Reactive Oxygen Species-Reactive Nanoparticle Toxicity in the Biomedical Field

Introduction

Les nanoparticules (NP) sont une classe de nouvelles particules synthétiques de dimensions <100 nm. Selon leur forme et leur taille, les caractéristiques physiques et chimiques distinctes confèrent aux NP des fonctions différentes. Les NP sont largement utilisées dans de nombreux produits de consommation, notamment les textiles, les cosmétiques, la purification de l'eau et les emballages alimentaires [1, 2]. Ils sont également utilisés dans l'ingénierie des photocatalyseurs, de l'énergie et de l'optoélectronique [3,4,5,6].

En particulier, les NP sont devenues un matériau privilégié dans les matériaux biomédicaux et sont largement utilisées dans les biocapteurs, l'administration de siARN, le knockdown de gènes ciblés, l'administration de médicaments et dans les matériaux médicaux de bio-remplissage [7,8,9,10,11]. D'autres utilisations des NP sont encore en cours de découverte. Par exemple, Duan et al. [12] a montré que Fe₃ O₄ -polyéthylène glycol-polyamide-amine-matrice métalloprotéinase2@ chlore e6 (Fe₃ O₄ -Les nanosondes PEG-G5-MMP2@Ce6) ont significativement inhibé la croissance des tumeurs gastriques. Dans un autre cas, les nanoparticules de pDNA-polyéthylèneimine CeO (pDNA-PEI-CeO NPs) pourraient induire plus d'apoptose des cellules de fibrosarcome [13]. De plus, des nanoparticules creuses de silice-Fe-polyéthylène glycol-récepteur 2 du facteur de croissance épidermique humain (HS-Fe-PEG-HER2) pourraient lier sélectivement les cellules tumorales et ont été utilisées comme agents d'imagerie pour distinguer les tissus normaux des cellules cancéreuses [14]. Enfin, les nanoparticules d'argent (Ag NPs) servent de nano-antibiotiques, qui combattent efficacement les infections bactériennes résistantes associées aux biofilms [15].

Malgré le potentiel d'applications positives des NP dans divers domaines, un nombre croissant d'études ont indiqué leurs effets néfastes sur les organismes [16, 17] et les cellules suite à une exposition aux NP [18, 19]. Le potentiel toxique des NP dépend de leur taille et de leur forme, qui ont déterminé leur propension à induire la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) [20, 21]. La génération excessive de ROS peut induire un éventail de résultats physiopathologiques, notamment la génotoxicité, l'apoptose, la nécrose, l'inflammation, la fibrose, la métaplasie, l'hypertrophie et la carcinogenèse [18, 22, 23]. Il a également été démontré que la toxicité des NP améliore l'expression des cytokines pro-inflammatoires et active les cellules inflammatoires, telles que les macrophages, qui augmentent encore la génération de ROS [23, 24]. Il a également été démontré que la génération accrue de ROS suite à une exposition aux NP induit la modulation des fonctions cellulaires, avec des résultats fatals dans certains cas [17, 23, 25]. Dans cette revue, nous discutons des principaux mécanismes sous-jacents aux salves de ROS induites par les NP, analysons les principales raisons de la cytotoxicité des NP et résumons les effets pathogènes potentiels des NP. Notre présente revue fournit des preuves accablantes que la surproduction de ROS est la principale cause de la biotoxicité des NP. Par conséquent, de nouvelles recherches devraient viser à réduire la cytotoxicité des NP en concevant des NP qui induisent une faible production de ROS.

L'application des NP dans le domaine biomédical

Les NP ont été utilisées dans diverses applications médicales, et plusieurs nouvelles NP présentent des propriétés prometteuses pour leur utilisation dans de nouveaux matériaux biomédicaux. Comme résumé dans le tableau 1, Nano-C60 peut être utilisé comme agent anticancéreux, qui inhibe la prolifération des cellules cancéreuses, à la fois in vivo et in vitro [26]. Les NP de ZnO ont été utilisées comme charges dans les implants orthopédiques et dentaires [38]. TiO₂ peuvent être utilisés comme agents antibactériens, dans la purification de l'air et de l'eau, et pour les prothèses dentaires [52,53,54]. Davaifar et al. ont rapporté qu'une nanotige de phycocyanine-ZnO pourrait protéger la cellule en diminuant la génération de ROS endogènes [68]. Pacurari et al. ont souligné que les SWCNT pourraient être appliqués en tant qu'agent de diagnostic clinique et en tant que matériaux de bio-ingénierie [88]. Au-delà de cela, de nombreuses NP peuvent être utilisées comme agents antimicrobiens, qui tuent les bactéries en induisant des bouffées de ROS (tableau 1).

Les mécanismes d'augmentation des ROS induits par les NP dans les cellules

Les ROS sont des particules chimiquement réactives qui contiennent de l'oxygène, notamment du peroxyde d'hydrogène (H₂ O₂ ), les radicaux anions superoxyde réactifs (O ^2- ), et des radicaux hydroxyles (•OH) [92, 93]. Les ROS sont principalement générés dans les organites tels que le réticulum endoplasmique (RE), dans les peroxysomes, et plus particulièrement dans les mitochondries [94]. Au cours de la phosphorylation oxydative, l'oxygène est utilisé pour la synthèse d'eau par l'ajout d'électrons à travers la chaîne de transport d'électrons mitochondriale (ETC). Certains de ces électrons sont acceptés par l'oxygène moléculaire pour former O ^2- , qui peut encore transformer H₂ O₂ et •OH [93].

Dans un contexte physiologique, les ROS sont produites comme une réponse naturelle au métabolisme normal de l'oxygène [95] et jouent un rôle vital dans diverses voies de signalisation cellulaire [96, 97]. Dröge et Holmstrom et al. ont rapporté que les ROS pouvaient activer de nombreuses cascades de signalisation, y compris le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGF), les cascades de la protéine kinase activée par les mitogènes (MAPK), la protéine activatrice du facteur de transcription-1 (AP-1) et le facteur nucléaire-KB ( NF-κB), et a en outre participé au processus de croissance, de prolifération et de différenciation des mammifères [98, 99]. D'autres études ont montré que les ROS régulaient également la réparation des plaies [100], la survie après hypoxie [101], l'homéostasie du pH intracellulaire [102] et l'immunité innée [103].

Néanmoins, suite à une exposition aux NP, la génération intracellulaire de ROS peut fortement augmenter en induisant des bursts de ROS dans les cellules [20] (Tableau 1). Les principales explications mécanistes des sursauts de ROS sont que les ions métalliques libérés par les NP favorisent la surexpression des ROS en altérant la respiration mitochondriale [30, 104].

Il a été démontré que les ions métalliques libérés par les NP se mélangent au cycle redox et à la chimiocatalyse via la réaction de Fenton [H₂ O₂ + Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + HO ⁻ + •OH] ou réaction de type Fenton [Ag ⁺ H₂ O₂ +H ⁺ =Ag ⁺ + •OH + H₂ O] [23, 105, 106]. L'ion métallique dissocié (c'est-à-dire Ag ⁺ ) provoque également une désactivation des enzymes cellulaires, une perturbation de la structure membranaire [31, 107], un processus de navette électronique perturbé [108], une diminution des niveaux de potentiel redox, une réduction des potentiels membranaires mitochondriaux (MMP) [109] et améliore encore l'accumulation de ROS intracellulaires. Il a également été rapporté que les NP favorisent l'accumulation intracellulaire de ROS en perturbant le processus de transfert d'électrons [32, 110], augmentant le NADP ⁺ rapport /NADPH [30], et fonction mitochondriale interférente [18]. Les NP interfèrent davantage avec l'expression des gènes liés au stress oxydatif, tels que soxS , soxR , oxyR , et ahpC [58] ; des gènes antioxydants, comme sod1 et gpx 1 [111, 112] ; et le gène lié à la production de NADPH met9 [30]. L'instabilité de l'expression des gènes oxydatifs et antioxydants causée par les NP accélère l'accumulation intracellulaire de ROS.

Fait intéressant, l'augmentation de la production de ROS a été fortement associée à des tailles et des formes particulières de NP [113, 114]. Par exemple, TiO₂ Les NP ont contribué à la génération de ROS intracellulaires, ce qui a entraîné des dommages aux acides nucléiques et aux protéines [10]. Liao et al. trouvé que 10 nm TiO₂ Les NP avaient une génotoxicité plus élevée que les autres tailles testées et pouvaient donc induire plus de génération de ROS [115]. Dans un autre cas, les Se NP ont favorisé la production de ROS dans les cellules, et le rendement en ROS intracellulaires était fortement associé au diamètre des Se NP. Dans ce cas, un diamètre de 81 nm induit plus de production de ROS que les autres tailles testées [113]. Cho et al. ont en outre montré que la forme des NP affectait fortement leur capacité à induire la production de ROS. Les nanoparticules métalliques imitant les fleurs du jour (D-NP) entraînent une production significativement plus élevée de ROS que les nanoparticules métalliques imitant les fleurs de nuit (N-NP), entraînant un effet de destruction cellulaire amélioré [114] (Fig. 1).

La production de ROS induite par les NP dans la solution et les cellules environnantes [32]. Les électrons générés par les NP pourraient entrer dans les cellules et perturber les fonctions de la chaîne respiratoire, puis augmenter la production de ROS intracellulaires. Les électrons pourraient également réagir avec O₂ directement et augmenté la génération de ROS extracellulaires

Les NP peuvent induire des bouffées de ROS intracellulaires à très faible concentration (montrée dans le tableau 1), par exemple, Nano-C60 à 1 g/mL peut augmenter considérablement l'apoptose cellulaire en induisant un stress oxydatif [26, 27]. Notamment, la plupart des NP ont un effet dose-dépendant, comme cela a été rapporté pour VO₂ NPs [60, 61] et CuO NPs [74, 75].

Conséquences catastrophiques des NP sur les cellules par une augmentation de la production de ROS

Les NP qui pénètrent dans la cellule ont souvent des effets néfastes sur celle-ci. L'explication la plus étayée de la cytotoxicité des NP est que le stress oxydatif est induit par une explosion de ROS. Les bouffées de ROS causées par les NP ont entraîné la modification oxydative des biomacromolécules, l'endommagement des structures cellulaires, le développement d'une résistance aux médicaments, la mutation génique et la carcinogenèse [116, 117]. De plus, les salves de ROS ont altéré les fonctions physiologiques normales des cellules, comme c'est le cas avec l'inflammation déclenchée, qui finalement bloque les fonctions cellulaires et endommage l'organisme [23, 118, 119]. Généralement, les NP sont d'abord adsorbées à la surface de la cellule, puis passées à travers la membrane dans la cellule, où elles induisent la génération de ROS [36]. En raison de son fort potentiel oxydatif, les ROS sont très stressants pour la cellule [46] et attaquent presque tous les types de biomolécules dans la cellule, y compris les glucides, les acides nucléiques, les acides gras insaturés, les protéines et les acides aminés, et les vitamines [36, 120, 121 ] (Fig. 2).

Le rôle crucial des ROS dans la cytotoxicité induite par les NP [33]. Les événements cellulaires possibles ayant lieu après que les NP interagissent avec les systèmes intracellulaires

Les résultats de ROS dans les peroxydes lipidiques et les dommages à la structure membranaire

Les lipides, en particulier les acides gras insaturés, sont des macromolécules intracellulaires importantes, qui jouent un rôle clé dans la structure et le fonctionnement de la membrane cellulaire. Les NP sont fortement attirées par la membrane cellulaire, où elles peuvent générer des ROS et conduire à la peroxydation des lipides de la membrane externe. La teneur modifiée en acides gras de la membrane cellulaire peut entraîner une augmentation de la perméabilité cellulaire, ce qui entraîne le transport incontrôlé des NP de l'environnement extracellulaire vers le cytoplasme, où les dommages cellulaires peuvent progresser davantage [76, 122].

Les NP intracellulaires induisent la prochaine série de salves de ROS. Les ROS surchargés entraînent la rupture des membranes des organites, la fuite du contenu des organites [52, 123], l'inactivation des récepteurs cellulaires [124], la libération de lactate déshydrogénase (LDH) et d'autres dommages cellulaires irréversibles [125 ].

Les ROS attaquent les protéines et entraînent une inactivation fonctionnelle

Les ROS attaquent les résidus hydrophobes des acides aminés, contribuant à la rupture des liaisons peptidiques et interférant avec la fonction de ces protéines [126,127,128]. La carbonylation est une autre caractéristique des protéines soumises à des dommages oxydatifs [129]. Les protéines carbonylées forment des agrégats chimiquement irréversibles et non dégradables par les protéasomes, entraînant la perte permanente de fonction de ces protéines [130, 131]. Gurunathan et al. [132] ont montré que les PtNP pouvaient améliorer la génération de ROS et augmenter les niveaux de protéines carbonylées, ce qui inhibait la prolifération des ostéosarcomes et contribuait à l'apoptose. Dans un cas, des nanoparticules dérivées de la combustion et de la friction (CFDNP) s'étaient accumulées dans le cerveau de jeunes adultes atteints de la maladie d'Alzheimer, ce qui a probablement favorisé la génération de ROS, entraînant un mauvais repliement, une agrégation et une fibrillation des protéines [133]. De plus, Pelgrift et al. ont montré que les NP de Mg peuvent inhiber la transcription des gènes ou endommager directement les protéines [10].

Mutation génique induite par ROS

Les acides nucléiques, y compris l'ADN et l'ARN, sont essentiels à la fonction, à la croissance et au développement des cellules, et leurs nucléotides composants sont des cibles vulnérables des ROS [134, 135, 136]. En raison de leur faible potentiel redox, les ROS peuvent réagir directement avec les nucléobases et les modifier [137]. Par exemple, les ROS pourraient oxyder la guanine en 8-oxo-7,8 dihydroguanine (8-oxoG) [138] et l'adénine en 1,2-dihydro-2-oxoadénine (2-oxoA) [139]. Ces modifications de bases entraînent des dommages à l'ADN [140]. En raison de leur potentiel génotoxique et de leur capacité à induire la formation de ROS [141], les NP induisent de manière significative des ruptures d'ADN simple et double brin [142, 143], des dommages chromosomiques et des événements géniques aneuploïdes [144].

L'augmentation de la production de ROS est la principale cause de codage erroné des gènes, d'aneuploïdie, de polyploïdie et d'activation de la mutagenèse dans les cellules exposées aux NP [145,146,147,148]. Parmi les pools de nucléotides, la guanine est la plus vulnérable et est facilement oxydée en 8-oxoG par les ROS [149]. L'augmentation du niveau de 8-oxo-dG dans l'ADN entraîne un mésappariement des bases de l'ADN [150]. De même, l'incorporation de A:8-oxoG provoque une augmentation du taux de mutations transversion délétères G:C> T:A [151, 152]. Le rapport de la transversion G:C> T:A à la mutation de transition G:C> A:T a également été utilisé comme indice pour quantifier les dommages oxydatifs à l'ADN [153].

La génération de ROS induite par les NP a entraîné l'accumulation de dommages à l'ADN, ce qui entraîne le développement de la mutagénicité [154], de l'oncogenèse [155], de la multirésistance [156, 157], du vieillissement et de l'échappement immunitaire [158]. Jin et al. ont montré que la surproduction de ROS augmentait considérablement la mutagenèse des gènes régulateurs de la transcription de liaison à l'ADN, ce qui a entraîné un efflux accéléré d'antibiotiques [159], qui à son tour favorise la résistance multiple aux antibiotiques des bactéries [34]. Giannoni et al. ont rapporté que des mutations de l'ADN mitochondrial se produisaient avec l'augmentation des ROS intracellulaires et endommageaient davantage l'activité du complexe ETC I et entraînaient un dysfonctionnement mitochondrial [160, 161].

Il a été démontré que les dommages à l'ADN induits par les NP inhibent la synthèse des acides aminés, la réplication [162] et provoquent l'accumulation aberrante des protéines p53 [163] et Rab51 [82, 142]. Les dommages à l'ADN peuvent également retarder ou arrêter complètement la cellule [164]. Les cellules dont l'ADN est endommagé perdent leur capacité de croissance et de prolifération [165] et peuvent éventuellement entraîner la mort cellulaire [166] (Fig. 3).

Événements cellulaires induits par les NP. Les NP contribuent à la destruction de la membrane cellulaire et à la peroxydation des lipides. ② La membrane lysosomale est détruite par les NP et entraîne la libération de leur contenu. ③ La membrane mitochondriale est endommagée par les NP, ce qui entraîne la libération de contenu. Les NP réduisent la génération d'ATP et augmentent la production de ROS. Les ROS induits par les NP entraînent une mauvaise traduction de l'ARN. Les NP empêchent la liaison de l'ARNt au ribosome. Les ROS induits par les NP entraînent la polymérisation des protéines et de l'ADN. ⑦ Les ROS induites par les NP conduisent à des mutations de l'ADN ⑧ La membrane nucléaire est détruite par les NP, ce qui entraîne la libération de son contenu

La production accrue de ROS induit des dommages cellulaires et l'apparition de maladies

La cytotoxicité des NP est associée au stress oxydatif, à la production endogène de ROS et à l'épuisement des pools antioxydants intracellulaires. L'augmentation du stress oxydatif entraîne des dommages oxydatifs aux biomacromolécules, ce qui affecte davantage le fonctionnement normal de la cellule et contribue à l'apparition et au développement de diverses maladies [167].

Les NP induisent des dommages membranaires et améliorent le transport des NP dans le cytoplasme. Les NP se concentrent dans les lysosomes, les mitochondries et le noyau, ce qui entraîne des conséquences catastrophiques pour la cellule [168, 169]. Il a été rapporté que les NP peuvent réduire la production d'adénosine triphosphate (ATP) [89], épuiser le glutathion, induire une mauvaise traduction des protéines [170], rompre les lysosomes [171] et empêcher la sous-unité ribosomique de se lier à l'ARN de transfert (ARNt). Ces événements cellulaires indiquent un effondrement du processus biologique fondamental dans la cellule et conduisent à une diminution significative de la viabilité cellulaire [47]. Singh et Scherz-Shouval et al. ont rapporté que les NP pouvaient perturber les fonctions du cytosquelette en induisant la génération de ROS et activer le processus d'autophagie et d'apoptose dans les cellules [89].

Les NP pénètrent dans le corps par différentes voies, par exemple à travers la peau, les poumons ou le tractus intestinal (Fig. 4a) et peuvent avoir une grande variété d'effets toxicologiques et induire des réponses biologiques telles que l'inflammation et les réponses immunitaires [172,173,174]. Dans un cas, l'exposition des cellules aux nanoparticules de silice a provoqué la sécrétion par les macrophages d'une grande quantité d'interleukine-1β (IL-1β), ce qui a finalement entraîné la mort cellulaire [175]. Gao et ses collègues ont rapporté que l'inflammation pulmonaire était considérablement plus élevée chez la souris après exposition à des nanotubes de carbone, qui pourraient activer les macrophages alvéolaires et induire une forte réponse inflammatoire [176]. Dans une autre étude, des cobayes exposés aux NP de ZnO ont subi des lésions pulmonaires, ce qui entraîne une diminution de la capacité pulmonaire totale et de la capacité vitale [177,178,179].

Entrée de NP et dommages aux organes. un Les NP pourraient pénétrer dans les organismes par la cavité buccale, la cavité nasale, les voies respiratoires, les reins et le tractus intestinal ; b Les NP pourraient se propager par la circulation systémique et s'accumuler dans les reins, le foie, le cœur, le cerveau, le tractus intestinal et les poumons, entraînant un dysfonctionnement des organes (ce chiffre a été créé dans BioRender.com).

Les NP de ZnO ont également induit de graves lésions de la barrière épithéliale alvéolaire et provoqué une inflammation des poumons humains [180]. Dans un autre cas, les NP absorbées dans les intestins ont provoqué l'inflammation et la dégradation de la muqueuse intestinale [181]. Shubayev et al. ont noté que les NP de Mg augmentaient la migration des macrophages vers le système nerveux en dégradant les barrières hémato-encéphalique et hémato-nerveux d'une manière dépendante des MMP [182]. De plus, les souris qui ont inhalé des nanotubes de carbone ont présenté une immunosuppression et une réponse anticorps réprimée dans les cellules spléniques naïves [183]. Enfin, les NP Cd ont causé une diminution sévère de la viabilité des monocytes sanguins, entraînant finalement une immunodéficience [184].

En plus des pathologies ci-dessus, le niveau très variable de ROS a été identifié comme la principale cause du développement de nombreuses maladies humaines. Tretiakova et Liou et al. ont montré que l'ADN oxydé a tendance à former des conjugués ADN-protéine, qui s'accumulent dans le cœur et le cerveau et contribuent à l'apparition de cancers, de maladies liées au vieillissement et d'inflammations chroniques [185, 186]. Andersen [187] a conclu que le diabète, ainsi que les maladies cardiovasculaires et neurodégénératives, étaient fortement liés au déséquilibre des ROS. De plus, Pérez-Rosés et al. ont montré qu'une augmentation des ROS favorisait le développement de la maladie d'Alzheimer et de la maladie de Parkinson [188].

Il a en outre été rapporté que les NP favorisent l'apoptose des cellules cancéreuses du sein [35] et détruisent les tissus malins et les agents pathogènes en favorisant la génération de ROS [189, 190]. Cependant, il a également été découvert que les ROS induisaient la prolifération de cellules normales et cancéreuses, stimulant des mutations et initiant la carcinogenèse dans les cellules normales et la multirésistance aux médicaments dans les cellules cancéreuses [191, 192]. Handy et al. ont découvert que les poissons exposés aux nanotubes de carbone présentaient des granulomes dans leurs poumons et des tumeurs dans leur foie avec des temps d'exposition prolongés [193]. Certaines NP ont causé une défaillance de plusieurs organes, affectant principalement le cœur, les poumons, les reins et le foie. TiO₂ Il a été démontré que les NP favorisent la réduction du poids corporel, les lésions de la rate, la coagulation du sang dans le système respiratoire, la nécrose et la fibrose des cellules hépatiques et dans l'incrassation septale alvéolaire [194, 195]. Dans une étude, les NP ont également empêché la différenciation des cellules souches, ce qui a aggravé les dommages aux organes [196]. D'autres recherches ont également rapporté que les NP diminuaient la qualité du sperme [197] et que l'exposition des spermatozoïdes aux NP carbonées influençait leur capacité à féconder les ovules et nuisait au développement des embryons chez les oursins violets [198]. De plus en plus de preuves montrent les effets toxicologiques des NP sur les micro-organismes, les algues, les nématodes, les plantes, les animaux et les humains en particulier [22, 199, 200] (Fig. 4b).

Le nouveau type de NP avec moins ou pas de cytotoxicité

Les NP possèdent une gamme de propriétés biomédicales qui les rendent précieuses (par exemple, en tant qu'agents antibactériens et anticancéreux [26,27,28]). Leur principal mode d'action est leur capacité à augmenter la production de ROS dans les cellules; cependant, cette propriété rend également ces particules toxiques, en provoquant des mutations génétiques, l'apoptose et même la cancérogenèse [45, 49, 58]. Par conséquent, il existe un besoin urgent de développer de nouvelles NP qui conservent leurs propriétés requises sans conduire à une production excessive de ROS. Des études récentes ont rapporté de nouveaux types de NP qui pourraient éliminer les ROS intracellulaires. Ces types se répartissent en deux classes :(1) les NP qui peuvent piéger les ROS [77] et (2) les NP qui sont recouvertes de matériaux supplémentaires pour diminuer leur cytotoxicité [87].

Panikkanvalappil et ses collègues ont montré que les NP Pt inhibent la rupture double brin de l'ADN en dégradant les ROS [201]. Dans un autre cas, Mn₃ O₄ Les NP ont modulé le redox cellulaire entraînant la protection des biomacromolécules contre le stress oxydatif [77]. De plus, le PDG₂ Le NP est un nouvel agent qui protège les cellules et les tissus contre les dommages oxydatifs grâce à sa capacité d'élimination des radicaux libres [79, 202].

H₂ O₂ est le principal sous-produit des interactions NP-cellules. H₂ O₂ détruit les biomolécules importantes, notamment les protéines, les lipides et les acides nucléiques. Cependant, lorsque les cellules ont été traitées avec des MNP spécialisés recouverts d'acide mercaptopropionique (MPA-NP) ou de silice aminée (SiO₂ -MNPs), de tels dommages n'ont pas été observés [203, 204]. De même, GO recouvert de polyvinylpyrrolidone (PVP) a moins d'effets toxiques sur les cellules dendritiques (CD), les lymphocytes T et les macrophages que sans ce revêtement. Il a été démontré que le PVP-GO réduit l'apoptose des lymphocytes T et augmente même l'activité des macrophages [205]. Les AuNR revêtus de Pt (PtAuNR) conservent l'efficacité des nanotiges d'or traditionnelles (AuNR) et peuvent déclencher la mort cellulaire des cellules souhaitées tout en piégeant les ROS, protégeant ainsi les cellules saines non traitées de la mort indirecte induite par la production de ROS [87].

Conclusions et Outlook

Les NP qui possèdent des propriétés physico-chimiques uniques (par exemple, une taille ultra-petite, un rapport surface/masse élevé et une réactivité élevée) les rendent hautement souhaitables dans différentes applications. Les NP conçues à des fins commerciales ont augmenté rapidement. Pour cette raison, la biosécurité des NP a attiré davantage l'attention du public. Dans cette revue, nous avons résumé les mécanismes et responsables de la formation de ROS par les NP au niveau cellulaire ainsi que les avancées récentes de la toxicité des NP liées aux ROS dans le domaine biomédical et mis en évidence le domaine émergent des NP adaptées aux cellules. La génération de ROS induite par les NP associées à leur taille, leur morphologie, leur surface et leur composant. De plus, ROS est bio-multifonctionnel en biologie cellulaire et en biomédecine, ainsi que le médiateur clé de la signalisation cellulaire, y compris l'apoptose, la viabilité et la différenciation cellulaires.

Cependant, pour améliorer la biosécurité des NP et accélérer leur utilisation dans le domaine biomédical, certains goulots d'étranglement doivent être surmontés et beaucoup de travail reste à faire. Premièrement, on s'attend à ce que les méthodes à haut débit (HTM) soient conçues pour détecter efficacement la biotoxicité des NP in vitro et in vivo. Les HTM pourraient économiser du temps et des ressources, combiner plusieurs paramètres sur un seul système et minimiser les erreurs méthodologiques ou systématiques. Cela offrirait également une compréhension approfondie de la relation entre les propriétés des NP et les réponses cellulaires, ce qui pourrait nous aider à identifier la condition optimale.

Deuxièmement, les mécanismes moléculaires et cellulaires liés à la biotoxicité des ROS induites par les NP ne sont toujours pas clairs. Il existe une demande pour explorer davantage les mécanismes associés à la formation de ROS par les NP, ce qui fournirait plus d'informations pour modifier les caractéristiques chimico-physiques des NP pour contrôler la génération de ROS. Cela pourrait aider les chercheurs à développer de nouvelles stratégies pour réduire les risques des NP modifiées pour accélérer leur traduction clinique et commerciale dans le domaine biomédical.

Enfin, en raison de leurs caractéristiques structurelles, les NP peuvent entrer librement dans le corps par de multiples voies, et l'accumulation de NP dans le corps peut induire une inflammation et des réponses immunitaires, qui entraînent des lésions cellulaires ou la mort, un dysfonctionnement des organes et, finalement, stimulent l'apparition de de nombreuses maladies, telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, l'inflammation du foie et la dysembryoplasie. Ces problèmes sont devenus plus urgents avec l'utilisation généralisée des NP.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié [et ses fichiers d'informations supplémentaires].

Abréviations

•OH :

Radical hydroxyle

2-oxoA :

1,2-Dihydro-2-oxoadénine

8-oxoG :

8-oxo-7,8 dihydroguanine

NP Ag :

Nanoparticules d'argent

AP-1 :

Activateur du facteur de transcription protéine-1

ATP :

Adénosine triphosphate

AuNR :

Nanotiges d'or

CFDNP :

Nanoparticules dérivées de la combustion et du frottement

DC :

Cellules dendritiques

D-NP :

Nanoparticules métalliques imitant les fleurs du jour

EGF :

Facteur de croissance épidermique

RE :

Réticulum endoplasmique

ETC :

Chaîne de transport d'électrons mitochondriale

Fe₃ O₄ -PEG-G5-MMP2@Ce6 :

Fe₃ O₄ -polyéthylène glycol-polyamide-amine-matrice métalloprotéinase2@ chlore e6

H₂ O₂ :

Peroxyde d'hydrogène

NPs HS-Fe-PEG-HER2 :

Nanoparticules creuses de silice-Fe-polyéthylène glycol-récepteur du facteur de croissance épidermique humain 2

LDH :

Lactate déshydrogénase

MMP :

Potentiels membranaires mitochondriaux

MPA-NP :

MNP enrobés d'acide mercaptopropionique

NADP ⁺ /NADPH :

Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate oxydé/réduit

NF-κB :

Facteur nucléaire-κB

N-NP :

Nanoparticules métalliques imitant les fleurs nocturnes

NP :

Nanoparticules

O ^2- :

Radical anionique superoxyde réactif

NPs pDNA-PEI-CeO :

Nanoparticules d'ADNp-polyéthylèneimine CeO

PtAuNR :

AuNR à revêtement Pt

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

ROS :

Espèces réactives de l'oxygène

SiO₂ -MNP :

MNPs avec silice aminée

ARNt :

Transférer l'ARN