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设计用于 HepG2 肝癌细胞的 NIR 辐照 Cs0.33WO3 纳米颗粒的热疗剂量

摘要

热疗因其无创、副作用和毒性最小以及易于实施而成为治疗癌症疾病的最对患者友好的方法之一,促进了光热触发剂量系统等新型治疗方法的发展。本研究探讨了 Cs0.33WO3 纳米粒子 (NPs) 的光热效应变量、照射持续时间、光功率密度和 NP 浓度,在体外对 HepG2 肝癌细胞系进行了研究,从而形成了近红外 (NIR) )-辐照热剂量。明确地说,颗粒特征尺寸为 120 nm 的纳米颗粒是通过一系列氧化还原 (REDOX) 反应、热退火和湿法研磨过程合成的,随后使用动态特性检查了物理、成分、光学、光热特性的表征。光散射 (DLS)、能量色散 X 射线光谱 (EDS)、扫描和隧道电子显微镜 (SEM 和 TEM)、X 射线衍射 (XRD) 和可见光-近红外 (VIS-NIR) 光谱。获得了 HepG2 细胞的 NPs 的细胞毒性及其辐照参数。通过将细胞与纳米颗粒一起孵育,验证了内吞状态,并确定了细胞存活率对光热剂量可变参数的依赖性,同时将含有细胞的培养皿的培养基温度保持在人体温度约 36.5°。 C.

介绍

在全球范围内,在 2018 年,凶猛的癌症疾病夺去了大约 1000 万人的生命,并估计增加了 1800 万新病例[1]。迄今为止,尽管化疗、放疗、手术切除或这三者的定制组合使接受治疗的癌症患者的 5 年生存率略高于 40% [2, 3],但化学物质和离子的毒性和有害性质轰击不可避免地会导致许多副作用,如脱发、心脏毒性、不孕症、染色体异常等 [4, 5]。这种影响生命的后果强烈推动了对患者友好的治疗药物的开发,包括掺入纳米颗粒的化合物。

纳米技术基于特殊的材料系统、结构、形状和原子化学计量,在 100 纳米以下的尺寸范围内产生了前所未有的化学、物理和生化特性,并通过量化现象增强,并且已经在许多领域发现了临床前和体外应用。生物医学 [6, 7]。尽管存在化疗的缺点,但作为递送载体的 NPs 提高了疾病肿瘤中药物释放的选择性,促进了肿瘤细胞对药物的吸收,并在很大程度上降低了健康组织中的累积毒性 [8, 9]。此外,一系列基于 NP 的成像模式产生的图像质量大大提高,具有更高的灵敏度、更精细的空间分辨率和更好的深度穿透,以揭示生物分布、监测药物摄取、定位肿瘤和评估治疗效果 [10]。除了诊断功能外,当 NPs 具有固有的物理特性时,例如射频 (RF) 消融或光热渲染的热疗,可以进一步以提高的效率对所需位置造成损害 [11,12,13],其中第二种通常优于其特定部位给药,疼痛程度较低,副作用小,并且大大降低了组织灼伤的风险。

迄今为止,能够在光照射下引起热疗的 NP 材料系统包括金 (Au)、钨酸铯 (CsWO3)、氧化铁、硫化铜、石墨烯和碳管,并证明了对癌症施加致命损伤的适用性通过在原位升高细胞外或细胞内温度 [14,15,16,17,18]。与 NP 增强型射频消融一样,光子源的入射功率密度水平是临床安全和患者舒适度的关键问题 [11],这表明人体皮肤的最大暴露极限在 VIS 和400 到 980 nm 之间的 NIR 波长为 0.2 到 0.726 W/cm 2 根据 2013 年发布的国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) [19]。尽管如此,之前体外癌细胞研究报告的大部分光功率密度远远超出了皮肤组织的安全极限,这对于治疗具有低光照射阈值的内部生物组织来说可能是一个严重的问题。脆弱性。例如,证明可有效破坏癌细胞的金 (Au) NP 的 NIR 光功率密度范围为 2 至 80 W/cm 2 辐照时间不超过 10 分钟 (min) [13, 14, 20,21,22]。同样,各种其他材料系统,如氧化石墨烯 [18]、铁铂 (FePt) [23] 和 NaYF4:Yb,Er 纳米晶体 [24] 需要不少于 150 mW/cm 2 用于工具部署。

作为用于体外实验的相对较少探索的材料,一些研究报告了 NIR 照射的 CsWO3 NPs 以至少 0.72 W/cm 2 消灭宫颈癌细胞 (Hela) [15, 25, 26] 接近 ICNRP 设定的皮肤组织 NIR 波长的暴露极限,长时间暴露可能对健康组织造成有害影响 [19]。此外,在过去的研究中,NP浓度的处理剂量、曝光时间和光强度的组合产生的培养基温度远远超过40°C,这是健康人体细胞无法忍受的,并且死亡率没有详细描述癌细胞。

CsWO3 NP 在 800 nm 至 2400 nm [27] 的 NIR 波长范围内具有出色的吸收性,并且在功能上适用于生物医学应用。尽管其在消除癌细胞方面表现出突出的功效,但其细胞毒性仍然很大程度上未知,并且提供了一种细胞毒性低、照射持续时间短和光功率密度在皮肤组织安全曝光范围内的NP浓度的剂量配方是仍然缺乏。

本文的研究试图在体外评估在直径为 5.2 厘米的培养皿中利用非细胞毒性 NP 浓度和光功率密度在皮肤组织的曝光极限内消灭 HepG2 肝癌细胞的可行性,同时保持正常人体温度为 36.5°C 时细胞培养基的温度。具体而言,使用一系列氧化还原、热退火和湿磨工艺合成了平均特征尺寸以 120 nm 为中心的 Cs0.33WO3 NP,并以其表面形态、结晶度、光学和时间光热特性为特征。此外,研究并判断了在 980 nm 中心波长下操作的 NIR 辐射的可变剂量参数、辐照持续时间、NP 浓度和光功率密度对 HepG2 癌细胞存活率的光热影响并判断为设计安全治疗剂量的组合。

方法

本研究以人原发性肿瘤来源的第 102 代 HepG2 肝癌细胞系为实验模型,以评价近红外辐照自制 Cs0.33WO3 NPs 的细胞毒性和不同热剂量的治疗效果。在皮肤组织暴露的安全限度内和无毒的NP浓度。

Cs的合成 0.33 WO 3 NPs

图 1 的左侧面板说明了氧化铯钨 (Cs0.33WO3) NP 材料的合成程序的图解流程图。简而言之,将前体化学品 ((NH4)2WO4)(Alfa Aesar,纯度 99.9%)和 CsCl(Alfa Aesar,纯度 99.9%)分别溶解在 100 ml 去离子水中,然后在 25 °C 下混合在一起。使用磁驱动旋转器以每分钟 250 转 (rpm) 的速度持续搅拌一小时 (hr)。搅拌完成后,将盛有混合溶液的烧杯温度调至180°C,烘烤至溶液中的水分完全蒸发。所得干燥的白色粉末是Cs0.33WO3材料的最终前体。打开冷却器,将含前驱体粉末的石英舟装入高温炉管的中心,使炉管内的压力达到 0.08 托。然后,将前体在 500°C 的温度下加热,同时以 90 到 10 标准立方厘米/分钟 (SCCM) 的比率引入气体、H2 和 N2 的组合流入,以促进氧化还原反应。 1小时后,关闭H2气入口,将N2气流量调至100SCCM,将炉温升至800℃进行热退火1小时。工艺完成后,关闭冷却器和温控炉,将石英舟冷却至室温,从炉管中取出。从石英舟中获得的深蓝色粉末是微米 (μ) 尺寸的 Cs0.33WO3 粉末。为了进一步缩小粉末颗粒的特征尺寸,150 克混合溶液由 15 克微粉、3.8 克用于防止颗粒聚集的共聚物基分散剂、10 微升消泡剂和 DI 组成准备好水,倒入装有 600 g 氧化锆珠的样品碗中,并安装在纳米研磨设备(台湾 Justnanotech Co.)的腔室中。将速度和温度设置为 2400 转/分钟 (RPM) 和 15°C,通过将微粉与 0.1 毫米 ZrO2 珠研磨 4 小时,再用 0.05 毫米 ZrO2 珠研磨 4 小时来生产 NP。每个研磨过程的总持续时间不超过 4 小时,以避免流体粘度过高以及材料物理尺寸的任何不稳定变化。研磨过程后的最终溶液通过 0.22-μm 孔过滤器进行筛选,用于所有后续表征和实验。 Cs0.33WO3 NPs (fNPs) 的荧光版本是使用以下协议制作的。在烧杯中制备由 2ml 浓度为 28mg/ml 的荧光素和 2ml 浓度为 1.5mg/ml 的 Cs0.33WO3 NP 溶液制成的溶液,并将其置于超声波振荡器的碗中 15 分钟。随后,将 NP 溶液和分散剂以 1:1.25 的比例混合,并进行 15 分钟的超声波振荡。然后用D.I洗涤所得溶液。水并以 10,000 rpm 离心 15 分钟。并在使用前重复两次。

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材料合成、与纳米颗粒的细胞孵育和对癌细胞进行光热测定的实验程序的示意图。 BCL、TEn 和 PD 分别是双凹透镜、隔热箱和培养皿的缩写;红色箭头表示光束轮廓测量位置

材料表征

然后,使用zeta电位分析(ZS90,Malvern,UK),XRD(D2 Phaser, Bruker AXS GmbH,德国)、SEM(SU-5000,Hitachi,日本)结合内置能量色散光谱(EDS)、TEM(JEM-2100F,JEOL,日本)、动态光散射(DLS)(Delsa) Nano C,Beckman Coulter,美国),UV-VIS-NIR 光谱仪(V-750,Jasco,日本)。通过在 20° 到 80° 的角跨度内以每分钟 4° 的扫描速率对样品进行 X 射线扫描来获得 XRD 谱。确定来自样品的扫描角度相关衍射信号,并将其与粉末衍射标准联合委员会 (JCPDS) 卡编号 83-1334 中 Cs0.32WO3 的标准 XRD 光谱进行比较。为了证实纳米颗粒光热性能的时间依赖性,建立了一个由 980 nm 波长的近红外激光和温度测量探头组成的简单实验装置,以探测近红外辐射溶液产生的温度状态。检查解决方案包括 D.I.水稀释的纳米颗粒溶液和纳米颗粒溶液在细胞培养基中的混合物。培养皿中样品的光束直径扩大到覆盖培养皿的整个表面,产生 0.05 W/cm 2 在估计的光功率密度中,否则在 2 W/cm 2 时保持不变 .图 1 右侧面板上显示的光学设置用于执行 NIR 照射。光学系统的核心是射向双凹透镜的 NIR 激光束,该透镜将光束直径从 4 毫米扩展到 5.2 厘米,相当于放置在设置为 36.8° 的热板上的培养皿的表面直径C,这是细胞生长的生理温度;此外,培养皿被塑料圆柱形外壳包围,以帮助平衡周围环境和培养基的温度。附加文件 1:图 S1 说明了在光束孔径出口处测得的 NIR 激光光束的光强度映射,如图 1 中激光光束旁边的红色箭头所示。光束轮廓呈现了光强度并验证整个培养皿开口处光场的均匀性。

细胞毒性和光热分析

开始细胞培养周期时,500 毫升培养基溶液由 440 毫升火腿营养混合物 F-12 和 Dulbecco 改良伊格尔基本培养基 (HDMEM)、50 毫升胎牛血清 (FBS)、5 毫升 L-谷氨酰胺组成制备 5 ml P/S(青霉素-链霉素),通过孔径为 0.22 μm 的筛网过滤器进行灭菌。含有细胞的培养皿,直径为 10 厘米或 5.2 厘米,相应地装有 8 毫升和 2 毫升培养基,用于初级和继代培养,并在用 5% CO2 调节的培养箱中培养,温度为 37 ̊°C。细胞生长观察和培养基更新每两天进行一次。

为了获得细胞检测案例的存活率,包括 (1) 没有外部输入的控制,(2) 单独的 NIR 照射,(3) 与 NPs 一起孵化,以及 (4) 与 NPs 一起孵化,同时进行 NIR 照射,吸出培养皿中的培养基,在培养皿中加入0.4ml胰蛋白酶,置于培养箱中约10分钟。确认细胞从培养皿壁脱离后,从培养皿中取出 10 μl 含细胞培养基并加入微量离心管中的 10 μl 台盼蓝溶液中,并通过数次去除残留的漂浮 NPs磷酸盐缓冲液 (PBS) 洗涤次数。之后,将染色后的细胞液10 μl通过进样孔注入计数板进行细胞计数,在体视显微镜焦平面上观察细胞,手动计数;所有关于细胞存活率的数据中出现的每个数据点都是三个实验试验的平均值 (N =3) 加上标准差的边际。

为了准备评估 NP 的细胞毒性及其光热效应对细胞存活率的影响,将 5.2 cm 培养皿中的培养基取出,在新培养基中重新填充适量的 NP 溶液,制成一系列测试浓度, 2 mg/ml、1.5 mg/ml、1 mg/ml和0.5 mg/ml,然后在实验前孵育1天。

在光热测定之前,进行细胞毒性评估以检查细胞对一系列 NP 浓度的反应,并如下进行。从培养箱中取出含有细胞和纳米颗粒的培养基并吸出。使用一毫升预热的 PBS 清洗癌细胞并吸出未进行内吞作用的残余漂浮 CsWO3 NPs,该过程重复数次以确保任何潜在的细胞死亡不是由 NP 诱导的新介质温度升高。光热处理后,对细胞进行细胞毒性和光热测定。

结果

Cs0.33WO3纳米材料的吸光度和光热性能高度依赖于晶体结构、后退火温度、原子化学计量和颗粒特征尺寸[28, 29]。

为了表征 Cs0.33WO3 微粉的表面形态,获得了放大 10,000 倍的 SEM 图像,用于目视确认图 2a 中红色箭头指示的柱状六边形的标志性结构。此外,TEM 图像显示了图 2b 中微粉颗粒的轮廓形状和特征尺寸,其中其特征尺寸约为 1 μm 或更小。还验证了 NP 的棒状几何形状和以 120 nm 为中心的纳米级特征尺寸的 DLS 分布直方图,并显示在图 2c 和相应的插入 TEM 图像中。此外,使用 XRD 对微粉和 NP 的结晶表征如图 2d 所示。从顶部面板上的微粉 XRD 谱可以看出,沿 (002)、(102)、(200)、(112)、(202)、(212)、(004)、(220) 的标志性结晶平面)、(222)、(204)、(400) 和 (224) 与来自粉末衍射标准联合委员会 (JCPDS) 卡片 No. 83-1334 的 Cs0.32WO3 的标准光谱非常吻合。当微粉的特征尺寸减小到 120 nm 时,所有衍射峰的强度都单调降低,一些表明强 NIR 吸收的特征峰,如 (102) 和 (220) 面,在光谱中变得不可见。同样,对原子成分铯 (Cs)、钨 (W) 和氧 (O) 的鉴定,如图 2e 所示,不仅证实了其原子的存在,而且还证实了 Cs 与 W 的原子百分比比为 0.315 ,与最初设计的化学计量非常相似。

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物理和材料表征。 SEM 和 b 微粉的 TEM 图像,c NP特征大小的DLS分布直方图,d µpowder 和 120 nm 纳米颗粒的 XRD 谱,以及 e 显示了具有原子组成百分比的 EDS 光谱。 a 中的比例尺 , b , c 分别为 1.5 μm、200 nm 和 100 nm

在材料表征之上,测量了纳米颗粒的光吸收光谱和温度随时间变化的光热调制,如图 3 所示。在(a、b)中,NIR 吸光度的依赖性和 NIR 引起的温升曲线- 描绘了作为 NP 浓度函数的辐照 NP 溶液,其中 1 毫克/毫升的时程温度图,例如,最高 40 °C,并稳定地保持至少 1 小时,确认了材料的光热稳定性和耐久性.同样,图 3c 中的时程温度曲线说明了 190 分钟内的 5 个重复循环,验证了 NP 材料的光热响应性。在图 3d 中,从培养箱中取出的培养基和掺入 NP 的培养基的时间温度曲线,放置在加热板上并经过近红外辐射,在 10 分钟内稳定在 37°C 左右,并且10 分钟后,经过 NIR 照射的纯 NP 溶液的温度从 24.6°C 上升到 33.6°C。因此,考虑到 NP 的光热功能,以下实验的 NIR 照射进行了 10 分钟、30 分钟和 60 分钟,在实验期间保持了 NP 的稳健性,并可能适用于临床前研究。

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光学和光热特性。 b中近红外辐射NP溶液的光吸收光谱和时程温度曲线 , c 比色皿和 d 描绘了培养皿。 Ex象征扩束箱的轮廓; NP 浓度为 1.5 毫克/毫升,光功率密度为 50 毫瓦/厘米 2 用于 (d ); c 中每个周期的 NIR 照射持续时间 是 15 分钟

随后,通过以 50 mW/cm 2 照射细胞 1 小时和 2 小时来确定实验参数的无毒剂量,包括 NIR 照射的持续时间和 NP 浓度。 并通过与浓度为 0.5 毫克/毫升、1 毫克/毫升、1.5 毫克/毫升和 2 毫克/毫升的 NP 直接相互作用,分别如图 4a、b 所示。在近红外辐射 2 小时的过程中,细胞存活率保持在 95% 以上,证实细胞长期暴露于 980 nm 光子无毒,而且无毒 NP 浓度低于 1.5 毫克/ml 已确定。

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实验参数的细胞毒性测定。 a给药时HepG2细胞的存活率 近红外辐射的持续时间,b 提供了各种浓度的 120 nm NP。 NP孵育时间为1天;三个实验试验的标准偏差 (N =3) 表示每个数据点

以 1.5 mg/ml 或更低的剂量对癌细胞给药,对 HepG2 细胞几乎没有损害作用,其目的是检查光热剂量对癌细胞的影响,而不暗示 NP 的固有毒性。为了检查 NIR 照射的 NPs 是否可以作为消除癌细胞的可行解决方案,将细胞与 1.5 mg/ml 的 NPs 一起孵育一天,然后施加 NIR 辐射 1 小时。从图 5d-f 的明场 (BF) 光学图像可以看出,当曝光时间持续 1 小时 (e) 或 2 小时 (f) 时,细胞数量明显减少。从数量上讲,随着照射持续时间从 10 分钟增加,存活率从 84.2% 单调下降到 58.4%。到 1 小时,并且一条线性趋势线在分散的数据点之间拟合得很好,这预测了照射持续 2 小时时 20% 的存活率。此外,图 5h 表明,对于 1 小时的照射,随着光功率密度从 12.5 增加到 50 mW/cm 2 ,存活率从 73% 降低到 58% , 确定 NIR 照射的 NPs 作为光热触发器破坏癌细胞的功能。

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光热测定。当以 1.5 mg/ml 的 NP 浓度与 NIR 照射一起给药时,HepG2 细胞的存活率。 a 上的相应比例尺 –c 顶部和 df BF 光学图像的底部行是 200 μm 和 100 μm。三个实验试验的标准偏差 (N =3) 表示每个数据点

此外,通过制备 fNPs、进行相同的洗涤和孵育程序并观察 fNPs 的任何细胞内存在,解决了这种光热作用是否以细胞内或细胞外方式发生的不确定性。图 6 说明了在有和没有 fNP 的情况下培养的细胞的共焦 BF (b, e) 和荧光 (a, d) 图像及其叠加的复合材料 (c, f)。显然,未孵育 fNP 作为对照的细胞表现出可忽略不计的绿色荧光,这主要归因于细胞自发荧光,与在图像中发现的所有细胞质中绿色荧光分布无所不在的实验形成鲜明对比。对照和实验样品图像中的平均荧光强度也被量化并显示在图 6g 的直方图中,其中经历内吞作用的 fNPs 的荧光强度至少是对照的九倍。

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光学共焦图像。 a , d 荧光,b , e BF 和 c , fa中呈现了作为相应的实验组和对照组的有和没有fNPs孵育的HepG2细胞的复合光学图像 –c 顶部和 df g 旁边的底行 平均荧光强度的直方图。比例尺代表 20 μm;激光激发波长为488 nm

讨论

早在 1900 年代初期,利用电磁波治疗癌症疾病的热疗概念就成功地治愈了某些形式的恶性肿瘤,但由于引起发热的抗菌剂的有用性和缺乏精确的对局部感兴趣的肿瘤原位的可及性 [30]。直到 1980 年代,几项体外研究才重新引起了人们的兴趣,这些研究发现了代谢变化、肿瘤微循环的改变和热疗后酸解的许多方面,对癌细胞产生了致命的影响 [31]。从机制上讲,除了当施加的温度> 42°C时癌细胞发生坏死和凋亡减少的直接细胞毒性外,与较低的冷却能力和低pH值(<6.8)相关的血流速度降低使癌细胞更容易受到加热,从而导致更高的细胞杀伤率 [32, 33]。然而,在临床上,由于百年来不精确的非特异性定位的缺点,热疗只有在与化疗或放疗同时使用时才发现治疗效果增强[34, 35]。

基于 NP 的材料允许精确定位和监测,并具有广泛的物理特性,如表面电荷、荧光、光热转换,非常适合热疗应用中这种不精确的利基。然而,尽管许多 NIR 辐照 NP 材料在癌细胞研究中已被证明是有用的,但曝光的安全限制通常没有像 CsWO3 NP 那样得到很好的检查。然而,如图 4b 所示,与少数流行的 NP 材料(例如 Ag、Au、石墨烯)相比,CsWO3 NPs 具有相对较低的细胞毒性,为 1.5 mg/ml,其阈值为 1 μg/ml [18, 36, 37],仍然需要 0.7 W/cm 2 尽管在 800 nm 至 2400 nm 的波长范围内具有强烈的 NIR 吸收 [15, 25, 26],但仍能有效破坏 Hela 细胞。

本研究旨在为体外 HepG2 癌细胞设计一种有效的 NIR 辐照触发、基于 Cs0.33WO3 NP 的热剂量公式,作为 NP 浓度、辐照持续时间和光功率密度的函数,在 NIR 暴露限制范围内皮肤组织。

实验从合成 NPs 开始,图 1 概述了包括氧化还原反应、退火过程和湿磨法在内的逐步合成过程。氧化还原反应将大的三元元素(在这种情况下为 Cs)结合到WO6 的八面体结构环在适当的物理环境中,允许形成特殊的晶体结构并将自由电子结合到金属分子化合物中,这是 NIR 吸收后强光热转换的内在原因 [26, 27]。此外,随后的退火和湿磨工艺有助于细化晶体形成并减小颗粒特征尺寸,从而进一步增强 NIR 光热转换。之后,合成的 NP 解决方案进行了一系列物理和材料表征,验证了 120 nm 的平均特征尺寸,NIR 吸收的关键优化,并验证了原子组成(图 2)。此外,0.5 毫克/毫升、1 毫克/毫升和 1.5 毫克/毫升的 zeta 电位的相应测量值为 - 53.2 mV、- 54.3 mV、- 60.1 mV。一般来说,内吞过程是大多数NP类型的主要进入途径,非吞噬细胞对阳离子和离子NPs的摄取率均高于中性实体,但前者表现优于后者[38]。此外,许多先前的报告发现带负电荷的纳米颗粒对非吞噬细胞的毒性较小[39, 40],当考虑到光热剂量导致细胞内纳米颗粒过度积累且毒性低时,这是一个有益的优点。

为了为 HepG2 细胞的光热测定建立基调,评估 NP 作为光热加热器的稳健性、其在饱和温度下与周围环境平衡超过一个小时的长期稳定性以及连续 5 个循环的可重复性within 3 h were demonstrated (Fig. 3b, c). Also, to quantify the effectiveness of the NP's hyperthermia per se in dosing the cancer cells by ruling out the influence of ambient temperature (nominally at 25 °C), a calibration of the experimental apparatus was implemented by setting a hotplate to 37 °C, atop which all cell assays were carried out, and the temporally photothermal characteristics of the pure culture medium and NP-incorporated culture medium remained at 37.1 °C (Fig. 3d). Thereafter, the dependence of cytotoxicity on the duration of irradiation and NP concentration was examined separately and is presented in Fig. 4 indicating less than 5% of cell killing for over 2 h of NIR-irradiation and 1.5 mg/ml as the pivotal point toward lethal concentration. By fixing the NP concentration at 1.5 mg/ml, which was used throughout the rest of photothermal assay, the thermal dose for medical hyperthermia was defined as functions of variable dosing duration and optical power density. Figure 5 illustrates the action of cell killing with low (a–c) and high (d–f) magnification when NIR-irradiation for 0 h, 1 h and 2 h was implemented, the seemingly reduced number in the cells reflects well the quantitative analysis of cell survival rate as shown in (g), and the linear trend line predicts 80% of cell death for 2 h of irradiation. Likewise, the decrease in cell survival rate upon the incremental optical power density is also demonstrated in (h). Lastly, as clearly depicted by the BF, fluorescence and superimposed composite images in Fig. 6, in which a histogram of fluorescence analysis was presented, the endocytosis of the fNPs was verified.

结论

In summary, this study presents material synthesis and characterization of Cs0.33WO3 NPs, examines in vitro cytotoxicity assays of the direct NPs interaction, and separately, with NIR irradiation, and proves the endocytosis of the NPs as well as effectiveness of the NIR-irradiated NPs upon destructing the HepG2 cancer cells. Moreover, this study suggests a combinative dose of the NIR-irradiated Cs0.33WO3 NPs solution for the HepG2 cancer cells, 1.5 mg/ml of NP concentration, the duration of irradiation between 30 min. to 1 h, and optical power densities of NIR irradiation under 50 mW/cm 2 which is well below the safety NIR exposure limit for skin tissue while allowing cancer cell mortality rate close to 40% and may be potentially applicable to the development of patient-friendly and personalized medicine. Such studies in a clinical setting will require additional measures like surface modification with molecules that recognize surface receptors of specific cancer cell types.

数据和材料的可用性

All data are fully available without any restriction.

缩写

NP:

纳米粒子

fNPs:

Fluorescence version of Cs0.33WO3 nanoparticles

NIR:

Near-infrared

UV–VIS–NIR:

Ultraviolet–visible–near-infrared

REDOX:

Oxidation-reduction

DLS:

动态光散射

XRD:

X射线衍射

SEM:

扫描电镜

EDS:

能量色散X射线光谱

RF:

Radiofrequency

ICNRP:

International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

MIN:

Minutes

SCCM:

Standard cubic centimeter per minute

μ:

Micron

RPM:

Round per minute

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

DI:

去离子

BF:

Bright field


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