Nanotechnology is an area of research that lies at the interface of physics, chemistry, engineering and biotechnology. The last decade has seen nanotechnology become a household term, as nano-scale products, known as nanoparticles, have become diverse in nature and form. Despite their immense promise, the widespread application of nanoparticles is currently limited due to their questionable biocompatibility and unclear consequences on cells and other biological components. We have selected fluorescent nanocrystals, called quantum dots (QDs), to investigate the interactions between nanoparticles and the biological environment, due to their superior optical properties. In the present studies, the mechanisms underlying the adaptive cell response to QDs were examined in multiple model cell lines. We observed significant morphological and functional changes at the cellular and subcellular levels following long term exposure to uncapped QDs. We showed that QD-induced toxicity included the production of reactive oxygen and nitrogen species as well as disruption of mitochondrial function. In addition, we found a novel role for transcription factor EB (TFEB), a master regulator of lysosome biogenesis in the successful cellular adaptation process. We showed that modifications to the QD surface can significantly decrease its toxicity, and in some cases, render the QDs non-toxic. Understanding the mechanisms of cellular adaptation to QDs is a first step for the establishment of protocols to evaluate the safety of other nanomaterials. We then investigated the effects of QD surface properties and how they contribute to particle uptake by using QDs with the same core, but with different surface functionalization. We demonstrated that QD surface charge plays an important role in internalization in two different human cell lines. In addition, we provided evidence for the involvement of several overlapping modes of uptake and export from the cell. Finally, we systematically investigated the effects of QD surface properties on particle stability in biological media. We found that serum proteins were differently adsorbed to the particle surface, and this played a key role in determining the primary mode of internalization. Taken together, the results from this work contribute to the development of nano-scale materials in two main ways:1)by presenting in vitro measures as the first step in the evaluation of nanomaterial safety.2)by demonstrating how surface charge and ligand properties drive specific modes of internalization The findings presented herein promote understanding of the intricacies at the nano-bio interface and provide guiding principles for sensible nanoparticle design, with careful consideration for size, shape and surface charge. / La nanotechnologie se trouve à l'interface de la physique, de la chimie, de l'ingénierie et de la biotechnologie. Au cours de la dernière décennie, les produits de taille nanométrique, appelées nanoparticules, sont devenus de nature et forme de plus en plus diversifiée menant à un grand essor de la nanotechnologie. Malgré leur immense potentiel, l'application généralisée des nanoparticules est actuellement limitée en raison du manque d'information sur leur biocompatibilité et leurs conséquences néfastes sur les cellules et autres composants biologiques. Nous avons sélectionné des nanocristaux fluorescents de propriétés optiques supérieures, appelés points quantiques (QD), afin d'étudier les interactions entre les nanoparticules et l'environnement biologique. Dans cette étude, les mécanismes sous-jacents de la réponse adaptative des cellules lors de l'exposition à des points quantiques ont été examinés dans plusieurs lignées cellulaires. Nous avons observé des changements morphologiques et fonctionnels importants aux niveaux cellulaire et subcellulaire suite à une exposition de long terme à des points quantiques non-revêtu de coque. Nous avons démontré que la toxicité induite par ces QD implique la production d'espèces réactives de l'oxygène et de l'azote ainsi que des perturbations de la fonction mitochondriale. Nous avons également découvert un nouveau rôle pour transcription factor EB (TFEB), un régulateur clé de la biogenèse des lysosomes, dans la réussite du processus d'adaptation cellulaire. Nous avons montré que la présence d'une coque recouvrant les QD ainsi que des modifications à leur surface peuvent diminuer significativement leur toxicité, et dans certains cas, les rendre non-toxiques. La compréhension des mécanismes d'adaptation cellulaire en réaction aux points quantiques est essentielle au développement de procédés évaluant la sécurité d'autres nanomatériaux.Nous avons par la suite étudié l'effet des propriétés de surface des QD et comment elles contribuent à l'absorption des particules. Nous avons utilisé des points quantiques de même noyau mais ayant des modifications de surface distinctes. Nous avons démontré que la charge de surface des QD joue un rôle important dans leur internalisation cellulaire dans deux lignés de cellules humaines différentes. De plus, nous avons montré que plusieurs modes d'importation et d'exportation de la cellule étaient impliqués dans ce processus. Enfin, nous avons étudié systématiquement les effets des propriétés de surface des QD sur la stabilité des particules dans les milieux biologiques. Nous avons découvert que les protéines du sérum sont différemment adsorbées à la surface des particules ce qui joue un rôle déterminant dans le mode d'intériorisation principal.En conclusion, ces résultats aident au développement de matériaux d'échelle nanométrique de deux façons:1 ) en promouvant les modèles in vitro comme une première étape dans l'évaluation de la sécurité des nanomatériaux.2 ) en démontrant un lien entre la charge de surface ainsi que les propriétés des ligands et les modes spécifiques d'internalisation cellulaire.Les résultats présentés ici contribuent à la compréhension de la complexité de l'interface nano-bio et fournissent des principes directeurs pour la conception minutieuse de nanoparticules, avec une attention particulière pour la taille, la forme et la charge de surface.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.122999 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Neibert, Kevin |
| Contributors | Dusica Maysinger (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Pharmacology & Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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