Viability, DNA damage, apoptosis, necrosis, and p53 gene expression of human cells upon exposure to gold and silver nanoparticles with different size and surface chemistry

Abstract

Nanoparçacıkların tüketici ürünlerinde ve tıpta artan kullanımından dolayı canlı hücrelerle olan ilişkileri ilgi odağı olmaktadır. Nanoparçacıklar arasından, altın ve gümüş nanoparçacıklar tüketici ve tıbbi ürünlerde kullanılmakta ve fizikokimyasal ve terapatik özelliklerinden dolayı yaygın kullanımları kaçınılmaz görülmektedir. Bununla birlikte, nanoparçacıkların insan sağlığına olabilecek kötü etkileri üzerine ne açık bir fikir ne de ortak bir görüş vardır. Bundan dolayı, nanoparçacıkların canlı sistemlerle olan ilişki durumlarını derinlemesine anlamak için daha fazla çalışma yapılmadır. Bu tez, altın ve gümüş nanoparçacıkların büyüklüğünün, yüzey kimyasının ve konsantrasyonunun hücre yaşamı, hücresel DNA hasarı, p53 gen ekspresyonu, apoptoz ve nekroz mekanizmaları üzerine etkisini araştırmak için sistematik bir yaklaşım sağlamayı amaçlamaktadır. Farklı yüzey kimyasına sahip, iki farklı büyüklükteki altın ve gümüş nanoparçacıklara olan hücresel cevap iki insan hücresinde; insan sünnet derisinden izole edilmiş primer insan dermal fibroblast ve A549 akciğer kanseri hücrelerinde, değerlendirilmiştir.Bu sonuçlar, iki hücre için 25.0 ?g ml-1 konsantrasyonundaki 13 nm ve 50 nm altın nanoparçacıkların ciddi hücre ölümü ve hücresel DNA hasarına sebep olmadığını, 7 nm ve 29 nm gümüş nanoparçacıkların ise önemli sitotoksik ve genotoksik etki gösterdiğini ortaya koymuştur. Bu çalışmanın sonuçları ayrıca, küçük büyüklükteki nanoparçacıkların daha fazla sitotoksisite ve genotoksisiteye yol açtığını göstermiştir. İnsan dermal fibroblast hücrelerinde laktoz ve oligonükleotid modifiyeli gümüş nanoparçacıklar dışındaki tüm nanoparçacıklar yüksek derecede nekroza sebep olurken, A549 hücrelerinde nekroz düşük seviyede kalmıştır. Dikkat çekecek şekilde, laktoz modifiyeli gümüş nanoparçacıklar A549 hücrelerinde kayda değer seviyede hücre ölümü, hücresel DNA hasarı, apoptoz, ve p53 gene ekspresyonuna yol açarken, insan dermal fibroblast hücrelerinde bu etkilerin derecesi düşük bulunmuştur. Laktoz modifiyeli gümüş nanoparçacıkların A549 hücrelerindeki hücre ölümünü uyarma özelliği, bu nanoparçacıkların fototermal terapi kullanılarak kanserhücrelerinin öldürüldüğü uygulamalarda altın nanoparçacıkların yerini alabileceğini vurgulamıştır. Buna ek olarak, iki insan hücresine olan olumsuz etkilerinden dolayı, 50 nm gümüş nanoparçacıklar direkt olarak tümöre enjekte edilebilir.

The interaction of nanoparticles (NPs) with human living cells is of great interest due to their rising use in consumer products and medicine. Among all, gold nanoparticles (AuNPs) and silver nanoparticles (AgNPs) are already in consumer and medical products and their wide spread use seems inevitable due to their unique physicochemical and therapeutic properties. However, there is neither a clear understanding nor a consensus on their possible adverse effect on human health. Therefore, there must be more studies devoted for in depth understanding of their mode of interactions with the living systems. The present thesis aims to provide a systematic approach to investigate the influence of size, surface chemistry, and dose of AuNPs and AgNPs on the cell viability, cellular DNA damage, p53 gene expression, apoptosis and necrosis mechanisms. The cellular response to two different sizes of AuNPs and AgNPs with different surface chemistry was evaluated in two human cell lines, primary human dermal fibroblast isolated from human foreskin and A549 lung cancer cells.The results demonstrated that 13 nm and 50 nm AuNPs did not cause considerable cell death and cellular DNA damage, whereas 7 nm and 29 nm AgNPs showed pronounced cytotoxic and genotoxic effects for both cells at the concentration of 25.0 ?g ml-1. The results from this study also suggest that the small size NPs caused more cytotoxicity and genotoxicity. Although all the NPs without lactose or oligonucleotide modified AgNPs caused high levels of necrosis in the human dermal fibroblasts, the necrosis remained at low levels in A549 cells. Notably, the lactose modified AgNPs caused significant cell death, cellular DNA damage, apoptosis, and p53 expression in A549 cells while the degree of these effects was found to be low in the human dermal fibroblast cells. The specificity of lactose modified AgNPs induced apoptosis in the A549 cells implies that these NPs could be replaced with AuNPs in applications to kill cancer cells by using photothermal therapy.Furthermore, the 50 nm AgNPs should be injected directly into the tumor due to adverse effects on both human cells.