang mit ihrer Verwendung in biomedizinischen Anwendungen erhebliche Aufmerksamkeit erhalten. Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit GO im menschlichen Gefäßsystem sind jedoch sehr begrenzt.
In diesem Manuskript berichten wir erstmals über die differentialen größenbezogenen biologischen Auswirkungen von GOs auf Endothelzellen (ECs). Bemerkenswerterweise induzieren Subnanometer- und Nanometer-große GOs apoptotischen Zelltod in ECs durch Aktivierung von Autophagie. Wir schlagen einen molekularen Mechanismus für den durch GO induzierten autophagischen Zelltod über die PLCβ3/IP3/Ca2+/JNK-Signalachse vor.
Unsere Ergebnisse könnten ein besseres Verständnis für die größenabhängige Zytotoxizität von GOs im Gefäßsystem vermitteln und die zukünftige Entwicklung sichererer biomedizinischer Anwendungen von GOs fördern.
Graphene oxide induces toll-like receptor 4 (TLR4)-dependent necrosis in macrophages, Juni 2013
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ZUSAMMENFASSUNG
Graphen und graphenbasierte Nanomaterialien zeigen neuartige und vorteilhafte chemische, elektrische, mechanische und optische Eigenschaften, die diesen Nanomaterialien vielversprechende Anwendungen in einer breiten Palette von Bereichen wie Elektronik und Biomedizin verleihen. Die Toxizität auf die Gesundheit bleibt jedoch unbekannt und ist von großer Besorgnis.
In der vorliegenden Studie haben wir gezeigt, dass Graphenoxid (GO) eine nekrotische Zelltod bei Makrophagen auslöst. Diese Toxizität wird vermittelt durch die Aktivierung des Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4)-Signalwegs und anschließend teilweise durch die autokrine Produktion von TNF-α. Die Hemmung des TLR4-Signalwegs mit einem selektiven Inhibitor verhinderte den Zelltod nahezu vollständig.
Darüber hinaus waren Knochenmark-abgeleitete Makrophagen mit TLR4-Defizienz gegen GO-induzierte Nekrose resistent. Ebenso löste GO keine Nekrose bei HEK293T/TLR4-null Zellen aus. Der zelltodartige Makrophagentod nach GO-Behandlung wurde teilweise auf die TNF-α-induzierte programmierte Nekrose über den RIP1-RIP3-Komplex zurückgeführt.
Darüber hinaus sammelte sich GO nach der Aufnahme in Makrophagen hauptsächlich im Zytoplasma an und führte zu dramatischen morphologischen Veränderungen sowie einer signifikanten Reduktion der phagozytischen Fähigkeit der Makrophagen. Es scheint jedoch, dass die Makrophagen-Aufnahme von GO nicht für die Auslösung der Nekrose erforderlich ist.
Die Exposition gegenüber GO führte auch zu einer starken Zunahme der intrazellulären reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die zum Zelltod beitrugen. Die kombinierten Daten zeigen, dass die Wechselwirkung von GO mit TLR4 der vorherrschende molekulare Mechanismus ist, der der durch GO ausgelösten Makrophagen-Nekrose zugrunde liegt; auch Schäden am Zytoskelett und oxidativer Stress tragen zur verminderten Lebensfähigkeit und Funktion von Makrophagen nach GO-Behandlung bei.