Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Sekresi Sel Parietal Lambung dan Sel Goblet Usus:Jalur Metabolik Nanopartikel Logam Vivo yang Dimediasi Sel Baru Ditingkatkan dengan Diare Melalui Herbal Cina

Abstrak

Sampai saat ini, cara nanopartikel logam dibersihkan secara in vivo belum dapat dijelaskan dengan baik. Di sini, kami melaporkan jalur pembersihan in vivo yang dimediasi sel usus baru untuk menghilangkan nanopartikel logam. Nanopartikel logam khas seperti nanoplates perak segitiga, nanopartikel magnetik, nanorods emas, dan nanocluster emas dipilih sebagai contoh yang representatif. Nanopartikel logam ini disiapkan, dikarakterisasi, dan disuntikkan melalui vena ekor ke dalam model tikus dengan ligasi saluran empedu umum (CBD). Kotoran dan urin dikumpulkan selama 7 hari untuk diikuti dengan pengorbanan tikus dan pengumpulan jaringan usus dan lambung untuk analisis lebih lanjut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa keempat nanopartikel logam terpilih berada di dalam sel goblet (GC) dari seluruh jaringan usus dan diekskresikan ke dalam lumen usus melalui sekresi GC usus. Selain itu, nanoplate perak segitiga dan nanorod emas terletak di dalam sel parietal lambung (PC). Yang penting, nanopartikel tidak menyebabkan perubahan patologis yang jelas pada jaringan usus. Dalam penelitian ini, kami mengkonfirmasi bahwa sel darah terlibat dalam jalur sekresi GC. Lebih lanjut, kami menemukan bahwa sekresi nanopartikel dari GC usus dan PC dipercepat oleh diare yang diinduksi melalui ramuan Cina. Kesimpulannya, nanopartikel logam seperti nanoplate perak segitiga, nanopartikel magnetik, nanorod emas, dan nanocluster emas dapat dibersihkan oleh GC usus dan PC. Jalur baru pembersihan nanopartikel logam in vivo ini memiliki potensi besar untuk aplikasi masa depan seperti desain dan pengembangan obat baru, pelabelan berbasis nanopartikel dan pelacakan in vivo, serta evaluasi biosafety nanopartikel in vivo.

Pengantar

Dengan pesatnya perkembangan nanoteknologi dan aplikasinya, berbagai macam bahan struktur nano yang direkayasa sekarang digunakan dalam farmasi, produk biomedis, dan industri lainnya. Produk nanoteknologi yang muncul memiliki potensi besar untuk pertumbuhan dan perkembangan ekonomi di masa depan, tetapi risiko nanoteknologi terhadap lingkungan dan kesehatan manusia masih belum sepenuhnya dipahami. Untuk menyelidiki dampak nanopartikel pada tubuh manusia, interaksinya dengan sistem biologis, dan penilaian risiko potensialnya, nanotoksikologi telah dilihat sebagai salah satu subjek multidisiplin baru, menarik perhatian pemerintah dan ilmuwan yang semakin meningkat, dan menetapkan biosafety nanomaterial sebagai kunci. masalah ilmiah. Sampai saat ini, banyak laporan yang terkait erat dengan interaksi antara nanopartikel dan sel manusia. Sebagai contoh, beberapa nanopartikel seperti oksida graphene, nanocluster emas, dan titik karbon dapat masuk ke dalam sitoplasma atau inti sel, menginduksi penghentian siklus sel atau apoptosis sel, pembentukan granuloma paru, dan merangsang sekresi sel imunologi dari beberapa sitokin. 3].

Dengan perkembangan teknik pencitraan molekuler baru, nanopartikel logam seperti nanopartikel emas, nanopartikel perak, nanopartikel magnetik, dan titik kuantum telah diselidiki secara aktif sebagai reagen theranostik multifungsi, dan digunakan untuk pencitraan bertarget in vivo, pemanasan yang diinduksi magnet, fototermal atau terapi fotodinamik, atau sebagai sistem penghantaran obat yang sangat efisien, di antara aplikasi lainnya. Telah diamati bahwa nanoprobe multifungsi berbasis nanopartikel logam ini terletak di lokasi tumor, dan sebagian darinya juga terletak di jaringan hati dan limpa dan dapat mendistribusikan ke seluruh jaringan ginjal, paru-paru, dan otak [4,5,6, 7,8,9,10]. Karena ginjal hanya membersihkan nanopartikel dengan diameter kurang dari 5 nm, kebanyakan nanopartikel sangat sulit untuk dihilangkan dengan cara ini [11, 12]. Oleh karena itu, cara membersihkan nanopartikel logam in vivo telah menjadi salah satu masalah ilmiah utama yang menantang. Namun, hingga saat ini, tidak ada jalur alternatif yang meyakinkan dan mekanisme terperinci untuk menghilangkan partikel nano logam dari tubuh manusia. Oleh karena itu, cara membersihkan nanopartikel logam secara in vivo menjadi perhatian kami.

Sampai saat ini, nanopartikel logam dimasukkan ke dalam organisme terutama melalui tiga rute, seperti jalur intravena, oral, dan intraperitoneal, di antaranya injeksi intravena adalah metode yang paling umum karena distribusinya yang cepat ke seluruh tubuh [4, 13, 14] . Namun, degradasi inti logam dari jenis nanopartikel oleh organisme, jika mungkin, sangat sulit, yang mengarah ke masalah utama, yaitu efek dari akumulasi nanopartikel residu. Perlu dicatat bahwa kualitas nanopartikel logam in vivo ditentukan oleh keseimbangan antara bioaktivitas yang diinduksi nanopartikel dan toksisitas yang tidak diinginkan. Dari perspektif toksikologi, efek toksik diprovokasi hanya jika jumlah nanopartikel yang cukup terletak di situs target, dan ekskresi dari organisme adalah cara terbaik untuk menghentikan efek dari jumlah nanopartikel yang berlebihan yang terletak di sel dan jaringan. Oleh karena itu, pemahaman yang tepat tentang jalur izin mereka sangat penting untuk aplikasi medis apa pun dan untuk penilaian risiko yang komprehensif.

Ada beberapa penelitian yang terkait dengan pembersihan nanopartikel dari jaringan atau organ in vivo seperti ginjal, hati, dan paru-paru [15,16,17]. Namun, percobaan ini hanya memberikan informasi mengenai mekanisme pembersihan untuk menghilangkan partikel dari organ tunggal, bukan seluruh tubuh [18]. Mengenai pembersihan in vivo sistemik, dua jalur ekskresi utama nanopartikel yang disuntikkan secara intravena telah dilaporkan, yaitu jalur hepato-biliary system (HBS)-feses untuk struktur nano yang lebih besar yang tidak dapat diurai oleh organisme seperti beberapa jenis nanopartikel magnetik. [19, 20], dan jalur ginjal-urin untuk nanopartikel berukuran kecil, seperti titik kuantum, fullerene, nanocluster emas, dan jenis lain dari nanopartikel emas dengan diameter kurang dari 5 nm [16, 21, 22]. Namun, kedua jalur ini menunjukkan tingkat pembersihan yang terbatas untuk nanopartikel logam in vivo.

Souris dkk. menunjukkan bahwa nanopartikel silika terakumulasi di dinding usus pada konsentrasi tinggi dan bahwa konsentrasi nanopartikel silika 50-100 nm yang disuntikkan secara intravena yang terletak di hati jauh lebih rendah daripada di dinding usus dan feses [20]. Studi lain menunjukkan bahwa nanopartikel sebesar 500 nm terlepas dari modifikasi dapat dihilangkan dari tubuh ikan dan bahwa tingkat eliminasi partikel 500 nm lebih cepat dan lebih efisien daripada partikel 50 nm meskipun nanopartikel yang lebih besar jauh melampaui kemampuannya. dari HBS [23]. Data ini menunjukkan bahwa jalur HBS mungkin bukan jalur ekskresi utama nanopartikel in vivo dan mungkin ada jalur ekskresi lain untuk nanopartikel in vivo.

Sel goblet usus (GCs) adalah sel ekskretoris yang sangat terpolarisasi yang hadir di seluruh saluran usus. Sel-sel epitel khusus ini dianggap memainkan peran protektif penting dalam usus dengan mensintesis dan mensekresi beberapa mediator [24,25,26]. Wang dkk. melaporkan bahwa sel piala (GCs) dapat menyerap nanopartikel [27], dan Sun et al. menemukan bahwa nanopartikel yang disuntikkan secara intravena didistribusikan di GC usus [28]. Namun demikian, hingga saat ini, interaksi antara nanopartikel dan GC usus masih belum diselidiki secara rinci. Secara khusus, tidak ada laporan yang sepenuhnya menjelaskan bagaimana nanopartikel tersebut mampu masuk ke dalam sel GCs, dan apakah nanopartikel tersebut mendistribusikan di GCs dari seluruh jaringan usus. Untuk memperjelas jalur ekskresi nanopartikel logam ke dalam jaringan usus, sangat penting untuk menjelaskan peran apa yang dimainkan GC usus dalam jalur ekskresi nanopartikel baru ini. Karena nanopartikel logam dapat diekskresikan melalui HBS dan masuk ke usus, oleh karena itu kami berfokus pada membedakan antara ekskresi yang dimediasi HBS dari yang dimediasi oleh GC usus (Skema 1).

Jalur ekskresi GC usus dari partikel nano

Dalam penelitian ini, kami memilih empat jenis nanopartikel logam biasa seperti nanopartikel magnetik, nanopartikel segitiga perak, nanocluster emas, dan nanorod emas sebagai target penelitian. Berkat sifat optik karakteristik nanorod emas, mereka berfungsi sebagai alat untuk mengamati distribusi usus nanopartikel dengan eksitasi dua foton, sedangkan tiga jenis partikel lainnya berfungsi sebagai contoh representatif dari berbagai nanomaterial logam lainnya. Model tikus disiapkan dengan ligasi saluran empedu umum untuk mencegah hubungan antara HBS dan saluran usus. Nanopartikel logam disuntikkan ke tikus melalui vena ekor, kemudian, tikus telanjang dibesarkan dan feses dikumpulkan selama 7 hari, dan hewan akhirnya dikorbankan, dan jaringan saluran usus dan jaringan lambung dikumpulkan, disiapkan dalam irisan, dan akhirnya dianalisis. menggunakan elektroskop transmisi resolusi tinggi dan ICP-MS untuk menyelidiki distribusi nanopartikel logam dalam jaringan usus. Selain itu, keberadaan nanopartikel logam diukur dalam tinja tikus dengan ligasi CBD. Selain itu, dalam penelitian ini, untuk mengungkap lebih lanjut mekanisme sekresi nanopartikel GC dan PC, kami menggunakan model diare tikus yang dikembangkan baru-baru ini yang diinduksi melalui ramuan Cina.

Bahan dan Metode

Sintesis dan Karakterisasi Pelat Nano Perak Segitiga

Pelat nano perak segitiga disintesis melalui prosedur yang sebelumnya dijelaskan oleh Mirkin [29] dan rekan dengan beberapa modifikasi [30]. Dalam eksperimen khas pada suhu kamar dengan udara, AgNO3 (0,1 mM, 100 mL), trisodium sitrat (30 mM, 6 mL), PVP (30 kDa berat molekul, 0,7 mM, 6 mL), dan 240 μL H2 O2 (30 wt%) ditambahkan secara teratur ke dalam labu 250 mL. Setelah mengocok kuat larutan gabungan dalam labu, 0,8 mL larutan 0,1 M NaBH yang baru disiapkan4 disuntikkan dengan cepat. Dalam beberapa detik, warna larutan menjadi kuning yang menunjukkan generasi nanosfer perak. Dalam beberapa jam berikutnya, labu ditempatkan di bawah sinar matahari atau lampu neon sampai larutan berubah menjadi warna biru, tanpa perubahan warna lebih lanjut (maksimal 5 h). Dan larutan terakhir disimpan dalam lemari es 4°C untuk digunakan lebih lanjut.

Spektrum absorbansi larutan yang disiapkan diukur dengan spektrometer UV-vis-NIR (UV-3600, Shimadzu, Jepang) menggunakan kuvet jalur optik 1 cm. Spektrum dikumpulkan dalam kisaran 200 hingga 950 nm dengan celah 2 nm. Analisis dengan mikroskop elektron transmisi dioperasikan pada JEM-200CX (JEOL, Jepang) dengan mencelupkan kisi TEM tembaga berlapis karbon ke dalam nanopartikel pengumpul dalam 1 mL air deionisasi setelah mensentrifugasi total 10 mL larutan dalam tabung mikrosentrifugasi 1,5 mL pada 6000 rpm selama 30 min pada 25 °C. Jumlah total 200 nanoplate perak segitiga dipilih dari gambar TEM untuk menghitung secara statistik distribusi ukuran tepinya.

Magnetit superparamagnetik (Fe3 O4 ) nanopartikel, nanocluster emas, dan nanorod emas disintesis dan dikarakterisasi menurut laporan kami sebelumnya [31,32,33] dan disimpan pada suhu kamar.

Persiapan Model Hewan dengan Ligasi Saluran Empedu Umum

Tikus Wistar betina yang sehat (180–220 g) dan tikus kasar betina (20–22 g) diperoleh dari Shanghai Slac Laboratory Animal Co. Ltd. (Shanghai, Cina). Semua percobaan hewan dilakukan sesuai dengan hukum yang relevan dan pedoman kelembagaan. Semua percobaan hewan telah disetujui oleh Institutional Animal Care and Use Committee Universitas Shanghai Jiao Tong (NO.SYXK2007-0025). Saluran empedu diligasi mengikuti metode yang awalnya dijelaskan oleh Lee dengan beberapa modifikasi [34]. Secara singkat, tikus-tikus ini dibius dengan pentobarbital (25 mg/kg) dan difiksasi pada selembar kayu bedah. Sayatan tengah perut dibuat, dan jaringan perut dipisahkan dengan hati-hati untuk mengekspos CBD dengan jelas. Dua jahitan bedah medis nilon steril (Shanghai Jinhuan Industry CO., Ltd., Shanghai, China), berdiameter 0,2 mm, dipasang di bawah CBD, dan tiga simpul dibuat di kedua ujung segmen CBD (Gbr. 1). 1b, c). Akhirnya, CBD kemudian dipotong di antara kedua ujungnya, diikuti dengan penutupan akhir perut. Pada hari ke-14 setelah ligasi saluran empedu, sampel darah diambil dari masing-masing tikus untuk menguji fungsi hati utama.

Karakterisasi nanoplates perak segitiga. a Spektrum UV-vis dari larutan yang disiapkan. b Gambar TEM dari nanopartikel perak yang dikumpulkan setelah sentrifugasi. c Distribusi ukuran nanoplate perak segitiga yang dipilih (200 nanopartikel dari gambar TEM)

Injeksi Nanopartikel ke Tikus

Setelah menyelesaikan ligasi CBD, 12 ekor mencit secara acak dibagi menjadi empat kelompok:kelompok kontrol 1, kelompok uji lempeng nano perak, kelompok uji nanopartikel magnetik, dan kelompok uji nanoklaster emas. Kelompok kontrol tambahan terdiri dari lima tikus tanpa ligasi CBD. Mencit kelompok kontrol diberi injeksi intravena larutan NaCl 0,9%, sedangkan kelompok uji disuntik dengan suspensi nanopartikel seperti segitiga perak nanoplate, nanopartikel magnetik, nanorod emas, dan nanocluster emas dengan dosis 150 μL ( 550 μg/mL). Keempat suspensi nanopartikel baru didispersikan dengan sonikasi selama 1 menit sebelum digunakan. Mencit dibius dengan inhalasi isofluran 5% sampai tonus otot mengendur, kemudian empat macam suspensi nanopartikel disuntikkan secara intravena masing-masing menggunakan spuit 1 mL.

Distribusi Nanopartikel dalam Jaringan

Pada hari ketujuh setelah injeksi suspensi nanopartikel logam, mencit dianestesi dan jaringan ususnya dikeluarkan, difiksasi dalam formaldehida 10% selama 24 jam dan kemudian dimasukkan parafin. Rotary Microtome Leica RM2135 digunakan untuk menyiapkan bagian setebal 5 m dari sampel tetap. Akhirnya, bagian-bagian tersebut didehidrasi dengan alkohol dan diwarnai dengan hematoxylin dan eosin. Bagian sampel diamati di bawah mikroskop fase kontras (Olympus, RX-71, Jepang).

Pada hari ketujuh setelah injeksi suspensi nanopartikel logam, jaringan usus dan jaringan lambung dikumpulkan segera setelah menskarifikasi tikus dan difiksasi dalam larutan glutaraldehid 2,5%. Sampel tetap didehidrogenasi secara serial dalam etanol dan dilekatkan dengan resin epoksi. Setelah itu, spesimen usus ultra tipis dibuat dan diamati dengan TEM resolusi tinggi (FEI, Tecnai G2 Spirit Biotwin, USA).

Pada hari yang sama, jaringan usus mereka dikumpulkan segera setelah pengorbanan dan dicitrakan dengan menggunakan sistem pencitraan in vivo (sistem pencitraan IVIS-100, Caliper) yang digabungkan dengan kamera charge-coupled device (CCD) keren dan protein fluorescent merah. (DsRed) filter (Caliper Life Sciences). Gambar dan pengukuran sinyal fluoresen diperoleh dan dianalisis dengan perangkat lunak Living Image 3.2 (Caliper Life Sciences).

Konten Logam Feses

Selain itu, semua feses mencit dikumpulkan dalam waktu 7 hari setelah penyuntikan, feses ditimbang dan dicerna dengan aqua regia dengan pemanasan. Akhirnya, kandungan mental logam dalam larutan ditentukan oleh ICP-MS (Agilent 7500a, USA).

Persiapan Ekstrak Herbal Cina

Daun senna 10 g, rhubarb 2 g, dan ekstrak ganja fructus 1 g ditambahkan ke 100 mL air, dipanaskan hingga 100 °C selama 10  menit, dan kemudian disaring dengan dua lapis kain kasa [35]. Akhirnya, filtrat dikumpulkan dan dipekatkan hingga 0,3 g/mL di bawah tekanan tereduksi. Ekstrak daun senna disiapkan seperti di bawah ini dan disimpan pada suhu 4 °C sebelum pengujian dilakukan.

Analisis Sel Piala

Pertama, enam ekor mencit Kunming jantan dipisahkan secara acak menjadi dua kelompok:kelompok kontrol dan kelompok diare; keduanya diperlakukan dengan saline dan ekstrak herbal Cina setiap hari selama 7 hari melalui gavage oral (0,1 mL), masing-masing. Hari ketujuh setelah pemberian gavage, tikus dikorbankan, jaringan usus dikumpulkan, dan jaringan usus dan lambung dibekukan dalam Tissue Tek OCT dan dipotong pada cryostat Leica CM 1510 S (Sakura Funetek, USA). Bagian 8 μm diwarnai dengan Alcian Blue (1% Alcain Blue 8GX dalam 3% asam asetat glasial) selama 5  menit, dan akhirnya dibilas dengan air suling. Sampel ini dioksidasi dalam asam periodik 1% sebelum dicuci dan kemudian diperlakukan selama 15 menit dalam reagen Schiff. Gambar bagian jaringan direkam menggunakan mikroskop terbalik. Jaringan lambung dikumpulkan pada slide bermuatan positif untuk pencitraan pendaran dua foton.

Konten Emas Jaringan Usus dan Kotoran

Secara singkat, 9 ekor mencit Kunming jantan dibagi menjadi masing-masing dari tiga kelompok sesuai dengan perlakuan yang berbeda:kelompok kontrol, kelompok ligasi, dan kelompok ligasi + diare. Kemudian, tikus-tikus ini disuntik secara intravena dengan 100 μL GNR (1 mg/mL). Hari kedua setelah injeksi vena ekor, kelompok kontrol dan ligasi diberi saline, sedangkan kelompok ligasi + diare diobati dengan ekstrak herbal Cina. Dosis pengobatan dijaga konstan dan diberikan setiap hari selama 7 hari berikutnya melalui gavage oral (0,1 mL). Pada hari ketujuh, mencit dikorbankan, dan jaringan usus dibekukan dalam Tissue Tek OCT dan dipotong pada cryostat Leica CM 1510 S (Sakura Funetek, USA). Bagian (8 μm) dikumpulkan pada slide bermuatan positif untuk pencitraan pendaran dua foton. Semua kotoran mencit dikumpulkan setelah disuntik. Feses ditimbang dan dicerna dengan aqua regia di bawah pemanasan. Akhirnya, kandungan mental emas dalam larutan ditentukan oleh ICP-MS (Agilent 7500a, USA).

Analisis Statistik

Setiap percobaan diulang tiga kali dalam rangkap dua. Hasilnya disajikan sebagai mean ± SD. Perbedaan statistik dievaluasi menggunakan t tes dan dipertimbangkan di P < 0,05.

Hasil dan Diskusi

Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel

Pelat nano perak segitiga disintesis dengan metode sintesis termal cepat, menunjukkan kelarutan air yang baik. Lebih penting lagi, bentuk segitiga tertentu dari nanopartikel ini membuatnya mudah untuk diidentifikasi dengan mikroskop elektron. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, dalam spektrum UV-vis, nanopartikel perak yang disiapkan menunjukkan puncak yang kuat pada 648.5 nm sesuai dengan pita plasmon permukaan dipol dalam bidang dan dua puncak sederhana pada panjang gelombang yang lebih rendah, sesuai dengan bidang dalam (482 nm) dan resonansi quadrupole out-of-plane (333 nm), menunjukkan pembentukan arsitektur segitiga [36], yang selanjutnya diverifikasi oleh gambar TEM dari nanopartikel perak yang dikumpulkan setelah sentrifugasi. Gambar TEM (Gbr. 1b) mengungkapkan bahwa kumpulan yang disiapkan memang mengandung subpopulasi nanosfer perak, yang mungkin berkontribusi pada puncak SPR pada 389 nm [36]. Panjang tepi nanoplate perak segitiga yang dikumpulkan adalah 44,3 nm dengan distribusi monodispersi yang baik.

Nanopartikel magnetik dengan diameter 20 nm dan nanocluster Au dengan diameter 5 nm disiapkan, dan karakterisasinya ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S1 dan S2 masing-masing. Gambar TEM dan spektrum UV/vis dari Au nanorods ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S3.

Persiapan Model Tikus Ligasi CBD

Ligasi saluran empedu umum (CBD) adalah model eksperimental terkenal yang digunakan untuk menginduksi fibrosis kolestatik hati [37, 38]. Di sini, kami melakukan percobaan pada tikus dengan ligasi CBD untuk memblokir total hubungan antara HBS dan saluran usus (Gbr. 2a, b), memastikan bahwa nanoplate logam diangkut hanya oleh aliran darah ke jaringan usus setelah injeksi intravena. Dibandingkan dengan kontrol normal, kelompok perlakuan menunjukkan peningkatan yang kuat pada diameter dan ketebalan dinding saluran empedu 14 hari setelah ligasi CBD karena stasis empedu (Gbr. 2d). Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2e, kadar TBIL dan AST pada kelompok ligasi secara signifikan lebih tinggi daripada kelompok kontras. Hasil ini menunjukkan bahwa setelah berhasil membangun model tikus ligasi CBD, saluran empedu yang umum benar-benar diblokir dan bahwa hubungan antara HBS dan saluran usus benar-benar terputus, sehingga menginduksi kolestasis dan fibrosis kolestatik hati [39].

a Sebuah ilustrasi skema hubungan HBS dengan saluran usus. b, k Ligasi CBD (panah putih). d Pembengkakan CBD pada hari ke-14 setelah ligasi CBD (panah putih). e Pemeriksaan fungsi hati utama. *P < 0,05

Pengaruh Empat Jenis Nanopartikel pada Jaringan Usus

Biasanya, epitel usus menyediakan penghalang semi-permeabel yang memungkinkan sejumlah kecil molekul dengan ukuran dan karakteristik yang berbeda untuk melintasi epitel utuh dengan mekanisme aktif dan pasif. Umumnya, semakin besar molekul, semakin kecil kemungkinannya untuk melewati penghalang ini. Namun, begitu lapisan usus meradang atau rusak, epitel usus menjadi lebih sulit untuk menahan partikel asing dan besar saat ruang antar sel terbuka [40, 41]. Mempertimbangkan bahwa nanopartikel dapat menjadi penyebab perubahan patologis jaringan usus dan konsekuensi peningkatan permeabilitas dinding usus, yang menyebabkan nanopartikel melewati dinding usus, kami melakukan pemeriksaan histopatologi jaringan usus setelah terkena empat jenis nanopartikel yang berbeda:nanopartikel magnetik, nanopartikel segitiga perak, nanorod emas, dan nanokluster emas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, tidak ada perbedaan signifikan yang diamati antara kelompok kontrol dan kelompok uji, juga tidak ada perubahan histologis lain seperti infiltrat inflamasi [42]. Hasilnya menunjukkan bahwa nanopartikel logam ini tidak menyebabkan perubahan patologis pada jaringan usus, sehingga menghilangkan kemungkinan kebocoran nanopartikel dari ruang antar sel.

Mikroseksi histopatologi dari sampel jaringan usus tikus yang berbeda dengan ligasi CBD. a Kelompok kontrol:tikus yang diobati dengan injeksi saline melalui vena ekor (panel atas). b Kelompok uji:tikus yang diobati dengan suspensi pelat nano perak segitiga yang disuntikkan melalui vena ekor (panel bawah)

Distribusi Nanopartikel Logam di GC Usus

GC adalah salah satu jenis dari empat jenis sel utama yang ada di seluruh saluran usus dan bertanggung jawab untuk produksi dan pelestarian selimut lendir pelindung dengan mensintesis dan mensekresi glikoprotein berbobot molekul tinggi yang dikenal sebagai musin, yang mendorong eliminasi isi usus dan memberikan garis pertahanan pertama terhadap cedera fisik dan kimia yang disebabkan oleh makanan yang tertelan, mikroba, dan produk mikroba [43, 44]. GC mudah diidentifikasi berkat kandungan lendirnya yang tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, pelat nano perak segitiga terletak di dalam GC usus di seluruh saluran usus, dan fase yang berbeda dari sekresi mereka dari GC dapat diperoleh. Gambar 4d menunjukkan bagaimana beberapa nanoplate perak segitiga telah dikeluarkan dan masuk ke usus oleh GC. Gambar 4e menunjukkan bahwa beberapa nanoplate perak segitiga yang dienkapsulasi dalam isi lendir GC usus siap untuk disekresikan. Pada Gambar 4f, ditampilkan bagaimana beberapa nanoplate perak segitiga telah dikeluarkan dari GC, sementara yang lain masih berada di dalamnya. Dari gambar TEM, kami menemukan bahwa beberapa nanoplate perak segitiga ditampilkan dalam mode agregasi (Gbr. 4 (a2, d dan e), panah hijau), sementara yang lain dalam mode dispersi (Gbr. 4 (a1, b1, b2, c1, c2 dan f), panah putih). Agregasi adalah fenomena umum nanopartikel, dan umumnya diamati ketika konsentrasi mereka sangat meningkat dalam sel [45]. Sebaliknya, penurunan konsentrasi nanopartikel mencegah agregasinya.

Distribusi nanoplate perak segitiga di GC usus tikus dengan ligasi CBD. Kelompok tikus ligasi CBD dirawat dengan nanoplate perak segitiga yang disuntikkan melalui vena ekor 7 hari setelah ligasi. GC usus dari jaringan usus yang berbeda. A Duodenum, nanoplate perak segitiga ditampilkan dalam mode agregasi (panah hijau), sementara beberapa nanoplate sliver segitiga berada dalam mode dispersi (panah putih). B Jejunum, nanoplates perak segitiga yang terletak di usus GC (panah putih). C Ileum dan beberapa nanoplate perak segitiga dikeluarkan, sementara beberapa masih di dalam. D Usus besar, beberapa nanoplate perak segitiga dikeluarkan dan masuk ke usus. E , B Rektum, beberapa nanoplate perak segitiga siap untuk dikeluarkan (mode dispersi, panah putih), sementara yang lain masih di dalam (mode agregasi, panah putih)

Hasil serupa diamati untuk nanocluster emas, nanopartikel magnetik, dan nanorod emas, seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S4, S5, dan S6. Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa ketiga jenis nanopartikel logam ini terletak di dalam GCs dari saluran usus, secara tidak langsung mendukung bahwa nanopartikel logam ini dapat dibersihkan melalui jalur GCs.

Meskipun GC didistribusikan di sepanjang garis saluran usus, kontribusinya terhadap total volume epitel tidak identik. Di usus kecil tikus, kepadatan volume GC meningkat secara progresif dari duodenum ke ileum. Tren ini berlanjut di saluran usus besar dengan kepadatan GC di epitel kolon juga meningkat dari proksimal ke distal, dari kolon ke rektum [43]. Berdasarkan fakta bahwa nanoplate perak segitiga, nanopartikel magnetik, dan nanocluster emas ada di GC usus di seluruh saluran usus, dan bahwa kontribusi GC terhadap total volume epitel sama sekali berbeda, kami percaya bahwa usus besar mungkin yang utama. tempat ekskresi untuk jalur ekskresi GC usus.

Karena bentuknya yang khas, pelat nano perak segitiga mudah dibedakan dengan pencitraan TEM di lokasi yang dijelaskan dalam jalur yang disarankan untuk mencapai GC. Namun, meskipun nanopartikel magnetik dan nanocluster emas tidak dapat dibedakan dari struktur lain menggunakan teknik ini, File tambahan 1:Gambar S4 mengungkapkan bahwa saluran usus kelompok ligasi CBD masih memiliki sejumlah nanocluster emas yang membawa kita ke kesimpulan bahwa mekanisme ekskresi GC yang disebutkan di atas juga berlaku untuk jenis nanopartikel logam lainnya.

Selain itu, seperti yang ditunjukkan File tambahan 1:Gambar S7, hasil ICP-MS dengan jelas menunjukkan bahwa nanopartikel ini masih dapat dikeluarkan dari tubuh tikus ligasi. Hasil ini membuktikan bahwa sel goblet jaringan usus terlibat dalam jalur penting untuk ekskresi nanopartikel.

Mekanisme Potensial Transportasi Nanopartikel Logam di Pembuluh Darah Usus

Hasil yang disebutkan di atas menunjukkan bahwa keempat jenis nanopartikel logam ini (nanopartikel magnetik, nanopartikel segitiga perak, nanorod emas, dan nanocluster emas) didistribusikan di GC di seluruh saluran usus, tetapi cara nanopartikel memasuki GC masih belum jelas. dijelaskan. Karena model tikus dengan ligasi CBD diperlakukan dengan suspensi nanopartikel logam melalui injeksi vena ekor, nanopartikel ini hanya dapat diangkut oleh aliran darah ke pembuluh usus. Seperti diungkapkan oleh pencitraan TEM, beberapa nanoplate perak segitiga memang terletak di sel darah (Gbr. 5a, panah putih). Terlebih lagi, penelitian sebelumnya telah mengungkapkan bahwa nanopartikel dengan ukuran kecil dapat disampaikan oleh sel darah ke seluruh sistem peredaran darah [46]. Dapat dilihat pada Gambar 5b bahwa beberapa nanoplate perak segitiga melewati membran pembuluh darah (panah hijau), sementara beberapa nanoplate perak segitiga terletak di sel darah (panah merah). Oleh karena itu, seperti yang ditunjukkan Gambar 8, kami menyimpulkan bahwa pelat nano perak segitiga diangkut oleh sel darah dan kemudian dilepaskan ke dalam plasma, diikuti dengan melewati membran dinding vaskular pembuluh usus dan akhirnya tiba di GC.

Distribution of triangular silver nanoplates in the intestinal vessels of mice with CBD ligation. a Triangular silver nanoplates located in the blood corpuscle (white arrows). b Triangular silver nanoplates penetrated into the vascular wall (green arrows), while some located in the blood corpuscle (red arrows)

Goblet Cell Analysis Assay

Goblet cells play a key role in the excretion pathway of nanoparticles. In this study, we found that metal nanoparticles can be secreted from these goblet cells. Following this statement, if the secretion process of the goblet cells is accelerated, it would theoretically be possible that the excretion of nanoparticles will also increase. To address this, we established a diarrhea model induced by a Chinese herb used in traditional medicine. In order to explore how diarrheic processes influence the secretion of GCs, a histological analysis of the intestinal GCs was conducted. It must be acknowledged that an increased number of intestinal tissue goblet cells increases the mucin production [47]. As shown in Fig. 6, in the diarrhea groups, the total number of goblet cells in the small intestinal and the large intestinal were significantly higher compared to the controls. In addition, the percentage and number of cavitated goblet cells in the intestinal tissues were significantly higher in the diarrhea groups compared to the controls. These observations let us assert that the amount of intestinal tissue cells increases in response to diarrhea, suggesting an increased excretion by the GCs. These results are consistent with data reported previously [47].

Photomicrographs of intestinal tissue stained with Alcian Blue/Schiff’s reagent to visualize goblet cells. Images are representative of mice treated with saline (Ligation groups) and senna leaf (ligation + diarrhea groups) with arrows indicating non-cavitated goblet cell (green arrow) and cavitated goblet cell (red arrow) secreting mucin. All bars are 100 μm

Gold Contents of the Intestinal Tissues and the Feces

It has been reported that the two-photon action cross-section (TPACS) of a nanorod can reach 2320 GM, which is much higher than that of organic fluorophores and within the range of that of quantum dots, providing a promising approach to detect the distribution of the gold nanorods in biological tissues using two-photon excitation [48, 49]. In this part of the study, in order to observe the intestinal distribution of nanoparticles in the ligation groups and the ligation + diarrhea groups, two-photon luminescence of the AuNRs core was measured. As shown in Fig. 7, the gold contents of small and large intestinal were significantly higher for the ligation groups compared with those observed in ligation + diarrhea groups. The gold elemental contents in intestinal tissues were quantified by ICP-MS 7 days after tail vein injection. The gold contents of intestinal tissues were significantly higher in the ligation groups compared to that in the ligation + diarrhea groups (P  < 0.001) throughout the study (Fig. 7). These results indicate that the level of excreted nanoparticles by the goblet cells of the diarrhea groups is higher than that of any of the other groups.

Two-photon-laser scanning confocal microscopy images of intestinal tissue sections at 7 days after tail vein injection of GNRs (excitation 780 nm, emission 601–657 nm)

In the next experiment, we analyzed the gold contents in the feces of mice. As shown in Fig. 8a, the gold contents of feces were significantly higher in the control group compared to that in the ligation groups or the ligation + diarrhea groups (P  < 0.001). Moreover, in the ligation + diarrhea groups, the gold contents were significantly higher than in the ligation groups (Fig. 8a). These results suggest that diarrhea accelerates the process of nanoparticles being secreted by the intestinal goblets cells. Combined with quantitative analysis of gold elements in feces, we further proved that the goblet cells of intestinal tissues are involved in an important pathway for the excretion of nanoparticles.

Content of GNRs at the intestinal tissues 7 days after injection (a ), and gold element content of feces (b ) based on ICP-MS analysis. ***P  < 0.01, showing a significant difference between ligation groups and ligation + diarrhea groups

Effects of Parietal Cells on Gastric Secretion of Metal Nanoparticles

Parietal cells are mainly distributed in the bottom of the stomach and the gastric body, which secrete hydrochloric acid and internal factor. Furthermore, we found that gold nanoclusters distributed in the gastric tissues of mice with CBD ligation (Additional file 1:Figure S4B). Therefore, we hypothesized that parietal cells may be involved in the excretion of nanoparticles. As expected, from two-photon luminescence images, it was found that gold nanorods are distributed in the gastric tissues (Fig. 9a, b). In addition, as Fig. 9c, d shows, we observed that triangular silver nanoplates are distributed in the parietal cells of gastric tissue. Combined with the previous research results, we speculate that the parietal cells are involved in the secretion of nanoparticles.

Distribution of nanoparticles in the gastric tissue. (a ) dan (b ):Two-photo-laser scanning confocal microscopy images of intestinal tissue sections 7 days after tail vein injection of GNRs (Excitation:780 nm, Emission:601-657 nm). (c ) TEM image of the gastric parietal cells; (d ) Triangular silver nanoplates located in the gastric parietal cells (white arrows)

Conclusions

In summary, we successfully prepared and applied triangular silver nanoplates, magnetic nanoparticles, gold nanorods, and gold nanoclusters as tracking agents. Mice with CBD ligation were treated with the previously prepared nanoparticles via tail vein injection to study the gastric-intestinal tissue distribution and excretion of these nanoparticles. We also analyzed the excretion pathways of gold nanoclusters and magnetic nanoparticles. It must be stated that gold nanoclusters are mainly cleaned away via kidney urinary pathway, whereas magnetic nanoparticles are mainly removed from the organism via HBS pathway. As the excretory capabilities of kidney and HBS for in vivo applications of metal nanoparticles are very limited, the GCs and PCs excretion pathway may provide another important alternative way for the excretion of these nanoparticles. Concerning this issue, we also found that the process of nanoparticles secreted from GCs and PCs is accelerated by diarrhea, further proving that the GCs and PCs represent an important pathway for the excretion of metal nanoparticles. Admittedly, our knowledge is still limited with respect to the in vivo clearance of nanoparticles as, for example, the concrete mechanism underlying the GCs and PCs secretion pathways, and the clearance efficiency of nanoparticles in intestinal GCs, thus further investigations are urgently needed. To sum up, this novel pathway of in vivo clearance of metal nanoparticles has great potential in short-term applications such as new drug design and development, nanoparticle-based labeling and in vivo tracking, and biosafety evaluation of in vivo nanoparticles.

Singkatan

CBD:

Common bile duct

CCD:

Charge-coupled device

GCs:

Goblet cells

GNRs:

Nanorod emas

HBS:

Hepato-biliary

PCs:

Parietal cells

System Fe3 O4 :

Superparamagnetic magnetite

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TPACS:

Two-photon action cross-section


bahan nano

  1. Persiapan dan Peningkatan Aktivitas Hidrogenasi Katalitik Nanopartikel Sb/Palygorskite (PAL)
  2. Electrospun Polymer Nanofibers Dihiasi dengan Nanopartikel Logam Mulia untuk Penginderaan Kimia
  3. Sintesis Mudah Komposit CuSCN Berwarna dan Konduktor Dilapisi Nanopartikel CuS
  4. Studi In Vitro Pengaruh Nanopartikel Au pada Garis Sel HT29 dan SPEV
  5. Novel Biokompatibel Au Nanostars@PEG Nanopartikel untuk Pencitraan CT In Vivo dan Properti Pembersihan Ginjal
  6. Fotokatalis heterojungsi Bi4Ti3O12/Ag3PO4 baru dengan kinerja fotokatalitik yang ditingkatkan
  7. Peningkatan kinerja katalis PdAu/VGCNF anodik baru untuk elektro-oksidasi dalam sel bahan bakar gliserol
  8. Efek Sinergis Ag Nanoparticles/BiV1-xMoxO4 dengan Peningkatan Aktivitas Fotokatalitik
  9. Promosi Pertumbuhan Sel SH-SY5Y oleh Nanopartikel Emas Dimodifikasi dengan 6-Mercaptopurine dan Neuron-Penetrating Peptide
  10. Perbandingan Antara Asam Folat dan Fungsionalisasi Berbasis Peptida gH625 dari Nanopartikel Magnetik Fe3O4 untuk Peningkatan Internalisasi Sel