Development of surface-enhanced Raman scattering-based nanospectroscopic methods for toxicity determination of nanomaterials

Abstract

Son yıllarda nanomalzemeler (NM) üzerinde yapılan yoğun araştırmalar sonucu enerji depolama endüstrisinden tıp, kozmetik, gıda, tekstil, askeriye ve iletişim gibi geniş bir alanda bu malzemeler kullanılmaya başlanmıştur. Bu kullanım aynı zamanda olası yan etkileri düşündürmeye başlamıştır. Öte yandan, NM'lerin fizikokimyasal özellikleri sebebiyle elde edilen tutarsız sonuçlar NM toksisitesini belirlemek için atılan adımlarda sorun oluşturmuştur. Yaygın olarak kullanılan sitotoksisite deneylerinin çoğunda, NM'lerin deney bileşenleriyle etkileşime girmesi ya da absorbans kalıntıları oluşturması sebebiyle yanıltıcı sonuçlar elde edildiği bildirilmiştir. Dolayısıyla in vitro nanotoksisite araştırmalarında alternatif yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır.Bu noktada yeni bir bakış açısı sunmak amacıyla bu çalışmada Yüzeyde-Zenginleştirilmiş Raman Saçılmasına dayalı olarak (YZRS) in vitro nanotoksisite belirlenmesinde dört hücre hattı (akciğer adenokarsinomu (A549), insan ve fare fibroblastı (HSF ve L929) ve insan göbek bağı damar endotel hücresi (HUVEC)), çinko oksit ve titanyum dioksit nanoparçacıklar, tek ve çok katmanlı karbon nanotüpler ve kuantum noktaları gibi çeşitli NM'lere maruz bırakılmıştır. Daha sonra, NM'lere maruz bırakılan hücrelerden elde edilen spektrumlar, olası toksisite belirteçlerini bulmak amacıyla dikkatlice incelendi. Belirteçlerden yedi tanesi yaygın olarak kullanılan toksisite deneylerinden olan apoptoz/nekroz ve WST-1 hücre çoğalma testlerinden elde edilen sonuçlarla ve geçirimli elektron mikroskobu ile zenginleştirilmiş karanlık alan mikroskobu görüntüleriyle uyum içinde bulundu. Tüm sonuçların literatürde bulunan nanotoksisite çalışmalarıyla bağdaştığı gözlemlendi. Bulunan yedi bant yoğunluk oranı kollajen, fibronektin, kolesterol tükenmesi, lipid stabilitesi, tirozin fosforlanması, fenilalanin-tirozin dönüşümü ve proteinlerin C-S bağlarının S-S'ye dönüşümü hakkında bilgi vermekle birlikte bu oranların farklı pek çok hücresel YZRS çalışmasında kullanılabileceği öngörülmektedir.

The intensive research on nanomaterials (NMs) in the last decades resulted in broad applications in many industries ranging from energy deposition to medicine, cosmetics, food, textile, military or communication. The tremendous utilization of these newly discovered materials, however, also raised concerns about their possible side effects. On the other hand, the efforts to determine NM toxicity faced problems in terms of obtaining accurate results; originating from the physicochemical properties of NMs. Most of the conventional cytotoxicity assays have been reported to give false results due to interaction with assay components or absorbance artefacts. Therefore, in vitro nanotoxicity evaluation field is in need of alternative approaches.In an attempt to propose a new perspective, in the present work, surface-enhanced Raman scattering (SERS) was utilized on four cell lines; lung adenocarcinoma (A549), human and mouse fibroblasts (HSF, L929), and human umbilical vein endothelial cell line (HUVEC), to test in vitro nanotoxicity of a panel of NMs; zinc oxide and titanium dioxide nanoparticles, single- and multi-walled carbon nanotubes, and quantum dots. Before that, SERS substrate localization within the cells as well as the spectral contributors were evaluated. Then, SERS spectra obtained from NM-exposed cells were carefully investigated for possible toxicity markers and seven of them were proposed to be in good correlation with the conventional cytotoxicity assays; apoptosis/necrosis and WST-1 cell proliferation assays, as well as the transmission electron microscopy and enhanced-dark field microscopy images. Altogether the results were in agreement with the nanotoxicity studies in the literature. The seven intensity ratios gave information about the rates of collagen, fibronectin, cholesterol depletion, lipid stability, tyrosine phosphorylation, phenylalanine to tyrosine conversion and protein C-S to S-S bond conversion, all of which can also be utilized for various further cellular SERS studies.