Interactions of 3 nm, 8 nm, and 15 nm gold particles with human alveolar epithelial cells : a microscopy study

Abstract

The inhalation of nanoparticles can cause interactions with pulmonary structures. Human alveolar epithelial cells type II organize the alveolar epithelium and thus can be regarded as barrier against pulmonary nanoparticle uptake. Within the present work, interactions of differently sized gold nanoparticles with A549 cells, a model for type II human alveolar epithelial cells, were studied. The intracellular location of the fluorescently labeled gold particles was analyzed by STED (stimulated emission depletion) and electron microscopy. Gold nanoparticles were detected inside the cell nucleus and the Golgi complex. A nanoparticle accumulation was observed at the perinuclear region. The association of gold nanoparticles and cytoskeletal filaments indicated an active intracellular nanoparticle transport. A vesicle-based transport of gold nanoparticles was revealed by live cell imaging. Besides the intracellular particle location, an impact of gold nanoparticles on cell viability and cell proliferation was studied. Cell-based assays revealed a different cytotoxic potential of the gold nanoparticle sizes used. The last part of the work describes the development of an approach of correlative light and electron microscopy (CLEM) for studying nanoparticle-cell interactions. The used method allowed for a correlative imaging of the nanoparticle fluorescence in relation to the nanoparticle core.

Die Inhalation von Nanopartikeln kann eine Interaktion mit pulmonalen Strukturen zur Folge haben. Humane alveolare Typ II Epithelzellen kleiden die Lungenbläschen aus und stellen dadurch eine wichtige Barriere für das Eindringen von Nanopartikel in die Lunge sowie in den menschlichen Organismus dar. Die vorliegende Arbeit befasst sich deshalb mit der Interaktion von Goldnanopartikeln verschiedener Größe mit A549 Zellen, einem Modellsystem für humane alveolare Typ II Epithelzellen. Die zelluläre Lokalisation der fluoreszenzmarkierten Goldpartikel wurde durch hochauflösende Mikroskopiemethoden, wie STED (stimulated emission depletion) - Mikroskopie und Elektronenmikroskopie bestimmt. Die Nanopartikel konnten im Zellkern sowie im Golgi - Apparat nachgewiesen werden. Die Akkumulation der Partikel in Zellkernnähe sowie die Assoziation von Goldnanopartikeln mit dem Zytoskelett ließen außerdem einen aktiven intrazellulären Nanopartikeltransport vermuten. Ein Vesikel-basierter Transport der Goldnanopartikel konnte durch Lebendzellmikroskopie bestätigt werden. Neben der Partikellokalisation wurde die Auswirkung der Goldnanopartikel auf die Vitalität und Proliferation von A549 Zellen untersucht. Die eingesetzten Zell-basierten Assays zeigten ein unterschiedliches zytotoxisches Potential der verwendeten Partikelgrößen. Den Abschluss der Arbeit bildete die Entwicklung eines korrelativen Mikroskopieansatzes, der die Detektion der Nanopartikelfluoreszenz in Abhängigkeit des Partikelkerns erlaubte.