Investigation of the effect of hexagonal boron nitrides (hBNs) on mouse hippocampal cell line

Abstract

Nörolojik rahatsızlıklarının tedavisi moleküler temellerinin anlaşılmasının güçlüğü ve tedavi edici ajanların hedef bölgeye taşınımından dolayı zordur. Tezin amacı hBN'nin terapatik ajan olarak hücreler üzerindeki stresi azaltmak için kullanılabilecek potansiyeli olduğunu araştırmaktır. hBN ve bozunum ürünü olduğu düşünülen borik asidin (BA) embriyonik fare hipokampal hücre hattı (mHippoE-14) üzerine sitotoksisiteleri 10-1000 μg/mL derişim aralığında 24 s ve 72 s maruz bırakılarak araştırılmıştır. Deneyler sonucunda hBN ve BA'in zaman ve derişime bağlı olarak sitotoksisite yarattığı, hBN'lerin ise BA'e göre daha az sitotoksiteye neden olduğu saptanmıştır. Hücre ölümü mekanizması, reaktif oksijen türleri (ROS) oluşumu, hücre döngüsü analizi ve apoptotik cisim oluşumu araştırılması yapıştırmıştır, bu deneyler için 4.4, 22, ve 44 μg/mL bor içeren hBN ve BA derişimleri kullanılmıştır. 24 s sonunda düşük derişimli hBN'lerin artan maruz bırakılma süresi ve derişimlerde de apoptoza götürdüğü, BA'in ise 72 s maruz bırakılma sonrasında en düşük iki derişimde nekroza götürdüğü saptanmıştır. BA'in en düşük derişimden itibaren apoptoza götürdüğü görülmüştür. BA derişim miktarı ve maruz bırakılma süresinin artışıyla beraber ROS oluşumunu anlamlı olarak arttırdığı saptanmıştır. Hücre döngüsü üzerine 24 s hBN ve BA maruziyetinin anlamlı bir etkisi olmadığı, 72 s maruziyetin ise hücre döngüsünde G0-G1 fazı üzerine etkisi daha fazla olduğu saptanmıştır. hBN ve BA'in 24 s ve 72 s maruziyetinin apoptotik cisim oluşumuna neden olmadığı görülmüştür. Hücereler üzerinde stres yaratmak amacıyla doksorubisine (DOX) maruz bırakılmıştır, daha sonrasında 4.4, 22, ve 44 μg/mL bor içeren hBN ve BA derişimleri ile 24 ve 72 s muamele edilmiştir ve sitotoksisitelerine bakılmıştır. hBN ve BA'in 72 s sonunda hücre canlılığını arttırdığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma hBN ve BA'in düşük derişimlerde nörolojik hastalıklarda ve beyin kanserinde kullanılan ilaçların yarattığı oksidatif stresi azaltabilmek için tedavi amaçlı ajan olarak kullanılabileceği görülmüştür. hBN'nin biyolojik besiyerinde yavaş bozunuma uğraması nedeniyle, iyonik BA'e göre kontrollü salınım için daha uygun olabileceği saptanmıştır.

It is a challenge to treat a neurological disease and brain cancer not only due to poor understanding of their molecular basis but also delivery of therapeutic drugs. In this thesis, it is aimed to understand the potential of hBNs as a therapetic agent to relieve cellular stress. First, the cytotoxicity of hBNs and their possible degradation product, boric acid (BA), on Embryonic Mouse Hippocampal Cell Line (mHippoE-14) was assessed in the concentration range of 10-1000 μg/mL for both materials for 24 h and 72 h exposure. It was found that both hBNs and BA showed concentration and time dependent cytotoxicity while hBNs were showing less cytotoxic behavior. Further; cell death mechanism, reactive oxygen species (ROS) generation, cell cycle, and apoptotic body formation were investigated using hBNs and BA concentrations with 4.4, 22, and 44 μg/mL boron content. hBNs drove the cells to apoptosis with the lowest concentration at 24 h exposure and with the increased exposure time the higher concentrations caused apoptosis as well. For BA, an increase in necrosis was observed at lowest two concentrations with 72 h of exposure. BA drove cells to apoptosis starting from the lowest concentration with both exposure times. Both hBNs and BA caused increased ROS production with the increased concentration and exposure times but the increase was more significant with BA exposure. 24 h exposure of hBNs and BA had no significant effect on cell cycle while 72 h exposure caused significant changes on cell cycle, especially on G0-G1 phase. Apoptotic bodies were not observed with any hBNs and BA concentrations and exposure times. The study was further expanded by exposing the cells to doxorubicin (DOX) to cause a stress on cells, and then were treated with hBNs and BA concentrations containing 4.4, 22 and 44 μg/mL boron and were exposed for 24 h and 72 h. It was found that both hBNs and BA increased cell viability when exposed for 72 h. This study suggests that hBNs and BA have very low toxicity and could be used as therapeutic agents at low concentrations to decrease oxidative stress caused by various drugs used for treatment of neurological diseases and brain cancer. However, since hBNs slowly degrade in biological medium, they can be used as a controlled releasing agent as compared to ionic BA in addition to their nanocarrier feature.