Merencanakan Dosis Hipertermia Nanopartikel Cs0.33WO3 Teriradiasi NIR untuk Sel Kanker Hepatik HepG2

Metode

Dalam penelitian ini, generasi ke-102 garis sel kanker hati HepG2 yang berasal dari tumor primer manusia dikultur sebagai model eksperimental untuk mengevaluasi sitotoksisitas yang ditimbulkan oleh Cs buatan sendiri yang diiradiasi NIR_0,33 WO₃ NP dan menilai kemanjuran terapeutik dari berbagai dosis termal dengan baik dalam batas aman untuk paparan jaringan kulit dan pada konsentrasi NP yang tidak beracun.

Sintesis Cs _0,33 WO ₃ NP

Panel sebelah kiri pada Gambar 1 mengilustrasikan diagram alir prosedur sintesis cesium tungsten oksida (Cs_0,33 WO₃ ) bahan NP. Singkatnya, bahan kimia prekursor, ((NH₄ )₂ WO₄ ) (Alfa Aesar, kemurnian 99,9%) dan CsCl (Alfa Aesar, kemurnian 99,9%) dilarutkan secara terpisah dalam 100 ml air DI dan kemudian dicampur bersama pada suhu 25 °C dengan pengadukan konstan pada 250 putaran per menit (rpm) menggunakan pemintal yang digerakkan secara magnetis selama satu jam (jam). Setelah pengadukan selesai, suhu beaker yang berisi larutan campuran diatur hingga 180 °C dan dipanggang sampai kadar air larutan benar-benar menguap. Serbuk putih kering yang dihasilkan adalah prekursor akhir dari Cs_0,33 bahan WO3. Dengan chiller dihidupkan, perahu kuarsa yang mengandung bubuk prekursor dimuat ke tengah tabung tungku suhu tinggi, dan tekanan di dalam tabung tungku dibawa ke 0,08 torr. Setelah itu, prekursor dipanaskan pada suhu 500 °C bersamaan dengan pengenalan aliran masuk kombinasi gas, H₂ dan N₂ , dalam rasio 90 sampai 10 standar sentimeter kubik per menit (SCCM) untuk memfasilitasi reaksi redoks. Setelah 1 jam, saluran masuk H₂ gas dimatikan, aliran N₂ gas disesuaikan hingga 100 SCCM, dan suhu tungku dinaikkan hingga 800 °C untuk anil termal selama satu jam. Setelah proses selesai, chiller dan tungku yang dikontrol suhu dimatikan, dan perahu kuarsa didinginkan sampai mencapai suhu sekitar dan dikeluarkan dari tabung tungku. Bubuk biru tua yang dihasilkan dari perahu kuarsa adalah Cs berukuran mikron (µ)_0,33 WO₃ bubuk. Untuk lebih mengecilkan ukuran fitur butiran bubuk, 150 g larutan campuran yang terdiri dari 15 g bubuk, 3,8 g zat pendispersi berbasis kopolimer untuk mencegah partikel dari agregasi, 10 μl zat anti-busa dan DI air disiapkan, dituangkan ke dalam mangkuk sampel yang berisi 600 g manik-manik zirkonia dan dipasang di ruang peralatan nanogrinder (Justnanotech Co., Taiwan). Dengan kecepatan dan suhu yang disetel ke 2400 putaran per menit (RPM) dan 15 °C, NP dihasilkan dengan menggiling bubuk dengan 0,1 mm ZrO₂ manik-manik selama 4 jam, dan dengan 0,05 mm ZrO₂ manik-manik selama 4 jam lagi. Total durasi setiap proses penggilingan tidak melebihi 4 jam untuk menghindari viskositas cairan yang berlebihan serta perubahan ukuran fisik material yang tidak menentu. Solusi akhir setelah proses penggilingan diayak melalui filter pori 0,22 m untuk semua karakterisasi dan percobaan selanjutnya. Versi fluoresensi Cs_0,33 WO₃ NP (fNP) dibuat menggunakan protokol berikut. Larutan yang terbuat dari 2 ml fluorescein dengan konsentrasi 28 mg/ml dan 2 ml Cs_0,33 WO₃ Larutan NP pada 1,5 mg/ml disiapkan dalam gelas kimia dan ditempatkan dalam mangkuk pengocok ultrasonik selama 15 menit. Selanjutnya, larutan NP dan dispersan dicampur dengan perbandingan 1:1,25 dan dilakukan pengocokan ultrasonik selama 15 menit. Larutan yang dihasilkan kemudian dicuci dengan D.I. air dan disentrifugasi pada 10.000 rpm selama 15 menit. dan diulang dua kali sebelum digunakan.

Ilustrasi skema prosedur eksperimental untuk sintesis bahan, inkubasi seluler dengan NP dan uji fototermal pada sel kanker. BCL, TEN dan PD adalah singkatan dari lensa bi-cekung, penutup termal dan cawan petri; panah merah menunjukkan lokasi pengukuran profil balok

Karakterisasi Material

Selanjutnya dilakukan karakterisasi Cs_0,33 WO₃ NP termasuk ukuran fitur statistik NP, struktur kristal, morfologi struktural, bentuk kontur, serapan foto VIS–NIR dilakukan menggunakan analisis potensi zeta (ZS90, Malvern, UK), XRD (D2 Phaser, Bruker AXS GmbH, Jerman), SEM (SU-5000, Hitachi, Jepang) bersama dengan spektrometri dispersi energi (EDS) bawaan, TEM (JEM-2100F, JEOL, Jepang), hamburan cahaya dinamis (DLS) (Delsa Nano C, Beckman Coulter, AS) , spektrometer UV–VIS–NIR (V-750, Jasco, Jepang), masing-masing. Spektrum XRD diperoleh dengan memindai sinar-X pada sampel dalam rentang sudut dari 20° hingga 80° pada kecepatan pemindaian 4° per menit. Sinyal pemindaian difraksi bergantung sudut dari sampel ditentukan dan dibandingkan dengan spektrum XRD standar Cs_0,32 WO₃ dari kartu Komite Bersama Standar Difraksi Serbuk (JCPDS) No. 83-1334. Untuk mengkonfirmasi ketergantungan temporal dari properti fototermal NP, peralatan eksperimental sederhana yang terdiri dari laser NIR dengan panjang gelombang 980 nm dan probe pengukur suhu dipasang untuk menyelidiki keadaan suhu yang ditimbulkan oleh larutan yang diiradiasi NIR. Solusi pemeriksaan termasuk D.I. larutan NP yang diencerkan dengan air dan campuran larutan NP dalam media kultur sel. Diameter berkas optik untuk sampel dalam cawan petri diperluas untuk menutupi seluruh permukaan cawan petri, menghasilkan 0,05 W/cm ² dalam perkiraan kepadatan daya optik, jika tidak, tetap utuh pada 2 W/cm ² . Pengaturan optik yang ditunjukkan pada panel sebelah kanan Gambar 1 digunakan untuk melakukan penyinaran NIR. Inti dari sistem optik adalah sinar laser NIR yang diarahkan ke lensa bi-cekung yang memperluas diameter sinar dari 4 mm menjadi 5,2 cm, setara dengan diameter permukaan cawan petri yang ditempatkan pada pelat panas yang disetel ke 36,8° C, yang merupakan suhu fisiologis untuk pertumbuhan sel; juga, cawan petri dikelilingi oleh wadah silinder plastik untuk membantu menyeimbangkan suhu lingkungan sekitar dan media. File tambahan 1:Gambar. S1 mengilustrasikan pemetaan intensitas optik sinar laser NIR yang diukur di pintu keluar bukaan berkas yang ditunjukkan oleh panah merah di sebelah sinar laser pada Gambar. 1. Profil berkas menunjukkan distribusi 3D dari intensitas optik dan memverifikasi keseragaman medan cahaya di seluruh pembukaan cawan petri.

Pengujian Sitotoksisitas dan Fototermal

Untuk memulai siklus kultur sel, 500 ml larutan medium yang terdiri dari 440 ml campuran nutrisi Ham F-12 dan medium esensial Eagle's (HDMEM) yang dimodifikasi Dulbecco, 50 ml serum janin sapi (FBS), 5 ml L-glutamin dan 5 ml P/S (Penicillin-Streptomycin), yang disterilkan dengan filter mesh dengan ukuran pori 0,22 m, disiapkan. Cawan petri yang berisi sel, berdiameter 10 cm atau 5,2 cm, diisi dengan 8 ml dan 2 ml media digunakan untuk primer dan subkultur dan diinkubasi dalam inkubator yang dikondisikan dengan 5% CO₂ dan pada suhu 37 °C. Pengamatan pertumbuhan sel dan pembaharuan media kultur dilakukan setiap dua hari sekali.

Untuk mendapatkan tingkat kelangsungan hidup untuk kasus uji sel yang mencakup (1) kontrol tanpa input eksternal, (2) iradiasi NIR tunggal, (3) inkubasi dengan NP, dan (4) inkubasi dengan NP bersama iradiasi NIR setelahnya, media kultur dalam cawan kultur disedot, dan 0,4 ml tripsin ditambahkan ke cawan kultur dan ditempatkan di inkubator selama sekitar 10 menit. Setelah pelepasan sel dari dinding cawan dikonfirmasi, 10 l media yang mengandung sel diambil dari cawan kultur dan ditambahkan ke 10 l larutan trypan blue dalam tabung mikrosentrifugasi, dan pembuangan sisa NP mengambang dilakukan melalui beberapa waktu pencucian dengan larutan buffer fosfat (PBS). Setelah itu, penghitungan sel dilakukan dengan mengisi pelat hitung dengan 10 l larutan sel yang diwarnai melalui lubang injeksi, dan sel-sel tersebut dapat diamati pada bidang fokus mikroskop stereo dan dihitung dengan penghitung manual; setiap titik data yang disajikan dalam semua angka tentang tingkat kelangsungan hidup sel adalah rata-rata dari tiga percobaan eksperimental (N = 3) ditambah margin deviasi standar.

Untuk mempersiapkan penilaian sitotoksisitas NP dan efek fototermalnya pada tingkat kelangsungan hidup seluler, media dalam cawan 5,2 cm telah dihapus, diisi kembali dengan jumlah yang tepat dari larutan NP dalam media baru untuk membuat susunan konsentrasi pengujian, 2 mg/ml, 1,5 mg/ml, 1 mg/ml, dan 0,5 mg/ml, lalu diinkubasi selama satu hari sebelum eksperimen.

Sebelum uji fototermal, penilaian sitotoksisitas dilakukan untuk memeriksa respons sel terhadap berbagai konsentrasi NP dan dilakukan sebagai berikut. Media yang mengandung sel dan NP dikeluarkan dari inkubator dan diaspirasi. Satu mililiter PBS yang telah dihangatkan digunakan untuk mencuci sel kanker dan menyedot sisa CsWO yang mengambang₃ NP yang tidak mengalami endositosis, prosedur yang diulang beberapa kali untuk memastikan bahwa kematian seluler potensial tidak disebabkan oleh kenaikan suhu yang diinduksi NP dalam media baru. Setelah perlakuan fototermal, prosedur penghitungan kemudian diimplementasikan untuk uji sitotoksisitas dan fototermal pada sel.

Hasil

Absorbansi optik dan sifat fototermal Cs_0,33 WO₃ nanomaterial sangat tergantung pada struktur kristal, suhu pasca-annealing, stoikiometri atom dan ukuran fitur partikulat [28, 29].

Untuk mengkarakterisasi morfologi permukaan Cs_0,33 WO₃ bubuk, gambar SEM dengan perbesaran 10.000X diperoleh untuk konfirmasi visual struktur ikonik segi enam kolumnar yang ditunjukkan oleh panah merah pada Gambar. 2a. Selain itu, gambar TEM menunjukkan bentuk kontur dan ukuran fitur butiran bubuk pada Gambar. 2b di mana ukuran fiturnya sekitar 1 m atau kurang. Geometri seperti batang NP dan histogram distribusi DLS dari ukuran fitur skala nano yang berpusat di sekitar 120 nm juga diverifikasi dan disajikan pada Gambar. 2c dan gambar TEM sisipan yang sesuai. Juga, karakterisasi kristal dari bubuk dan NP dengan XRD disajikan pada Gambar. 2d. Seperti yang dapat diamati dari spektrum XRD bubuk di panel atas, bidang kristalisasi ikonik di sepanjang (002), (102), (200), (112), (202), (212), (004), (220 ), (222), (204), (400) dan (224) sangat sesuai dengan spektrum standar Cs_0,32 WO₃ dari kartu Komite Bersama Standar Difraksi Serbuk (JCPDS) No. 83-1334. Ketika ukuran fitur bubuk berkurang hingga 120 nm, intensitas semua puncak difraksi berkurang secara monoton, dan beberapa puncak karakteristik yang menunjukkan penyerapan NIR yang kuat, seperti bidang (102) dan (220), dikerdilkan tanpa terlihat dalam spektrum. Demikian pula, identifikasi konstituen atom, cesium (Cs), tungsten (W) dan oksigen (O), yang ditunjukkan pada Gambar. 2e, tidak hanya menegaskan keberadaan atomnya, tetapi juga mengotentikasi rasio persentase atom Cs terhadap W, 0,315 , sangat mirip dengan stoikiometri yang dirancang sebelumnya.

Karakterisasi fisik dan material. a SEM dan b Gambar TEM dari bubuk, c Histogram distribusi DLS ukuran fitur NP, d Spektrum XRD dari powder dan 120 nm NP, dan e Spektrum EDS dengan persentase komposisi atom disajikan. Bilah skala di a , b , c masing-masing adalah 1,5 μm, 200 nm, dan 100 nm

Di atas karakterisasi material, spektrum absorbansi optik NP dan modulasi fototermal jalur waktu dalam suhu diukur dan disajikan pada Gambar. 3 Dalam (a, b), ketergantungan absorbansi NIR dan profil kenaikan suhu yang disebabkan oleh NIR -larutan NP yang diiradiasi sebagai fungsi konsentrasi NP digambarkan, di mana plot suhu perjalanan waktu 1 mg/ml, misalnya, mencapai 40 °C, dan tetap stabil selama setidaknya 1 jam untuk memastikan stabilitas dan daya tahan fototermal material . Demikian pula, profil suhu jalur waktu pada Gambar. 3c mengilustrasikan 5 siklus berulang dalam 190 menit, memverifikasi respons fototermal bahan NP. Pada Gambar. 3d, profil suhu temporal dari media kultur dan media kultur yang digabungkan dengan NP, dikeluarkan dari inkubator, ditempatkan pada hotplate dan menjalani iradiasi NIR, stabil pada sekitar 37 °C selama 10 menit, dan suhu larutan NP murni yang diiradiasi NIR naik dari 24,6 °C hingga 33,6 °C setelah 10 menit. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan fungsionalitas fototermal NP, penyinaran NIR untuk eksperimen berikut dilakukan selama 10 menit, 30 menit, dan 60 menit, mempertahankan kekokohan NP selama sesi eksperimen dan berpotensi berlaku untuk studi pra-klinis.

Sifat optik dan fototermal. a Spektrum serapan optik dan profil suhu jalur waktu larutan NP yang diiradiasi NIR dalam b , c sebuah kuvet dan dalam d cawan petri digambarkan. Ex melambangkan profil kasing balok yang diperluas; Konsentrasi NP 1,5 mg/ml dan kepadatan daya optik 50 mW/cm ² digunakan dalam (d ); durasi penyinaran NIR per siklus dalam c adalah 15 mnt

Selanjutnya, dosis non-toksik parameter eksperimental termasuk durasi penyinaran NIR dan konsentrasi NP ditentukan dengan penyinaran sel selama 1 jam dan 2 jam pada 50 mW/cm ² dan melalui interaksi langsung dengan NP dengan konsentrasi 0,5 mg/ml, 1 mg/ml, 1,5 mg/ml, dan 2 mg/ml, yang masing-masing digambarkan pada Gambar 4a, b. Tingkat kelangsungan hidup sel tetap jauh di atas 95% selama 2 jam penyinaran NIR, memastikan sel tidak beracun untuk paparan jangka panjang terhadap foton 980 nm, dan juga, konsentrasi NP tidak beracun di bawah 1,5 mg /ml telah ditentukan.

Uji sitotoksisitas parameter eksperimental. Tingkat kelangsungan hidup sel HepG2 ketika diberi dosis a durasi penyinaran NIR, b NP 120-nm dari berbagai konsentrasi disajikan. Durasi inkubasi NP adalah satu hari; simpangan baku dari tiga percobaan percobaan (N = 3) untuk setiap titik data ditunjukkan

Tujuan pemberian dosis sel kanker pada 1,5 mg/ml atau lebih rendah, yang hampir tidak memiliki efek merusak pada sel HepG2, adalah untuk menguji efek dosis fototermal pada sel kanker tanpa implikasi toksisitas bawaan NP. Untuk memeriksa apakah NP yang diiradiasi NIR dapat menjadi solusi yang layak untuk menghilangkan sel kanker, sel diinkubasi dengan NP pada 1,5 mg/ml selama sehari, dan selanjutnya, dikenakan radiasi NIR selama 1 jam. Seperti yang dapat dilihat dari gambar optik bidang terang (BF) pada Gbr. 5d–f, jumlah sel jelas berkurang ketika waktu pemaparan berlangsung 1 jam (e) atau 2 jam (f). Secara kuantitatif, tingkat kelangsungan hidup berkurang secara monoton dari 84,2% menjadi 58,4% seiring dengan meningkatnya durasi penyinaran dari 10 menit. hingga 1 jam, dan garis trendi linier sangat cocok di antara titik data yang tersebar, yang memprediksi 20% tingkat kelangsungan hidup saat penyinaran berlangsung selama 2 jam. Selain itu, Gambar 5h menunjukkan bahwa selama 1 jam penyinaran, tingkat kelangsungan hidup menurun dari 73 menjadi 58% karena densitas daya optik meningkat dari 12,5 menjadi 50 mW/cm ² , memastikan fungsionalitas NP yang disinari NIR sebagai pemicu fototermal dalam penghancuran sel kanker.

Uji fototermal. Tingkat kelangsungan hidup sel HepG2 saat diberi dosis dengan konsentrasi NP 1,5 mg/ml bersama penyinaran NIR. Bilah skala masing-masing pada a –c atas dan d –f baris bawah gambar optik BF adalah 200 μm dan 100 μm. Simpangan baku dari tiga percobaan percobaan (N = 3) untuk setiap titik data ditunjukkan

Lebih lanjut, ketidakpastian apakah tindakan fototermal tersebut terjadi dengan cara intra-seluler atau ekstraseluler diatasi dengan menyiapkan fNP, melakukan prosedur pencucian dan inkubasi yang sama, dan mengamati keberadaan fNP intraseluler. Gambar 6 mengilustrasikan gambar confocal BF (b, e) dan fluoresensi (a, d) dan komposit yang ditumpangkan (c, f) dari sel yang diinkubasi dengan dan tanpa fNP. Terbukti, sel-sel tanpa inkubasi fNP sebagai kontrol menunjukkan fluoresensi hijau yang dapat diabaikan, yang terutama dikaitkan dengan autofluoresensi seluler, berdiri sangat kontras dengan eksperimental di mana distribusi fluoresensi hijau ada di mana-mana dalam semua sitoplasma yang ditemukan pada gambar. Intensitas fluoresensi rata-rata dalam gambar kontrol dan sampel eksperimental juga diukur dan disajikan dalam histogram Gambar 6g di mana fluoresensi fNP yang menjalani endositosis setidaknya sembilan kali lipat lebih kuat dari kontrol.

Gambar confocal optik. a , d fluoresensi, b , e BF dan c , f gambar optik komposit sel HepG2 yang diinkubasi dengan dan tanpa fNP, sebagai kelompok eksperimen dan kontrol yang sesuai, disajikan dalam a –c atas dan d –f baris bawah di samping g histogram intensitas fluoresensi rata-rata. Bilah skala mewakili 20 μm; panjang gelombang eksitasi laser adalah 488 nm

Diskusi

Konsep terapi hipertermia menggunakan gelombang elektromagnetik dalam menyembuhkan penyakit kanker sudah ada sejak awal 1900-an dan berhasil meredakan beberapa bentuk keganasan, tetapi bagaimanapun, telah berkurang karena kegunaan agen antibakteri pemicu demam dan kurangnya ketepatan. aksesibilitas ke tumor lokal yang menarik di situ [30]. Tidak sampai tahun 1980-an, minat itu dihidupkan kembali dengan beberapa penelitian in vitro yang menemukan banyak aspek perubahan metabolisme, perubahan mikrosirkulasi tumor dan asidolisis setelah pengobatan hipertermia menghasilkan efek mematikan pada sel kanker [31]. Secara mekanis, selain sitotoksisitas langsung di mana sel kanker mengalami nekrosis dengan penurunan apoptosis ketika suhu yang diterapkan  > 42 °C, penurunan laju aliran darah terkait dengan kemampuan pendinginan yang lebih rendah dan pH rendah (< 6.8) membuat sel kanker lebih rentan terhadap pemanasan dan akibatnya, tingkat pembunuhan sel yang lebih tinggi [32, 33]. Namun, secara klinis, karena kelemahan lokalisasi non-spesifik yang tidak tepat, hipertermia hanya menemukan peningkatan kemanjuran terapeutik bila diterapkan bersamaan dengan terapi kemoterapi atau radiasi [34, 35].

Bahan berbasis NP yang memungkinkan penargetan dan pemantauan yang tepat, dan memiliki berbagai sifat fisik seperti muatan permukaan, fluoresensi, konversi fototermal, cocok dengan baik ke dalam ceruk ketidaktepatan tersebut dalam aplikasi hipertermia. Namun, terlepas dari kegunaan yang terbukti dari banyak bahan NP yang diiradiasi NIR dalam studi sel kanker, batas keamanan paparan foto sering tidak diperiksa dengan baik seperti dalam kasus CsWO₃ NP. CsWO₃ NP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, memiliki sitotoksisitas yang relatif rendah pada 1,5 mg/ml bila dibandingkan dengan beberapa bahan NP populer, seperti Ag, Au, graphene, yang ambang batasnya terletak pada skala 1 g/ml [ 18, 36, 37], masih membutuhkan 0,7 W/cm ² untuk penghancuran efektif sel Hela meskipun penyerapan NIRnya kuat dalam rentang panjang gelombang dari 800 nm hingga 2400 nm [15, 25, 26].

Kajian penelitian ini bertujuan untuk merancang pemicu iradiasi NIR yang efektif, Cs_0,33 WO₃ Formula dosis termal berbasis NP untuk sel kanker HepG2 in vitro sebagai fungsi konsentrasi NP, durasi penyinaran, dan kepadatan daya optik dengan baik dalam batas paparan NIR untuk jaringan kulit.

Percobaan dimulai dengan sintesis NP, di mana prosedur sintetik langkah demi langkah termasuk reaksi redoks, proses anil dan metode penggilingan basah diuraikan pada Gambar. 1. Reaksi redoks menggabungkan elemen terner besar, Cs dalam hal ini, ke dalam cincin struktur oktahedral WO₆ dalam lingkungan fisik yang tepat, memungkinkan pembentukan struktur kristal khusus dan penggabungan elektron bebas ke dalam senyawa molekul logam, yang merupakan alasan intrinsik untuk konversi fototermal yang kuat pada penyerapan NIR [26, 27]. Juga, proses anil dan penggilingan basah berikutnya membantu memperbaiki pembentukan kristal dan mengurangi ukuran fitur partikulat yang selanjutnya meningkatkan konversi fototermal NIR. Setelah itu, larutan NP yang disintesis dilanjutkan dengan serangkaian karakterisasi fisik dan material yang memverifikasi ukuran fitur rata-rata 120 nm, optimasi kritis penyerapan NIR, dan mengotentikasi komposisi atom (Gbr. 2). Selain itu, pengukuran potensial zeta yang sesuai untuk 0,5 mg/ml, 1 mg/ml, dan 1,5 mg/ml adalah − 53,2 mV,  54,3 mV,  60,1 mV. Umumnya, proses endositosis adalah jalur masuk utama untuk sebagian besar jenis NP, dan tingkat penyerapan NP kationik dan ionik untuk sel non-fagosit lebih tinggi daripada entitas netral, meskipun yang pertama berkinerja lebih baik daripada yang berikutnya [38]. Juga, banyak laporan sebelumnya menemukan NP bermuatan negatif kurang toksik terhadap sel non-fagosit [39, 40], yang merupakan manfaat menguntungkan ketika akumulasi NP intraseluler berlebihan untuk dosis fototermal disertai dengan toksisitas rendah dipertimbangkan.

To set up a tone for the photothermal assay upon the HepG2 cells, the assessment of the NPs' robustness as a photothermal heater, its long-term stability at saturated temperature in equilibrium with the ambient environment over an hour and the repeatability for 5 consecutive cycles within 3 h were demonstrated (Fig. 3b, c). Also, to quantify the effectiveness of the NP's hyperthermia per se in dosing the cancer cells by ruling out the influence of ambient temperature (nominally at 25 °C), a calibration of the experimental apparatus was implemented by setting a hotplate to 37 °C, atop which all cell assays were carried out, and the temporally photothermal characteristics of the pure culture medium and NP-incorporated culture medium remained at 37.1 °C (Fig. 3d). Thereafter, the dependence of cytotoxicity on the duration of irradiation and NP concentration was examined separately and is presented in Fig. 4 indicating less than 5% of cell killing for over 2 h of NIR-irradiation and 1.5 mg/ml as the pivotal point toward lethal concentration. By fixing the NP concentration at 1.5 mg/ml, which was used throughout the rest of photothermal assay, the thermal dose for medical hyperthermia was defined as functions of variable dosing duration and optical power density. Figure 5 illustrates the action of cell killing with low (a–c) and high (d–f) magnification when NIR-irradiation for 0 h, 1 h and 2 h was implemented, the seemingly reduced number in the cells reflects well the quantitative analysis of cell survival rate as shown in (g), and the linear trend line predicts 80% of cell death for 2 h of irradiation. Likewise, the decrease in cell survival rate upon the incremental optical power density is also demonstrated in (h). Lastly, as clearly depicted by the BF, fluorescence and superimposed composite images in Fig. 6, in which a histogram of fluorescence analysis was presented, the endocytosis of the fNPs was verified.

Kesimpulan

In summary, this study presents material synthesis and characterization of Cs_0.33 WO₃ NPs, examines in vitro cytotoxicity assays of the direct NPs interaction, and separately, with NIR irradiation, and proves the endocytosis of the NPs as well as effectiveness of the NIR-irradiated NPs upon destructing the HepG2 cancer cells. Moreover, this study suggests a combinative dose of the NIR-irradiated Cs_0.33 WO₃ NPs solution for the HepG2 cancer cells, 1.5 mg/ml of NP concentration, the duration of irradiation between 30 min. to 1 h, and optical power densities of NIR irradiation under 50 mW/cm ² which is well below the safety NIR exposure limit for skin tissue while allowing cancer cell mortality rate close to 40% and may be potentially applicable to the development of patient-friendly and personalized medicine. Such studies in a clinical setting will require additional measures like surface modification with molecules that recognize surface receptors of specific cancer cell types.

Ketersediaan data dan materi

All data are fully available without any restriction.

Singkatan

NP:

Nanopartikel

fNPs:

Fluorescence version of Cs_0.33 WO₃ nanoparticles

NIR:

Inframerah dekat

UV–VIS–NIR:

Ultraviolet–visible–near-infrared

REDOX:

Oxidation-reduction

DLS:

Hamburan cahaya dinamis

XRD:

difraksi sinar-X

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

EDS:

Spektroskopi sinar-X dispersi energi

RF:

Radiofrequency

ICNRP:

International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

MIN:

Minutes

SCCM:

Standard cubic centimeter per minute

μ:

Micron

RPM:

Round per minute

JCPDS:

Komite Bersama Standar Difraksi Serbuk

DI:

Dideionisasi

BF:

Bright field

Biosensor metamaterial terahertz semua-logam untuk deteksi protein Sintesis Nanopartikel SPIO dan Aplikasi Selanjutnya dalam Pelabelan Sel Punca untuk Penyakit Parkinson