Interakce nanomateriálů s buněčnými kulturami

Mgr. Markéta HAVRDOVÁ

Doctoral thesis

Interaction of nanomaterials with cell cultures

Abstract:

Toxicita makroskopických materiálů je dobře prozkoumána, avšak s vývojem nových nanomateriálů pro biologické a medicínské aplikace vznikají i nová rizika jejich biokompatibility. Tato disertační práce se zabývá širokým tématem interakce nanomateriálů s buněčnými kulturami a představuje výsledky, které byly publikovány v impaktovaných odborných vědeckých časopisech. První studie je zaměřená na elektronovou mikroskopii magneticky značených mezenchymálních kmenových buněk (MSCs), ve které byl použit nový materiál na zobrazování buněk obsahujících magnetické nanočástice pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM). Díky této metodě byla zobrazena intracelulární distribuce superparamagnetických nanočástic oxidů železa (SPIO nanočástic) a zachycen počátek jejich endocytózy vč. primárních endosomů naplněných nanočásticemi. Tyto výsledky jsou obvykle získávány transmisní elektronovou mikroskopií (TEM), která vyžaduje vzorek ve formě tenkých řezů (< 100 nm). Druhá studie je zaměřená na cytototoxicitu MSCs a SPIO nanočástic v porovnání s komerčními nanočásticemi Resovist. Vzorky byly vzájemně porovnány za účelem aplikace pro MRI. Předmětem třetí a čtvrté studie jsou uhlíkové nanomateriály a jejich interakce s myšími fibroblasty (NIH/3T3). Třetí práce tedy popisuje selektivní interakci kladně nabitých (kvartérních) uhlíkových teček QCDs a hybridního materiálu složeného z QCDs a záporně nabitého grafen oxidu (QCDs-GO). V roce 2014 byla tato práce jako první, která zaznamenala přítomnost povrchově neupravených CDs v buněčném jádře a selektivní značení buněk založené na pouhé koncentraci GO ve vzorku. Čtvrtá studie je zaměřená na CDs s různým povrchovým nábojem a jejich cytotoxicitu (viabilitu, buněčnou morfologii, oxidační stres a buněčný cyklus) vyvolanou kladným, záporným a neutrálním povrchovým nábojem těchto nanomateriálů. Kladný a neutrální náboj CDs byl získán vyvázáním polymerů na jejich povrch polyethyleniminem (PEI) kladný náboj a polyethylenglycolem (PEG) neutrální, samotné CDs byly negativní.

Abstract:

Toxicity of macroscopic materials is very well known, however development of nanomaterials has brought a new limitation for bio applications and medicine. This thesis deals with a rich topic about interactions of nanomaterials with cell lines and introduces results which were published in the scientific articles. First study was focused on electron microscopy of magnetically labeled mesenchymal stem cells (MSCs) where a new conductive matrix has been used. Due to high stability of the biological sample was possible to measure material contrast, observe intracellular distribution of superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles and obtain images of endocytosis including primary endosomes full of nanoparticles. The most common technique employed for mapping nanoparticles inside cells is transmission electron microscopy (TEM), nevertheless, TEM requires cutting of the sample on thin sections (< 100 nm). We used field emission scanning electron microscope (FE-SEM), preserved the shape of cells and obtained detailed information about the occurrence of nanoparticles. Second study was about cytotoxicity of SPIO nanoparticles towards MSCs and their magnetic properties for magnetic resonance imaging (MRI). Magnetic contrast and biocompatibility of SPIO nanoparticles has been compared with commercial nanoparticles Resovist. Next two studies were focused on carbon nanomaterials. Thus, third article described selective interactions of positively charged quarternized carbon dots (QCDs) and hybrid nanomaterial (QCDs-GO) composed of QCDs and negatively charged graphene oxide (GO). In the year 2014, it was first study about CDs without surface functionalization which entered into the cell nucleus of mouse fibroblasts NIH/3T3. Moreover, concentration of GO in hybrid system provided selective labeling of cells QCDs-GO with higher amount of GO labeled only cytoplasm. The Subject of the last study was focused on comprehensive cytotoxicity of CDs with positive (PEI-CDs), negative (pristine CDs) and neutral (PEG-CDs) surface charge. The effects of variously charged CDs on cell viability, morphology, cell oxidative stress and cell cycle were studied also on NIH/3T3.

Keywords

kmenové buňky, myší fibroblasty, superparamagnetické nanočástice, uhlíkové tečky, grafen, cytotoxicita, elektronová mikroskopie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 3. 2017

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Libor Machala, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Applied Physics