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Femtosecond pulsed laser microscopy: a new tool to assess the in vitro delivered dose of carbon nanotubes in cell culture experiments
Particle and Fibre Toxicology ( IF 10 ) Pub Date : 2021-02-18 , DOI: 10.1186/s12989-021-00402-5
Dominique Lison 1 , Saloua Ibouraadaten 1 , Sybille van den Brule 1 , Milica Todea 2, 3 , Adriana Vulpoi 2 , Flaviu Turcu 2 , Christina Ziemann 4 , Otto Creutzenberg 4 , James C Bonner 5 , Marcel Ameloot 6 , Hannelore Bové 6
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In vitro models are widely used in nanotoxicology. In these assays, a careful documentation of the fraction of nanomaterials that reaches the cells, i.e. the in vitro delivered dose, is a critical element for the interpretation of the data. The in vitro delivered dose can be measured by quantifying the amount of material in contact with the cells, or can be estimated by applying particokinetic models. For carbon nanotubes (CNTs), the determination of the in vitro delivered dose is not evident because their quantification in biological matrices is difficult, and particokinetic models are not adapted to high aspect ratio materials. Here, we applied a rapid and direct approach, based on femtosecond pulsed laser microscopy (FPLM), to assess the in vitro delivered dose of multi-walled CNTs (MWCNTs). We incubated mouse lung fibroblasts (MLg) and differentiated human monocytic cells (THP-1) in 96-well plates for 24 h with a set of different MWCNTs. The cytotoxic response to the MWCNTs was evaluated using the WST-1 assay in both cell lines, and the pro-inflammatory response was determined by measuring the release of IL-1β by THP-1 cells. Contrasting cell responses were observed across the MWCNTs. The sedimentation rate of the different MWCNTs was assessed by monitoring turbidity decay with time in cell culture medium. These turbidity measurements revealed some differences among the MWCNT samples which, however, did not parallel the contrasting cell responses. FPLM measurements in cell culture wells revealed that the in vitro delivered MWCNT dose did not parallel sedimentation data, and suggested that cultured cells contributed to set up the delivered dose. The FPLM data allowed, for each MWCNT sample, an adjustment of the measured cytotoxicity and IL-1β responses to the delivered doses. This adjusted in vitro activity led to another toxicity ranking of the MWCNT samples as compared to the unadjusted activities. In macrophages, this adjusted ranking was consistent with existing knowledge on the impact of surface MWCNT functionalization on cytotoxicity, and might better reflect the intrinsic activity of the MWCNT samples. The present study further highlights the need to estimate the in vitro delivered dose in cell culture experiments with nanomaterials. The FPLM measurement of the in vitro delivered dose of MWCNTs can enrich experimental results, and may refine our understanding of their interactions with cells.

中文翻译:

飞秒脉冲激光显微镜:一种评估细胞培养实验中碳纳米管体外递送剂量的新工具

体外模型广泛用于纳米毒理学。在这些分析中,仔细记录到达细胞的纳米材料部分,即体外递送剂量,是解释数据的关键因素。体外递送剂量可以通过量化与细胞接触的材料量来测量,或者可以通过应用分子动力学模型来估计。对于碳纳米管 (CNT),体外递送剂量的确定并不明显,因为它们在生物基质中的量化很困难,而且粒子动力学模型不适用于高纵横比材料。在这里,我们应用了一种基于飞秒脉冲激光显微镜 (FPLM) 的快速直接方法来评估多壁碳纳米管 (MWCNT) 的体外递送剂量。我们将小鼠肺成纤维细胞 (MLg) 和分化的人类单核细胞 (THP-1) 在 96 孔板中与一组不同的 MWCNT 孵育 24 小时。在两种细胞系中使用 WST-1 测定评估对 MWCNT 的细胞毒性反应,并通过测量 THP-1 细胞释放 IL-1β 来确定促炎反应。在 MWCNT 中观察到了对比的细胞反应。通过监测细胞培养基中随时间的浊度衰减来评估不同 MWCNT 的沉降速率。这些浊度测量揭示了 MWCNT 样品之间的一些差异,然而,这与对比细胞反应不平行。细胞培养孔中的 FPLM 测量表明,体外递送的 MWCNT 剂量与沉降数据不平行,并建议培养的细胞有助于设置递送剂量。对于每个 MWCNT 样品,FPLM 数据允许调整测量的细胞毒性和 IL-1β 对递送剂量的反应。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。对于每个 MWCNT 样品,FPLM 数据允许调整测量的细胞毒性和 IL-1β 对递送剂量的反应。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。对于每个 MWCNT 样品,FPLM 数据允许调整测量的细胞毒性和 IL-1β 对递送剂量的反应。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。调整测量的细胞毒性和 IL-1β 对给药剂量的反应。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。调整测量的细胞毒性和 IL-1β 对给药剂量的反应。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。与未调整的活性相比,这种调整后的体外活性导致 MWCNT 样品的另一个毒性等级。在巨噬细胞中,这种调整后的排名与表面多壁碳纳米管功能化对细胞毒性影响的现有知识一致,可能更好地反映多壁碳纳米管样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。并可能更好地反映 MWCNT 样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。并可能更好地反映 MWCNT 样品的内在活性。本研究进一步强调需要估计纳米材料细胞培养实验中的体外递送剂量。对 MWCNTs 体外递送剂量的 FPLM 测量可以丰富实验结果,并可能完善我们对其与细胞相互作用的理解。
更新日期:2021-02-19
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