A series of gold nanoparticles were examined for uptake and acute toxicity in human leukemia cells. The nanoparticles (average diameter=18 nm), which possessed various surface modifiers, were not toxic to cells during continuous exposure for three days. Citrate-capped nanoparticles were further examined for their cellular uptake by absorbance and transmission electron microscopy (see image). Results indicate that although some precursors of nanoparticles may be toxic, the nanoparticles themselves are not necessarily detrimental to cellular function. A series of gold nanoparticles were examined for uptake and acute toxicity in human leukemia cells. The results indicate that although some precursors of nanoparticles may be toxic, the nanoparticles themselves are not necessarily detrimental to cellular function. Nanoscience and nanotechnology hold great promise for many applications, including biomedical uses. Yet despite the huge potential benefit of nanomaterials in the realm of biomedical and industrial applications, very little is known about potential short- and long-term deleterious effects of such nanomaterials on human and environmental health.1–3 Specifically, there is very little information on the effect of size, shape, and surface functional groups on the bioavailability, uptake, subcellular distribution, metabolism, and degradation of many of the nanomaterials being explored. Recent reports have begun to examine these issues for carbon nanotubes,4–6 CdSe nanoparticles,7–10 and gold nanoparticles.11–14 Here we report an investigation of the cellular uptake and cytotoxicity of gold nanoparticles with human cells. The present studies were undertaken in order to determine the interactions of a series of defined nanoparticles containing a variety of surface modifiers and stabilizers with an established human cancer cell line. The nanoparticle library consisted of gold spheres with average diameters of ≈4, 12, or 18 nm, and containing a variety of surface modifiers. Cysteine and citrate-capped 4-nm nanoparticles and glucose-reduced 12-nm nanoparticles were synthesized as previously described (the synthesis of the various nanoparticles employed in this study, along with the materials used, are given in the Supporting Information).15–17 For the 18-nm nanoparticles, the surface modifiers were citrate, biotin, and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB).18 The nanoparticle library was tested for cytotoxicity using the K562 leukemia cell line.19 Following three days of continuous exposure to the nanoparticles, cell viability was determined using the MTT assay.20 In this assay, cells that properly metabolize a dye (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) undergo visible color changes that are monitored spectrophotometrically; cells that are incapable of metabolizing the dye remain colorless. The 18-nm nanoparticle preparations with citrate and biotin surface modifiers did not appear to be toxic at concentrations up to 250 μM (gold atoms) under these conditions (Figure 1 A1). In contrast, the gold-salt (AuCl4) precursor solution was over 90 % toxic at a concentration of 200 μM (Figure 1 A1). Note that the gold-salt precursor solution was adjusted to a pH value of 7 prior to the cytotoxicity experiment. The nanoparticle preparations with glucose or cysteine surface modifiers, or with a reduced gold surface, were not toxic at concentrations up to 25 μM. To further confirm the lack of toxicity, cell numbers were counted on days 2–5 during continuous exposure to a 25 μM concentration of 18-nm citrate-capped nanoparticles. No difference was seen in either the growth rate of the untreated control cells or the cells exposed to the nanoparticles (see Supporting Information, Figure S1). Survival curves for human K562 cells exposed to nanoparticles. Cells were continuously exposed to nanoparticles for 3 days. Cell viability was measured by the MTT assay. The data are plotted as the percentage of surviving cells compared to untreated controls. a) Plot showing the survival of cells exposed to the AuCl4 precursor solution (▴) or to 18-nm nanoparticles containing citrate (⧫) or biotin (▪); b) plot showing the survival of cells exposed to CTAB alone (▪), 18-nm nanoparticles with CTAB (⧫), or 18 nm nanoparticles with CTAB that were washed three times prior to incubation with the cells (▴). The preparation of 18-nm nanoparticles that contained CTAB displayed significant toxicity (Figure 1 B1). CTAB alone showed a similar toxicity (Figure 1 B1). It was thus necessary to determine whether unbound CTAB or the CTAB-modified nanoparticles caused the observed cytotoxicity. Therefore, CTAB-modified nanoparticles were centrifuged and washed with deionized water three times to remove unbound CTAB. The washed CTAB-modified nanoparticles were found to be not toxic under the conditions examined, which suggests that CTAB bound to the gold nanoparticles does not cause toxicity (Figure 1 B1). NMR studies of the washed CTAB-modified nanoparticles indicated that all of the remaining CTAB was associated with the nanoparticles (data not shown). The lack of detectable cytotoxicity raised the question of whether the nanoparticles were capable of being taken up into the cells. In order to assess the extent of the uptake of gold nanoparticles into cells, the nanoparticle concentration in the cell culture media was monitored by visible spectroscopy at time points from 1 to 24 h post-exposure (Figure 2 C2). The cells were exposed to 18-nm citrate-capped nanoparticles at a concentration of 25 μM for time points from 15 min to 24 h. The concentration of the gold nanoparticles in the media dropped to a plateau within 1 h of the initial exposure, which suggests that the nanoparticles were rapidly taken up into cells (Figure 2 C2). Control experiments with a media that lacked cells suggested against adsorption of the gold nanoparticles onto serum proteins or the cell culture plates (data not shown). The presence in cells of the 18-nm citrate-capped gold nanoparticles was confirmed by transmission electron microscopy (TEM) of the cells following exposure. Figure 2 A and B2 shows electron micrographs at different magnifications of a cell that contains gold nanoparticles following exposure (to 18-nm citrate-capped nanoparticles) for 1 h. The nanoparticles are clustered in a subcellular location that we speculate are endocytic vesicles, although further experiments would be necessary to conclusively demonstrate this. Interestingly, the images taken at higher magnifications show that the gross morphology of the nanoparticles has not changed dramatically, that is, the nanoparticles appear as ≈18-nm spheres even after being taken up by the cells (Figure 2 B2). Further experiments will be required to determine what, if any, changes to the surface groups on the nanoparticles have occurred after being exposed to the cellular environment. Electron micrographs at different magnifications of a cell containing nanoparticles. Cells were exposed to nanoparticles for 24 h, fixed with osmium tetroxide, sectioned, and visualized with a Hitachi H-8000 electron microscope. a) Image at 8000× magnification of a representative cell with nanoparticles subcellularly localized. The small box represents the area magnified in (b); b) image at 60 000× magnification of gold nanoparticles within cells. The inset is a 150 000× magnification of the gold nanoparticles. c) visible spectroscopy plot (measured at 526 nm) of the concentration of gold nanoparticles in cell culture media following incubation with the cells (data is compared to the initial concentration). The media was exposed to 18-nm citrate-capped nanoparticles for the times shown. Following exposure, the cells were removed from the media by centrifugation at 300 g. Cells were grown in cell culture media lacking phenol red for the absorbance experiments. Taken together, the data suggest that spherical gold nanoparticles with a variety of surface modifiers are not inherently toxic to human cells, despite being taken up into cells. The results with the CTAB-capped nanoparticles and the gold-salt solution indicate that although some precursors of nanoparticles might cause toxicity, the nanoparticles themselves are not necessarily detrimental to cellular function. Many more variables require further testing, including shapes other than spheres, and different functional groups on the surfaces of the nanoparticles. The long-term effects of the presence of nanoparticles would also have to be examined. Lastly, it will be important to determine whether nanoparticles are themselves modified by the cellular environment, thus potentially altering the properties of the nanoparticles for biosensing, imaging, or delivery applications. Supporting information for this article is available on the WWW under http://www.small-journal.com or from the author. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Gold nanorods of different aspect ratios are prepared using the growth‐directing surfactant, cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), which forms a bilayer on the gold nanorod surface. Toxicological assays of CTAB‐capped nanorod solutions with human colon carcinoma cells (HT‐29) reveal that the apparent cytotoxicity is caused by free CTAB in solution. Overcoating the nanorods with polymers substantially reduces cytotoxicity. The number of nanorods taken up per cell, for the different surface coatings, is quantitated by inductively coupled plasma mass spectrometry on washed cells; the number of nanorods per cell varies from 50 to 2300, depending on the surface chemistry. Serum proteins from the biological media, most likely bovine serum albumin, adsorb to gold nanorods, leading to all nanorod samples bearing the same effective charge, regardless of the initial nanorod surface charge. The results suggest that physiochemical surface properties of nanomaterials change substantially after coming into contact with biological media. Such changes should be taken into consideration when examining the biological properties or environmental impact of nanoparticles.

The DNA binding properties of a series of imidazole-containing and C-terminus-modified analogues 4-7 of distamycin are described. These analogues contain one to four imidazole units, respectively. Data from the ethidium displacement assay showed that these compounds bind in the minor groove of DNA, with the relative order of binding constants of 6 (Im3) > 7 (Im4) > 5 (Im2) > 4 (Im1). The reduced binding constants of these compounds for poly(dA-dT) relative to distamycin, while they still interact strongly with poly(dG-dC), provided evidence of GC sequence acceptance. The preferences for GC-rich sequences by these compounds were established from a combination of circular dichroism (CD) titration, proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR), and methidiumpropylethylenediaminetetraacetate-iron(II) [MPE.Fe-(II)] footprinting studies. In the CD studies, these compounds produced significantly larger DNA-induced ligand bands with poly(dG-dC) than poly(dA-dT) at comparable ligand concentrations. 1H-NMR studies of the binding of 5 to d-[CATGGCCATG]2 provided further evidence of the recognition of GC sequences by these compounds, and suggested that the ligand was located on the underlined sequence in the minor groove with the C-terminus oriented over the T residue. MPE footprinting studies on a GC-rich BamHI/SalI fragment of pBR322 provided unambiguous evidence for the GC sequence selectivity for some of these compounds. Compounds 4 and 7 produced poor footprints on the gels; however, analogues 5 and 6 gave strong footprints.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Abstract HIV-1 Associated Neurocognitive Disorder (HAND) is commonly seen in HIV-infected patients. Viral proteins including Tat cause neuronal toxicity and is worsened by drugs of abuse. To uncover potential targets for anti-HAND therapy, we employed a literature mining system, MOLIERE. Here, we validated Dead Box RNA Helicase 3 (DDX3) as a target to treat HAND via a selective DDX3 inhibitor, RK-33. The combined neurotoxicity of Tat protein and cocaine was blocked by RK-33 in rat and mouse cortical cultures. Transcriptome analysis showed that Tat-activated transcripts include makers and regulators of microglial activation, and RK-33 blocked Tat-induced activation of these mRNAs. Elevated production of proinflammatory cytokines was also inhibited by RK-33. These findings show that DDX3 contributes to microglial activation triggered by Tat and cocaine, and DDX3 inhibition shows promise as a therapy for HAND. Moreover, DDX3 may contribute to the pathology of other neurodegenerative diseases with pathological activation of microglia.

Abstract HIV-associated neurological disorder (HAND) is a serious complication of HIV infection marked by neurotoxicity induced by viral proteins like Tat. Substance abuse exacerbates neurocognitive impairment in people living with HIV. There is an urgent need for therapeutic strategies to combat HAND comorbid with Cocaine Use Disorder (CUD). Our analysis of HIV and cocaine-induced transcriptomes in primary cortical cultures revealed significant overexpression of the macrophage-specific gene aconitate decarboxylase 1 (Acod1). The ACOD1 protein converts the tricarboxylic acid intermediate cis-aconitate into itaconate during the activation of inflammation. Itaconate then facilitates cytokine production and activates anti-inflammatory transcription factors, shielding macrophages from infection-induced cell death. However, the immunometabolic function of itaconate was unexplored in HIV and cocaine-exposed microglia. We assessed the potential of 4-octyl-itaconate (4OI), a cell-penetrable ester form of itaconate known for its anti-inflammatory properties. When primary cortical cultures exposed to Tat and cocaine were treated with 4OI, microglial cell number increased and the morphological altercations induced by Tat and cocaine were reversed. Microglial cells also appeared more ramified, resembling the quiescent microglia. 4OI treatment inhibited secretion of the proinflammatory cytokines IL-1α, IL-1β, IL-6, and MIP1-α induced by Tat and cocaine. Transcriptome profiling determined that Nrf2 target genes were significantly activated in Tat and 4OI treated cultures relative to Tat alone. Further, genes associated with cytoskeleton dynamics in inflammatory microglia were downregulated by 4OI treatment. Together, the results strongly suggest 4-octyl-itaconate holds promise as a potential candidate for therapeutic development to treat HAND coupled with CUD comorbidities. Graphical Abstract Model of 4OI-mediated neuroprotection against Tat-Cocaine toxicity. Tat and Tat-Cocaine treatment induce neuronal damage, which is mitigated by 4OI through microglia cells. This cartoon shows the reduction of harmful effects such as pro-inflammatory cytokine release, upregulation of P2R, PDE, and Acod1 by the presence of 4OI. This ester modified itaconate triggers anti-inflammatory responses and activates antioxidant pathways

Obesity increases the risk for developing several cancers, including colorectal cancer (CRC), and is associated with liver perturbations which likely impacts treatment tolerance. 5 fluorouracil (5FU) remains a first line treatment for CRC, but efficacy is hampered by interpatient variable responsiveness and off target toxicities. The current study examined the impact of diet-induced obesity (DIO) on 5FU cytopenia and efficacy using two established CRC models: MC38 (C57BL/6) and C26 (CD2F1). DIO increased tumor size in both MC38 and C26. DIO reduced liver dihydropyrimidine dehydrogenase ( dpyd) expression, the enzyme that catalyzes 5FU’s catabolism to become inactive, in MC38 mice, but not C26. 5FU remained efficacious against early MC38 and C26 tumor growth; however, 5FU-induced tumor and liver immune cell death was exacerbated following 3 cycles of 5FU with MC38. DIO caused dramatic changes to liver Kupffer Cells (KC), wherein there were increased pro-metastatic, immunosuppressive KCs in Obese Control and MC38. 5FU, however, depleted these KCs and increased inflammatory KCs in both Lean and Obese MC38. DIO yielded a milder obesity phenotype in CD2F1 mice, and 5FU-induced cytopenia was not different between Lean and Obese. DIO increased total liver KCs, however, C26 tumors increased liver KCs, which were normalized with 5FU treatment, irrespective of DIO. While 5FU remained efficacious in both models of CRC and did not reduce survival, multiple cycles of 5FU monotherapy increased liver and tumor immune cell death in DIO mice. Altogether, obesity was not protective, but rather exacerbated chemotherapy-induced cytotoxicity and promoted a pro-metastatic liver environment.

Abstract Genome instability is a hallmark of cancer and are driven by mutations in oncogenes and tumor suppressor genes. Despite successes seen with select targeted therapeutics, this type of personalized medicine is only beneficial for a small subpopulation of cancer patients who have one of a few actionable genetic changes. Most tumors also contain hundreds of passenger mutations that offered no fitness advantage or disadvantage during tumor evolution. Mutations in known pharmacogenetic (PGx) loci for which germline variants encode variability in drug response can cause somatically acquired drug sensitivity. The NUDT15 gene is a known PGx locus that participates in the rate-limiting metabolism of thiopurines. People with two defective germline alleles of NUDT15 are hypersensitive to the toxic effects of thiopurines. NUDT15 is located adjacent to the Retinoblastoma ( RB1 ) tumor suppressor gene, which often undergoes homozygous deletion in retinoblastomas and other epithelial cancers. We observed that RB1 undergoes homozygous deletions in 9.4% of prostate adenocarcinomas and 2.5% of ovarian cancers, and in nearly all of these cases NUDT15 is also lost. Moreover, 44% of prostate adenocarcinomas and over 60% of ovarian cancers have lost one allele of NUDT15, which predicts that a majority of all prostate and ovarian cancers have somatically acquired hypersensitivity to thiopurine treatment. We performed a retrospective analysis of >16,000 patients in the US Veterans Administration health care system and found concurrent xanthine oxidase inhibition (XOi) and thiopurine usage for non-cancer indications is significantly associated with reduced incidence of prostate cancer. The hazard ratio for the development of prostate cancer in patients treated with thiopurines and XOi was 0.562 (0.301-1.051) for the unmatched cohort and 0.389 (0.185-0.819) for the propensity score matched cohort. We experimentally depleted NUDT15 from ovarian and prostate cancer cell lines and observed a dramatic sensitization to thiopurine-induced and DNA damage-dependent toxicity. These results indicate that somatic loss of NUDT15 predicts therapeutic sensitivity to a low cost and well tolerated drug with a broad therapeutic window.

Abstract Neurodegenerative pathologies such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, Huntington’s disease, Amyotrophic lateral sclerosis, Multiple sclerosis, HIV-associated neurocognitive disorder, and others significantly affect individuals, their families, caregivers, and healthcare systems. While there are no cures yet, researchers worldwide are actively working on the development of novel treatments that have the potential to slow disease progression, alleviate symptoms, and ultimately improve the overall health of patients. Huge volumes of new scientific information necessitate new analytical approaches for meaningful hypothesis generation. To enable the automatic analysis of biomedical data we introduced AGATHA, an effective AI-based literature mining tool that can navigate massive scientific literature databases, such as PubMed. The overarching goal of this effort is to adapt AGATHA for drug repurposing by revealing hidden connections between FDA-approved medications and a health condition of interest. Our tool converts the abstracts of peer-reviewed papers from PubMed into multidimensional space where each gene and health condition are represented by specific metrics. We implemented advanced statistical analysis to reveal distinct clusters of scientific terms within the virtual space created using AGATHA-calculated parameters for selected health conditions and genes. Partial Least Squares Discriminant Analysis was employed for categorizing and predicting samples (122 diseases and 20889 genes) fitted to specific classes. Advanced statistics were employed to build a discrimination model and extract lists of genes specific to each disease class. Here we focus on drugs that can be repurposed for dementia treatment as an outcome of neurodegenerative diseases. Therefore, we determined dementia-associated genes statistically highly ranked in other disease classes. Additionally, we report a mechanism for detecting genes common to multiple health conditions. These sets of genes were classified based on their presence in biological pathways, aiding in selecting candidates and biological processes that are exploitable with drug repurposing. Author Summary This manuscript outlines our project involving the application of AGATHA, an AI-based literature mining tool, to discover drugs with the potential for repurposing in the context of neurocognitive disorders. The primary objective is to identify connections between approved medications and specific health conditions through advanced statistical analysis, including techniques like Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLSDA) and unsupervised clustering. The methodology involves grouping scientific terms related to different health conditions and genes, followed by building discrimination models to extract lists of disease-specific genes. These genes are then analyzed through pathway analysis to select candidates for drug repurposing.

HIV-associated neurological disorder (HAND) is a serious complication of HIV infection, marked by neurotoxicity induced by viral proteins like Tat. Substance abuse exacerbates neurocognitive impairment in people living with HIV. There is an urgent need for effective therapeutic strategies to combat HAND comorbid with Cocaine Use Disorder (CUD). Our analysis of the HIV and cocaine-induced transcriptomes in primary cortical cultures revealed a significant overexpression of the macrophage-specific gene, aconitate decarboxylase 1 (Acod1), caused by the combined insults of HIV and cocaine. ACOD1 protein converts the tricarboxylic acid intermediate cis-aconitate into itaconate during the activation of inflammation. The itaconate produced facilitates cytokine production and subsequently activates anti-inflammatory transcription factors, shielding macrophages from infection-induced cell death. While the role of itaconate in limiting inflammation has been studied in peripheral macrophages, its immunometabolic function remains unexplored in HIV and cocaine-exposed microglia. We assessed in this model system the potential of 4-octyl-itaconate (4OI), a cell-penetrable esterified form of itaconate known for its potent anti-inflammatory properties and potential therapeutic applications. We administered 4OI to primary cortical cultures exposed to Tat and cocaine. 4OI treatment increased the number of microglial cells in both untreated and Tat +/- Cocaine-treated cultures and also reversed the morphological altercations induced by Tat and cocaine. In the presence of 4OI, microglial cells also appeared more ramified, resembling the quiescent microglia. Consistent with these results, 4OI treatment inhibited the secretion of the proinflammatory cytokines IL-1α, IL-1β, IL-6, and MIP1-α induced by Tat and cocaine. Transcriptome profiling further determined that Nrf2 target genes such as NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (Nqo1), Glutathione S‑transferase Pi (Gstp1), and glutamate cysteine ligase catalytic (Gclc), were most significantly activated in Tat-4OI treated cultures, relative to Tat alone. Further, genes associated with cytoskeleton dynamics in inflammatory microglia were downregulated by 4OI treatment. Together, the results strongly suggest 4-octyl-itaconate holds promise as a potential candidate for therapeutic development aimed at addressing HAND coupled with CUD comorbidities.