The Effects of Engineered Silica Nanoparticles on the Cellular Behaviours of Human Hepatocellular Carcinoma Cell Lines

Abstract

Physicochemical properties of the silica nanoparticles have vital roles in determining the physiological behaviours of the cells. Applications of nanoparticle treatments have some outcomes as a response of the cells in living systems as mitochondrial disruption, oxidative stress, reactive oxidative species (ROS) generation, altered cell cycle regulation and DNA damage. In this study 10 and 100 nm sized SiNPs were prepared and physicochemically characterized in the second part. Well characterized silica nanoparticles were used to assess the cytotoxicity and genotoxicity of the hepatocellular carcinoma cell lines as HuH-7 and SK-HEP-1 and lymphocytes. The cell cycle analysis was performed for engineered SiNPs to elucidate the DNA damage in the third part. In the fourth part mitochondrial responses of the cells were determined by real time confocal microscopy at single cell level. An image analysis method for evaluating the cellular responses by mitochondrial staining was developed. DCF stained cells were analyzed in order to assess the production of ROS in the cells. Localization of the SiNPs were determined by lysosomal and mitochondrial staining. Pearson correlation coefficients of the images were used for evaluating the colocalization of organelles with SiNPs. Lastly, diffusion coefficients of the SiNPs in the cells were determined by quantitative confocal microscopy. The SiNPs were found as non-toxic up to 200 μg/ml for 5 days. The SiNPs did not induce the formation of micronuclei in lymphocytes. The SiNPs were not cause an arrest in cell cycle progression. Mitochondrial potentials were not changed after SiNP exposure as well. They were mostly internalized at 30 minutes in both cell line in lysosomal parts without increasing ROS in the cells. It can be concluded that the SiNPs can be safely used for targeted delivery of organic compounds, biological molecules or drugs in medicine, and may be utilized as a probe system in biological studies.

Nanotaneciklerin hücre kültürü ortamlarındaki davranışlarının üzerinde fizikokimyasal karakterlerinin etkisi oldukça büyüktür. Nanoparçacıkların hücre kültürü uygulamaları mitokondriyel bozunma, oksidatif stres, reaktif oksijen türlerinin oluşumu gibi sonuçlara sebep olabilmektedir. Bu çalışmada mühendislik ürünü silika nanotanecikler sentezlenmiş ve fizikokimyasal karakterizasyonları yapılmıştır. Bu aşamaya ait sonuçlar ilk kısımda sunulmuştur. Silika taneciklerin karaciğer kanser hücreleri üzerindeki sitotoksik ve genotoksik etkileri HuH-7, SK-HEP-1 ve lenfosit hücreleri üzerinde çalışılmıştır. Hücre döngüsü analizleri ile birlikte bu sonuçlar 3. bölümde anlatılmıştır. Mitokondri cevabı gerçek zamanlı konfokal mikroskobi ile belirlenmiş ve hücre cevabının değerlendirilmesi için bir görüntü analizi önerilmiştir. Hücrede oluşan reaktif oksijen türleri DCF boyası ile boyanan hücrelerde belirlenmiş ve görüntü analizi ile birlikte 4. bölümde sunulmuştur. Lizozomal ve mitokondriyel boyamalarla hücre içindeki silika taneciklerin yeri kolokalizasyon katsayıları belirlenerek incelenmiştir. Son bölümde de silika taneciklerin hücre içindeki difüzyon katsayıları kantitatif konfokal mikroskobi ile belirlenmiştir. Silika nanotaneciklerin 200 μg/ml’ye kadar 5 gün boyunca toksik olmadığı belirlenmiştir. Lenfositlerde mikronükleus oluşumunu tetiklemediği ve hücre döngüsünü etkilemedikleri belirlenmiştir. Hücrelerin mitokondri potansiyeli de silika muamelesiyle değişmemektetir. ROS üretimini tetiklemeden lizozomal bölgelerde 30. dakikada hücre içine girmeye başladıkları gözlemlenmiştir. Bu taneciklerin organik bileşiklerin, biyolojik moleküllerin veya ilaçların hedeflendirilmiş iletiminde tıp uygulamalarında kullanılabileceği ve belki de prob sistemlerinde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.