Ketergantungan Toksisitas Nanopartikel pada Sifat Fisika dan Kimianya

Latar Belakang

Organisasi Internasional untuk Standardisasi mendefinisikan nanopartikel (NP) sebagai struktur yang ukurannya dalam satu, dua, atau tiga dimensi berada dalam kisaran 1 hingga 100 nm. Terlepas dari ukuran, NP dapat diklasifikasikan berdasarkan parameter fisiknya, misalnya muatan listrik; karakteristik kimia, seperti komposisi inti atau cangkang NP; bentuk (tabung, film, batang, dll.); dan asal:NP alami (NP yang terkandung dalam debu vulkanik, partikel virus, dll.) dan NP buatan, yang menjadi fokus tinjauan ini.

Nanopartikel telah banyak digunakan dalam elektronik, pertanian, produksi tekstil, obat-obatan, dan banyak industri dan ilmu pengetahuan lainnya. Toksisitas NP untuk organisme hidup, bagaimanapun, adalah faktor utama yang membatasi penggunaannya dalam pengobatan dan diagnosis penyakit. Saat ini, para peneliti sering menghadapi masalah keseimbangan antara efek terapeutik positif NP dan efek samping yang terkait dengan toksisitasnya. Dalam hal ini, pilihan model eksperimental yang memadai untuk memperkirakan toksisitas antara in vitro (garis sel) dan in vivo (hewan percobaan) sangat penting. Efek toksik NP pada komponen sel individu dan jaringan individu lebih mudah untuk dianalisis dalam model in vitro, sedangkan eksperimen in vivo memungkinkan untuk memperkirakan toksisitas NP untuk organ individu atau tubuh secara keseluruhan. Selain itu, kemungkinan efek toksik NP tergantung pada konsentrasinya, durasi interaksinya dengan materi hidup, stabilitasnya dalam cairan biologis, dan kapasitas akumulasi dalam jaringan dan organ. Pengembangan NP biokompatibel yang aman yang dapat digunakan untuk diagnosis dan pengobatan penyakit manusia hanya dapat didasarkan pada pemahaman yang lengkap tentang interaksi antara semua faktor dan mekanisme yang mendasari toksisitas NP.

Aplikasi Medis dari Nanopartikel

Dalam kedokteran, NP dapat digunakan untuk tujuan diagnostik atau terapeutik. Dalam diagnosis, mereka dapat berfungsi sebagai label fluoresen untuk mendeteksi biomolekul dan patogen dan sebagai agen kontras dalam resonansi magnetik dan penelitian lainnya. Selain itu, NP dapat digunakan untuk pengiriman obat yang ditargetkan, termasuk zat protein dan polinukleotida; dalam terapi fotodinamik dan penghancuran termal tumor, dan dalam perbaikan prostetik [1,2,3,4,5,6]. Beberapa jenis NP telah berhasil digunakan di klinik untuk penghantaran obat dan pencitraan sel tumor [7,8,9].

Contoh penggunaan NP emas telah terakumulasi baru-baru ini. Mereka telah terbukti menjadi pembawa kemoterapi dan obat-obatan lain yang efisien. NP emas sangat biokompatibel; namun, meskipun emas sebagai zat bersifat inert terhadap objek biologis, tidak dapat dikatakan bahwa hal yang sama berlaku untuk NP emas, karena belum ada data konklusif tentang tidak adanya efek toksik yang tertunda [10]. Selain NP emas, yang berbasis misel, liposom [11], dan polimer dengan "molekul penangkap" yang terpasang [12] sudah digunakan sebagai pembawa obat. Tabung nano berdinding tunggal dan berdinding banyak adalah contoh yang baik dari NP yang digunakan untuk penghantaran obat. Mereka cocok untuk melampirkan berbagai kelompok fungsional dan molekul untuk pengiriman yang ditargetkan, dan bentuknya yang unik memungkinkan mereka untuk secara selektif menembus penghalang biologis [13]. Penggunaan NP sebagai pembawa obat meningkatkan spesifisitas pengiriman dan mengurangi jumlah minimum NP yang diperlukan untuk mencapai dan mempertahankan efek terapeutik, sehingga mengurangi toksisitas akhirnya. Hal ini sangat penting dalam kasus agen kemoterapi dan radioterapi yang sangat beracun dan berumur pendek [14].

Titik kuantum (QDs) merupakan kelompok NP lain dengan potensi tinggi untuk penggunaan klinis. QD adalah nanokristal semikonduktor dari ukuran 2 hingga 10 nm. Kapasitas mereka untuk fluoresensi di daerah spektral yang berbeda, termasuk yang inframerah [15], membuat mereka cocok untuk pelabelan dan pencitraan sel, struktur sel, atau agen biologis patogen, serta berbagai proses dalam sel, jaringan, dan tubuh secara keseluruhan [ 16,17,18], yang memiliki implikasi diagnostik penting [19, 20]. NP berdasarkan oksida besi superparamagnetik secara efisien digunakan sebagai agen kontras dalam magnetic resonance tomography (MRT) untuk pencitraan hati, sumsum tulang, dan jaringan kelenjar getah bening [21]. Ada juga contoh di mana nanotube karbon berdinding tunggal berlabel radioaktif yang difungsikan dengan fosfolipid digunakan untuk pelabelan tumor yang mengandung integrin dan deteksi selanjutnya melalui tomografi emisi positron dalam percobaan pada tikus [22].

Nanopartikel juga telah digunakan dalam merancang biosensor, termasuk yang berbasis karbon nanotube untuk mengukur kadar glukosa [23], mendeteksi fragmen dan wilayah DNA tertentu [24], dan mengidentifikasi sel bakteri [25].

NP perak (atau yang mengandung perak) memberikan efek antimikroba dan sitostatik; untuk alasan ini, mereka banyak digunakan dalam pengobatan, misalnya, untuk mengobati perban, instrumen bedah, prostesis, dan kontrasepsi [13, 22]. NP perak telah dilaporkan berfungsi sebagai agen pengawet yang efektif dan aman dalam industri kosmetik [26].

Namun, NP mungkin masih sangat beracun, bahkan jika keamanan penggunaan banyak konstituen kimianya dalam pengobatan telah terbukti. Efek toksik mungkin disebabkan oleh sifat fisik dan kimianya yang unik, yang mendasari mekanisme interaksi spesifik dengan sistem kehidupan. Secara umum, ini menentukan pentingnya mempelajari penyebab dan mekanisme potensi efek toksik NP.

Mekanisme Toksisitas Nanopartikel

Toksisitas NP sangat ditentukan oleh karakteristik fisik dan kimianya, seperti ukuran, bentuk, luas permukaan spesifik, muatan permukaan, aktivitas katalitik, dan ada tidaknya cangkang dan gugus aktif di permukaan.

Ukuran kecil NP memungkinkan mereka untuk menembus penghalang epitel dan endotel ke dalam getah bening dan darah untuk dibawa oleh aliran darah dan aliran getah bening ke berbagai organ dan jaringan, termasuk otak, jantung, hati, ginjal, limpa, sumsum tulang, dan sistem saraf [27, 28], dan diangkut ke dalam sel melalui mekanisme transcytosis atau hanya berdifusi ke dalamnya melalui membran sel. Nanomaterials juga dapat meningkatkan akses ke aliran darah melalui konsumsi [29, 30]. Beberapa nanomaterial dapat menembus kulit [31, 32] dan bahkan partikel mikro yang lebih besar dapat menembus kulit ketika tertekuk [33]. Nanopartikel, karena ukurannya yang kecil, dapat ekstravasasi melalui endotelium di tempat inflamasi, epitel (misalnya, saluran usus dan hati), tumor atau menembus mikrokapiler [34]. Eksperimen yang memodelkan efek toksik NP pada tubuh telah menunjukkan bahwa NP menyebabkan trombosis dengan meningkatkan agregasi trombosit [35], radang saluran pernapasan atas dan bawah, gangguan neurodegeneratif, stroke, infark miokard, dan gangguan lainnya [36,37,38] ]. Perhatikan bahwa NP dapat memasuki tidak hanya organ, jaringan, dan sel, tetapi juga organel sel, misalnya mitokondria dan inti; ini dapat secara drastis mengubah metabolisme sel dan menyebabkan lesi DNA, mutasi, dan kematian sel [39].

Toksisitas QDs telah terbukti berhubungan langsung dengan kebocoran ion logam bebas yang terkandung dalam intinya, seperti kadmium, timbal, dan arsenik, pada oksidasi oleh agen lingkungan. QDs dapat diserap oleh mitokondria dan menyebabkan perubahan morfologi dan disfungsi organel [40]. Masuknya QD berbasis kadmium ke dalam sel dan pembentukan Cd bebas ²⁺ ion menyebabkan stres oksidatif [41, 42].

Studi terbaru menunjukkan bahwa kontak jaringan paru-paru dengan NP berukuran sekitar 50 nm menyebabkan perforasi membran sel alveolar tipe I dan resultan masuknya NP ke dalam sel. Hal ini, pada gilirannya, menyebabkan nekrosis sel, sebagaimana dibuktikan oleh pelepasan laktat dehidrogenase [43]. Ada bukti bahwa penetrasi QD meningkatkan fluiditas membran sel [44]. Di sisi lain, pembentukan spesies oksigen reaktif (ROS) yang diinduksi oleh peroksidasi lipid membran dapat menyebabkan hilangnya fleksibilitas membran, yang, serta fluiditas tinggi yang tidak normal, pasti mengakibatkan kematian sel.

Interaksi NP dengan sitoskeleton juga dapat merusaknya. Misalnya, TiO₂ NP menginduksi perubahan konformasi tubulin dan menghambat polimerisasi [45], yang mengganggu transportasi intraseluler, pembelahan sel, dan migrasi sel. Pada sel endotel vena umbilikalis manusia (HUVECs), kerusakan sitoskeleton menghambat pematangan kompleks perekat koordinasi yang menghubungkan sitoskeleton dengan matriks ekstraseluler, sehingga mengganggu pembentukan jaringan vaskular [46].

Selain itu, sitotoksisitas NP dapat mengganggu diferensiasi sel dan sintesis protein, serta mengaktifkan gen proinflamasi dan sintesis mediator inflamasi. Perlu dicatat secara khusus bahwa mekanisme perlindungan normal tidak mempengaruhi NP; serapan makrofag nanopartikel PEGylated besar lebih efisien daripada serapan yang kecil, yang menyebabkan akumulasi NP dalam tubuh [47]. NP oksida besi superparamagnetik telah terbukti mengganggu atau sepenuhnya menekan diferensiasi osteogenik sel induk dan mengaktifkan sintesis molekul sinyal, antigen tumor, dll. [48, 49]. Selain itu, interaksi NP dengan sel meningkatkan ekspresi gen yang bertanggung jawab untuk pembentukan lisosom [50], mengganggu fungsinya [51], dan menghambat sintesis protein [52, 53]. Sebuah studi tentang efek toksik NP dari komposisi yang berbeda pada sel epitel paru-paru dan garis sel tumor manusia telah menunjukkan bahwa NP merangsang sintesis mediator inflamasi, misalnya, interleukin 8 [54]. Menurut Park, yang mempelajari ekspresi sitokin proinflamasi in vitro dan in vivo, ekspresi interleukin 1 beta (IL-1β) dan tumor necrosis factor alpha (TNFα) ditingkatkan sebagai respons terhadap NP silikon [55].

Oksidasi, serta aksi berbagai enzim pada cangkang dan permukaan NP, menghasilkan degradasi dan pelepasan radikal bebas. Selain efek toksik radikal bebas yang diekspresikan sebagai oksidasi dan inaktivasi enzim, mutagenesis, dan gangguan reaksi kimia yang menyebabkan kematian sel, degradasi NP menyebabkan perubahan atau hilangnya fungsinya sendiri (misalnya, hilangnya momen magnetik). dan perubahan spektrum fluoresensi dan transpor atau fungsi lainnya) [56, 57].

Singkatnya, mekanisme yang paling umum dari sitotoksisitas NP adalah sebagai berikut:

1. 1.

   NP dapat menyebabkan oksidasi melalui pembentukan ROS dan radikal bebas lainnya;

2. 2.

   NP dapat merusak membran sel dengan melubanginya;

3. 3.

   NP merusak komponen sitoskeleton, mengganggu transportasi intraseluler dan pembelahan sel;

4. 4.

   NP mengganggu transkripsi dan merusak DNA, sehingga mempercepat mutagenesis;

5. 5.

   NP merusak mitokondria dan mengganggu metabolismenya, yang menyebabkan ketidakseimbangan energi sel;

6. 6.

   NP mengganggu pembentukan lisosom, sehingga menghambat autophagy dan degradasi makromolekul dan memicu apoptosis;

7. 7.

   NP menyebabkan perubahan struktural pada protein membran dan mengganggu transpor zat masuk dan keluar sel, termasuk transpor antar sel;

8. 8.

   NP mengaktifkan sintesis mediator inflamasi dengan mengganggu mekanisme normal metabolisme sel, serta metabolisme jaringan dan organ (Gbr. 1).

Mekanisme kerusakan sel oleh nanopartikel. (1) Kerusakan fisik membran [43, 67, 75]. (2) Perubahan struktural dalam komponen sitoskeleton [45, 46]. (3) Gangguan transkripsi dan kerusakan oksidatif DNA [61, 62]. (4) Kerusakan mitokondria [39, 40]. (5) Gangguan fungsi lisosom [51]. (6) Generasi spesies oksigen reaktif [61]. (7) Gangguan fungsi protein membran [172]. (8) Sintesis faktor inflamasi dan mediator [54, 55]

Meskipun ada banyak mekanisme toksisitas NP, perlu untuk menentukan dan mengklasifikasikan jenis dan mekanisme masing-masing efek toksik tertentu dari NP tergantung pada sifat fisik dan kimianya.

Hubungan Toksisitas Nanopartikel dengan Sifat Fisika dan Kimianya

Toksisitas NP dianggap tergantung pada karakteristik fisik dan kimianya, termasuk ukuran, bentuk, muatan permukaan, komposisi kimia inti dan cangkang, dan stabilitas. Secara khusus, Oh et al., menggunakan meta-analisis data dari 307 makalah yang menjelaskan 1741 sampel data terkait viabilitas sel, baru-baru ini menganalisis toksisitas titik kuantum CdSe. Telah ditunjukkan bahwa nanotoksisitas QD berkorelasi erat dengan sifat permukaannya (termasuk cangkang, ligan, dan modifikasi permukaan), diameter, jenis uji toksisitas yang digunakan, dan waktu pemaparan [58]. Manakah dari faktor-faktor ini yang paling penting ditentukan oleh tugas dan model eksperimental tertentu; oleh karena itu, sekarang kita akan mempertimbangkan setiap faktor secara terpisah.

Ukuran dan Toksisitas Nanopartikel

Ukuran NP dan luas permukaan memainkan peran penting, sebagian besar menentukan mekanisme unik interaksi NP dengan sistem kehidupan. NP dicirikan oleh luas permukaan spesifik yang sangat besar, yang menentukan kapasitas reaksi dan aktivitas katalitiknya yang tinggi. Ukuran NP (dari 1 hingga 100 nm) sebanding dengan ukuran globul protein (2–10 nm), diameter heliks DNA (2 nm), dan ketebalan membran sel (10 nm), yang memungkinkannya untuk dengan mudah memasuki sel dan organel sel. Misalnya, Huo et al. telah menunjukkan bahwa NP emas tidak lebih besar dari 6 nm secara efektif memasuki inti sel, sedangkan NP besar (10 atau 16 nm) hanya menembus membran sel dan hanya ditemukan di sitoplasma. Ini berarti bahwa NP yang berukuran beberapa nanometer lebih beracun daripada NP 10 nm atau lebih besar, yang tidak dapat memasuki nukleus [59]. Pan dkk. telah melacak ketergantungan toksisitas NP emas pada ukurannya dalam kisaran 0,8 hingga 15 nm. NP berukuran 15 nm telah terbukti 60 kali lebih toksik dibandingkan NP 1,4 nm untuk fibroblas, sel epitel, makrofag, dan sel melanoma. Perlu juga dicatat bahwa NP 1,4-nm menyebabkan nekrosis sel (dalam 12 jam setelah penambahannya ke media kultur sel), sedangkan NP 1,2-nm sebagian besar menyebabkan apoptosis [60]. Data ini menunjukkan tidak hanya bahwa NP dapat memasuki nukleus, tetapi juga bahwa korespondensi ukuran geometris NP (1,4 nm) dengan alur utama DNA memungkinkan mereka untuk berinteraksi secara efektif dengan tulang punggung DNA gula-fosfat bermuatan negatif dan memblokir transkripsi [61, 62].

Selain itu, ukuran NP sangat menentukan bagaimana NP berinteraksi dengan sistem transportasi dan pertahanan sel dan tubuh. Interaksi ini, pada gilirannya, mempengaruhi kinetika distribusi dan akumulasinya di dalam tubuh. Makalah tinjauan oleh [63] menyajikan pertimbangan teoretis dan banyak data eksperimental yang menunjukkan bahwa NP yang lebih kecil dari 5 nm biasanya mengatasi hambatan sel secara nonspesifik, misalnya melalui translokasi, sedangkan partikel yang lebih besar memasuki sel melalui fagositosis, makropinositosis, dan mekanisme transpor spesifik dan nonspesifik. . Ukuran NP sekitar 25 nm diyakini optimal untuk pinositosis, meskipun ini juga sangat tergantung pada ukuran dan jenis sel [63, 64]. Eksperimen in vivo telah menunjukkan bahwa NP yang lebih kecil dari 10 nm didistribusikan dengan cepat di antara semua organ dan jaringan setelah pemberian intravena, sedangkan sebagian besar NP yang lebih besar (50-250 nm) ditemukan di hati, limpa, dan darah [65]. Ini menunjukkan bahwa NP besar dikenali oleh sistem pertahanan spesifik tubuh dan diserap oleh sistem fagosit mononuklear, yang mencegahnya memasuki jaringan lain. Selain itu, Thalamini et al. mengklaim bahwa ukuran dan bentuk NP mempengaruhi kinetika akumulasi dan ekskresi NP emas di organ filter, dan hanya NP emas seperti bintang yang dapat terakumulasi di paru-paru. Mereka juga telah menunjukkan bahwa perubahan dalam geometri NP tidak meningkatkan jalur NP dari sawar darah-otak [66].

Area permukaan spesifik yang besar memastikan adsorpsi NP yang efektif pada permukaan sel. Hal ini ditunjukkan dalam sebuah penelitian tentang aktivitas hemolitik partikel silikon mesopori 100 hingga 600 nm terhadap eritrosit manusia [67]. Partikel berukuran 100 nm secara efektif teradsorpsi pada permukaan eritrosit tanpa menyebabkan kerusakan sel atau perubahan morfologi apapun dalam sel, sedangkan partikel 600 nm merusak membran dan masuk ke dalam sel, mengakibatkan destruksi eritrosit (hemolisis) [67].

Bentuk dan Toksisitas Nanopartikel

Bentuk khas NP adalah bola, ellipsoid, silinder, lembaran, kubus, dan batang. Toksisitas NP sangat tergantung pada bentuknya. Ini telah ditunjukkan untuk banyak NP dengan berbagai bentuk dan komposisi kimia [68,69,70,71]. Misalnya, NP bulat lebih rentan terhadap endositosis daripada nanotube dan nanofibers [72]. Karbon nanotube berdinding tunggal telah ditemukan lebih efektif memblokir saluran kalsium dibandingkan dengan fullerene bulat [73].

Perbandingan efek NP hidroksiapatit dengan bentuk yang berbeda (seperti jarum, seperti pelat, seperti batang, dan bulat) pada sel BEAS-2B yang dikultur telah menunjukkan bahwa NP seperti pelat dan seperti jarum menyebabkan kematian sebagian besar sel dari NP bulat dan seperti batang [74]. Ini sebagian disebabkan oleh kapasitas NP seperti pelat dan jarum untuk merusak sel dan jaringan pada kontak langsung. Hu dkk. [75] memperoleh data menarik ketika mempelajari kerusakan sel mamalia oleh nanosheets graphene oxide. Toksisitas NP ini ditentukan oleh bentuknya yang memungkinkan mereka secara fisik merusak membran sel. Namun, toksisitas mereka ditemukan menurun dengan peningkatan konsentrasi serum anak sapi janin dalam media kultur. Hal ini dijelaskan oleh kapasitas tinggi NP graphene oksida untuk menyerap molekul protein, yang menutupi permukaan NP, sehingga mengubah bentuk NP dan sebagian mencegah kerusakan membran sel [75].

Komposisi dan Toksisitas Kimia Nanopartikel

Meskipun toksisitas NP sangat tergantung pada ukuran dan bentuknya, pengaruh faktor lain, seperti komposisi kimia NP dan struktur kristal, tidak boleh diabaikan. Perbandingan efek silikon dioksida 20 nm (SiO₂ ) dan zinc oxide (ZnO) NPs pada fibroblas tikus telah menunjukkan bahwa mereka berbeda dalam mekanisme toksisitas. ZnO NPs menyebabkan stres oksidatif, sedangkan SiO₂ NP mengubah struktur DNA [76].

Toksisitas NP memang sangat ditentukan oleh komposisi kimianya. Telah ditunjukkan bahwa degradasi NP dapat terjadi, dan luasnya tergantung pada kondisi lingkungan, misalnya, pH atau kekuatan ion. Penyebab paling umum dari efek toksik NP yang berinteraksi dengan sel adalah kebocoran ion logam dari inti NP. Toksisitas juga tergantung pada komposisi inti NP. Beberapa ion logam, seperti Ag dan Cd, sebenarnya beracun dan, karenanya, menyebabkan kerusakan sel. Ion logam lain, seperti Fe dan Zn, secara biologis berguna, tetapi, pada konsentrasi tinggi, mereka dapat merusak jalur seluler dan, karenanya, menyebabkan toksisitas tinggi. Namun, efek ini dapat dikurangi, misalnya dengan melapisi inti NP dengan cangkang polimer tebal, lapisan silika, atau cangkang emas sebagai ganti ligan pendek atau dengan menggunakan senyawa tidak beracun untuk sintesis NP. Di sisi lain, komposisi inti dapat diubah dengan penambahan logam lain. Hal ini dapat menghasilkan peningkatan stabilitas kimia terhadap degradasi NP dan kebocoran ion logam ke dalam tubuh [77].

Toksisitas NP juga tergantung pada struktur kristalnya. Hubungan antara struktur kristal dan toksisitas telah dipelajari menggunakan garis sel epitel bronkial manusia dan NP titanium oksida dengan berbagai jenis kisi kristal. Telah ditunjukkan bahwa NP dengan struktur kristal seperti rutil (TiO2 berbentuk prisma₂ kristal) menyebabkan kerusakan oksidatif DNA, peroksidasi lipid, dan pembentukan mikronukleus, yang menunjukkan segregasi kromosom abnormal selama mitosis, sedangkan NP dengan struktur kristal seperti anatase (TiO oktahedral₂ kristal) dengan ukuran yang sama tidak beracun [78]. Perlu dicatat bahwa struktur kristal NP dapat bervariasi tergantung pada lingkungan, misalnya, pada interaksi dengan air, cairan biologis, atau media dispersi lainnya. Ada bukti bahwa kisi kristal NP ZnS disusun ulang menjadi struktur yang lebih teratur setelah kontak dengan air [79].

Muatan dan Toksisitas Permukaan Nanopartikel

Muatan permukaan NP memainkan peran penting dalam toksisitasnya, karena sangat menentukan interaksi NP dengan sistem biologis [80, 81].

Permukaan NP dan muatannya dapat dimodifikasi dengan mencangkok polimer bermuatan berbeda. PEG (polietilen glikol) atau asam folat sering digunakan untuk meningkatkan serapan NP intraseluler dan kemampuan untuk menargetkan sel tertentu [82]. Sintesis nanopartikel TiO2 biokompatibel yang mengandung gugus NH2 atau SH fungsional juga telah dilaporkan [83]. Zat lain, seperti metotreksat, polietilenimin, dan dekstran, juga telah digunakan untuk memodifikasi permukaan NP dan muatannya [84].

Toksisitas tinggi NP bermuatan positif dijelaskan oleh kemampuannya untuk dengan mudah memasuki sel, berbeda dengan NP bermuatan negatif dan netral. Hal ini disebabkan oleh daya tarik elektrostatik antara glikoprotein membran sel bermuatan negatif dan NP bermuatan positif. Perbandingan efek sitotoksik NP polistiren bermuatan negatif dan positif pada sel HeLa dan NIH/3T3 telah menunjukkan bahwa NP terakhir lebih toksik. Ini bukan hanya karena NP bermuatan positif lebih efektif menembus membran, tetapi juga karena mereka terikat lebih kuat pada DNA bermuatan negatif, menyebabkan kerusakannya dan, sebagai akibatnya, pemanjangan fase G0/G1 dari siklus sel. NP bermuatan negatif tidak berpengaruh pada siklus sel [85]. Hasil serupa telah diperoleh untuk NP emas bermuatan positif dan negatif, NP positif diserap oleh sel dalam jumlah yang lebih besar dan lebih cepat daripada yang negatif dan menjadi lebih beracun [86].

NP bermuatan positif memiliki kapasitas yang ditingkatkan untuk opsonisasi, yaitu adsorpsi protein yang memfasilitasi fagositosis, termasuk antibodi dan komponen pelengkap, dari darah dan cairan biologis [87]. Protein teradsorpsi, disebut sebagai mahkota protein, dapat mempengaruhi sifat permukaan NP. Misalnya, mereka dapat mengubah muatan permukaan, karakteristik agregasi, dan/atau diameter hidrodinamik NP. Selain itu, adsorpsi protein pada permukaan NP menyebabkan perubahan konformasinya, yang dapat menurunkan atau sepenuhnya menghambat aktivitas fungsional protein yang teradsorpsi. Mahkota protein terutama terdiri dari protein serum utama, seperti albumin, fibrinogen, dan imunoglobulin G, serta efektor, sinyal, dan molekul fungsional lainnya [88, 89]. Mengikat NP mengubah struktur protein, yang menyebabkan hilangnya aktivitas enzimatiknya, gangguan proses biologis, dan pengendapan struktur polimer yang teratur, misalnya fibril amiloid [90]. Hal ini dapat menyebabkan berbagai penyakit, seperti amiloidosis. Eksperimen in vitro telah menunjukkan bahwa QD yang dilapisi dengan polimer hidrofilik mempercepat pembentukan fibril manusia β₂ mikroglobulin, yang kemudian disusun menjadi struktur berlapis-lapis pada permukaan partikel; ini menghasilkan peningkatan lokal dalam konsentrasi protein pada permukaan NP, pengendapan, dan pembentukan oligomer [91].

Xu dkk. mengembangkan metode untuk mengubah muatan NP dari negatif ke positif melalui berbagai modifikasi permukaan. Misalnya, NP polimer dimodifikasi dengan polimer peka pH sehingga, bermuatan negatif dalam media netral, mereka memperoleh muatan positif dalam media asam, pada pH 5-6 [92]. Teknik ini memungkinkan untuk secara substansial meningkatkan tingkat penyerapan NP oleh sel, yang dapat digunakan untuk pengiriman obat ke sel tumor. Estimasi sitotoksisitas NP serium oksida yang dimodifikasi permukaan untuk sel H9C2, HEK293, A549, dan MCF-7 telah menunjukkan bahwa pada dasarnya efek biologis dan toksik yang berbeda dapat diperoleh dengan menggunakan polimer yang berbeda untuk membuat NP bermuatan positif atau negatif atau netral. Secara khusus, NP bermuatan positif dan netral diserap oleh semua jenis sel pada kecepatan yang sama, sedangkan yang bermuatan negatif sebagian besar terakumulasi dalam sel tumor [93]. Dengan demikian, modifikasi muatan NP memungkinkan lokalisasi dan toksisitasnya dikendalikan, yang dapat digunakan untuk mengembangkan sistem yang efektif untuk pengiriman obat kemoterapi ke tumor.

Cangkang dan Toksisitas Nanopartikel

Penerapan cangkang ke permukaan NP diperlukan untuk mengubah sifat optik, magnetik, dan listriknya; itu digunakan untuk meningkatkan biokompatibilitas dan kelarutan NP dalam air dan cairan biologis dengan mengurangi kapasitas agregasinya, meningkatkan stabilitasnya, dll. Dengan demikian, cangkang mengurangi toksisitas NP dan memberi mereka kapasitas untuk interaksi selektif dengan berbagai jenis sel dan molekul biologis. Selain itu, cangkang sangat mempengaruhi farmakokinetik NP, mengubah pola distribusi dan akumulasi NP dalam tubuh [94].

Seperti disebutkan di atas, toksisitas NP sebagian besar terkait dengan pembentukan radikal bebas [40, 57, 95, 96]. Namun, cangkang dapat sangat mengurangi atau menghilangkan efek negatif ini, serta menstabilkan NP, meningkatkan ketahanannya terhadap faktor lingkungan, mengurangi pelepasan zat beracun darinya, atau menjadikannya spesifik jaringan [97]. Misalnya, Cho et al. memodifikasi NP polimer dengan melapisinya dengan lektin. NP yang dimodifikasi secara selektif terikat dengan sel tumor yang menghadirkan molekul asam sialat di permukaan, yang membuat NP cocok untuk memberi label khusus pada sel kanker [98].

Permukaan NP dapat dimodifikasi dengan senyawa organik dan anorganik, misalnya, polietilen glikol, asam poliglikolat, asam polilaktat, lipid, protein, senyawa dengan berat molekul rendah, dan silikon. Variasi pengubah ini memungkinkan untuk membentuk sistem kompleks pada permukaan NP untuk mengubah properti NP dan untuk transportasi dan akumulasi spesifiknya.

Nanopartikel yang dilapisi dengan cangkang polimer sintetik digunakan untuk pengiriman antigen, sehingga berfungsi sebagai adjuvant yang meningkatkan respons imun. Hal ini memungkinkan diperolehnya vaksin melawan antigen yang menjadi target kekebalan seluler nonspesifik alami yang kuat [99].

Cangkang sering digunakan untuk meningkatkan kelarutan dan mengurangi toksisitas QD, karena inti logamnya bersifat hidrofobik dan terutama terdiri dari logam berat beracun, seperti kadmium, telurium, dan merkuri. Cangkang meningkatkan stabilitas inti QD dan mencegah desalinasi dan degradasi oksidatif atau fotolitik. Ini, pada gilirannya, mengurangi kebocoran ion logam di luar inti QD dan, karenanya, toksisitas QD [100.101.102].

Studi Toksisitas Nanopartikel

Selama dua dekade terakhir, penggunaan NP telah berkembang pesat dan mengarah pada dasar nanotoksikologi, ilmu baru yang mempelajari potensi efek toksik NP pada sistem biologis dan ekologis. Tujuan umum nanotoksikologi adalah untuk mengembangkan aturan sintesis NP yang aman [103]. Hal ini membutuhkan pendekatan sistemik yang komprehensif untuk menganalisis sifat toksik NP dan efeknya pada sel, jaringan, organ, dan tubuh secara keseluruhan.

Ada dua pendekatan rutin untuk mempelajari efek berbagai zat pada sistem kehidupan, yang juga berlaku untuk efek toksik NP:eksperimen in vitro pada model garis sel dan eksperimen in vivo pada hewan laboratorium. Kami tidak mempertimbangkan di sini pendekatan ketiga yang mungkin untuk memperkirakan toksisitas NP, simulasi komputer, karena jalur dan mekanisme efek toksik NP tidak cukup dikenal untuk model komputer untuk memprediksi konsekuensi interaksi antara NP dan materi hidup untuk a berbagai NP dengan keandalan yang memadai.

Baik model kultur sel maupun hewan percobaan untuk mempelajari toksisitas NP memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Yang pertama memungkinkan wawasan yang lebih dalam tentang mekanisme molekuler toksisitas dan identifikasi target utama NP; namun, pola distribusi NP dalam tubuh dan pengangkutannya ke jaringan dan sel yang berbeda tidak dipertimbangkan. The study of NP toxicity in animal experiments allows the delayed effects of NP action in vivo to be estimated. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.

Study of Toxicity in Cell Cultures

Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.

The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).

The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).

The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).

Co-cultured Cell Lines and 3D Cell Cultures

Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].

It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Li dkk. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.

In vivo Study of Nanoparticle Toxicity

In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.

Titanium dioxide (TiO₂ ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO₂ NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO₂ NPs are relatively harmless.

Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.

Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.

Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].

The possible reasons why quantum dots may be nontoxic in animal models. (1) The shell prevents the leakage of heavy metals into the body [129, 135]. (2) Quantum dots are localized in the liver and subsequently eliminated from the body [135, 173]. (3) The protein crown around quantum dots protects the body from heavy metals [132, 174]

Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhang et al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.

Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.

Hu et al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.

Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS₂ /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].

Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].

However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.