zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像助力發(fā)掘SPION在癌癥治療中的潛力

生物材料歷經(jīng)多年的創(chuàng)新迭代，依然處于熱門的研究領(lǐng)域，尤其在治療癌癥等相關(guān)疾病方面都展示出了令人期待的潛力。作為生物材料的一類，超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPION)，已用于諸多科學(xué)研究，例如電離輻射的放大和治療的靶向應(yīng)用。本文介紹的這篇文章，就是研究SPION在作為放射增敏劑的應(yīng)用價(jià)值。
 

該文章發(fā)表于納米材料的優(yōu)質(zhì)期刊《Nanomaterials》最新一期（2023, 13, 330）。目前，超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)已被證明可應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域以及其他科研領(lǐng)域，如基因治療中siRNA的傳遞、化療藥物的靶向傳遞、通過(guò)磁熱療誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡以及作為MRI造影劑。表面涂有(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷(SPIONAPTES)的SPIONs，由于其表面的游離氨基，提供了連接各種治療藥物和物質(zhì)用于不同醫(yī)療應(yīng)用的可能性。這些特性使其成為許多應(yīng)用的主要候選，特別是在腫瘤治療的新方法中，已經(jīng)被研究用于化療藥物、生長(zhǎng)抑制劑或抗體的靶向應(yīng)用，如宮頸癌、淋巴瘤和卵巢癌。

在本研究中，作者利用德國(guó)zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)對(duì)不同細(xì)胞系的細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)程不間斷的觀察，得到了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
 

圖1 zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)

 

在本實(shí)驗(yàn)中，作者利用zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)觀察細(xì)胞在加入SPIONs后的生長(zhǎng)情況，并據(jù)此繪制生長(zhǎng)曲線。在zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)下，作者看到納米顆粒最初均勻分布在細(xì)胞中，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，一些細(xì)胞逐漸形成了具有高納米顆粒密度的細(xì)胞簇。大約24 h后，幾乎所有細(xì)胞都含有SPIONs。不過(guò)在接下來(lái)的48小時(shí)內(nèi)，作者進(jìn)一步觀察到細(xì)胞出現(xiàn)不同變化趨勢(shì):一些細(xì)胞積累了SPIONs，而另一些細(xì)胞幾乎沒(méi)有任何SPIONs。對(duì)于細(xì)胞增殖（圖2，視頻1）而在記錄頻率更高的長(zhǎng)時(shí)程觀察實(shí)驗(yàn)中，作者還觀察到先前被細(xì)胞吸附的SPIONs在細(xì)胞分裂后在子細(xì)胞中分布并不是均一的，而呈現(xiàn)集中的情況。（圖3）
 

圖2 腫瘤細(xì)胞對(duì)SPIONs的吸附和吞噬。Cal33細(xì)胞是一種HPV陰性(HPV-)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌(HNSCC)細(xì)胞系，在加入不同濃度的納米顆粒(0、5和20μg Fe/mL)后，細(xì)胞狀態(tài)隨時(shí)間(1,24,48和72 h)變化的代表性圖像。

視頻1: 腫瘤細(xì)胞對(duì)SPIONs的吸附和吞噬。在加入不同濃度的納米顆粒(0、5，20μg和50μg Fe/mL)后，Cal33細(xì)胞狀態(tài)隨時(shí)間(1,24,48和72 h)變化的影像記錄。

圖3 利用zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)觀察HNSCC細(xì)胞與SPIONs相互作用的時(shí)間行為。SPIONs作用于HSC-4細(xì)胞(HPV-HNSCC細(xì)胞系)10小時(shí)內(nèi)細(xì)胞分裂的圖像。黃色和綠色箭頭指向被細(xì)胞攝取前的納米顆粒聚集物。藍(lán)色圓圈標(biāo)記納米顆粒含量高的子代細(xì)胞，紅色圓圈標(biāo)記 納米粒子含量低的子代細(xì)胞。

在此基礎(chǔ)上，作者通過(guò)測(cè)量生長(zhǎng)曲線來(lái)檢查SPIONs在不同的細(xì)胞類型上是否具有細(xì)胞抑制作用(圖4)。結(jié)果表明，Cal33和RPMI 2650細(xì)胞的生長(zhǎng)速率有明顯差異。在所有輻射劑量下，SPIONs處理組與未處理組的RPMI 2650細(xì)胞無(wú)差異(p≥0.343)(圖 4 a-c)。相比之下，Cal33細(xì)胞對(duì)SPIONs本身更敏感，特別是對(duì)輻射和SPIONs的組合。在孵育105 h后，相比SPIONs未處理組，細(xì)胞增加的數(shù)目顯著減少(p<0.05)，同時(shí)細(xì)胞數(shù)量倍增所需時(shí)間也有顯著差異(p<0.05)(圖 4 d-f)。我們還對(duì)另外6個(gè)細(xì)胞系進(jìn)行了0和2 Gy的輻射強(qiáng)度干預(yù)，并觀察記錄了生長(zhǎng)曲線�？傮w而言，如果存在SPIONs, 6個(gè)細(xì)胞系中有4個(gè)細(xì)胞系的細(xì)胞數(shù)目倍增所需時(shí)間顯著增加。然而，當(dāng)納米顆粒組和對(duì)照組均照射2gy劑量后，這種差異大多被逆轉(zhuǎn)，只有BEAS-2B細(xì)胞株的細(xì)胞數(shù)目倍增時(shí)間仍有顯著增加(圖4 g-i)。

圖4 zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)下生長(zhǎng)曲線分析SPIONs在20μg Fe/mL時(shí)的細(xì)胞抑制作用。(a) RPMI 2650和(d) Cal33細(xì)胞在0-8 Gy下，加SPIONs和不加SPIONs的生長(zhǎng)曲線均超過(guò)120 h;圖中只顯示了0、2和6 Gy的情況，虛線表示納米顆粒群。(b)所有劑量的RPMI 2650細(xì)胞在90小時(shí)和(e) Cal33細(xì)胞在培養(yǎng)105小時(shí)后的細(xì)胞數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果。(c) RPMI 2650和(f) Cal33細(xì)胞在0-8 Gy劑量照射后的細(xì)胞數(shù)量翻倍時(shí)間。(g)添加和不添加20μg Fe/mL SPIONs以及在0和2 Gy照射后120 h的細(xì)胞株(BEAS-2B)生長(zhǎng)曲線結(jié)果。 (h)添加和不添加SPIONs劑量分別為0和2 Gy的BEAS-2B、CLS 354、Det 562、HSC-4、udscc -2和UM-SCC-47細(xì)胞株的細(xì)胞數(shù)目翻倍時(shí)間。(i) (h)不同組間的顯著性;誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。*對(duì)照組與SPION組在各自輻射劑量下差異均為顯著性，經(jīng)Mann-Whitney u檢驗(yàn)，p<0.05。

結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明SPIONs對(duì)于不同的細(xì)胞系有不同的影響，對(duì)于某些細(xì)胞系而言（如RPMI 2650），SPIONs處理與否，并不會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生明顯的毒副作用，而且2Gy的輻射處理會(huì)逆轉(zhuǎn)SPIONs對(duì)細(xì)胞的影響；對(duì)于某些細(xì)胞系（如BEAS-2B），輻射并不能完全逆轉(zhuǎn)SPIONs導(dǎo)致的細(xì)胞增殖能力減弱的影響；而對(duì)于Cal33細(xì)胞，SPIONs所帶來(lái)的細(xì)胞毒性會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞增殖能力大大減弱。該結(jié)果說(shuō)明雖然對(duì)于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中的細(xì)胞系而言，SPIONs的細(xì)胞毒性較弱，但不同的細(xì)胞系之間還是有明顯差異。

因此，SPION-APTES本身并不是有效的放射增敏劑，該研究也說(shuō)明了SPION-APTES對(duì)細(xì)胞的影響是有限的，具有良好的細(xì)胞相容性。而這種相容性在未來(lái)的研究或應(yīng)用中也具有值得關(guān)注的優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)進(jìn)一步功能化SPIONs的研究奠定了重要基礎(chǔ)。

德國(guó)InnoME公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的zenCELL owl活細(xì)胞動(dòng)態(tài)成像及分析系統(tǒng)，基于非標(biāo)記、非侵入方法，原位記錄細(xì)胞實(shí)時(shí)生長(zhǎng)和定量的分析數(shù)據(jù)。zenCELL owl體積小巧，耐溫耐濕，可在細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作；通過(guò)24個(gè)顯微成像鏡頭，對(duì)24個(gè)視野進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和圖像獲取。zenCELL owl為用戶提供高質(zhì)量圖像、視頻、統(tǒng)計(jì)學(xué)曲線和定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞增殖／增殖抑制、細(xì)胞培養(yǎng)質(zhì)控／培養(yǎng)優(yōu)化、遷移／侵襲等諸多活細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653521004884?via%3Dihub

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