Nanomaterials (NM) exhibit novel physicochemical properties that determine their interaction with biological substrates and processes. Three metal oxide nanoparticles that are currently being produced in high tonnage, TiO(2), ZnO, and CeO(2), were synthesized by flame spray pyrolysis process and compared in a mechanistic study to elucidate the physicochemical characteristics that determine cellular uptake, subcellular localization, and toxic effects based on a test paradigm that was originally developed for oxidative stress and cytotoxicity in RAW 264.7 and BEAS-2B cell lines. ZnO induced toxicity in both cells, leading to the generation of reactive oxygen species (ROS), oxidant injury, excitation of inflammation, and cell death. Using ICP-MS and fluorescent-labeled ZnO, it is found that ZnO dissolution could happen in culture medium and endosomes. Nondissolved ZnO nanoparticles enter caveolae in BEAS-2B but enter lysosomes in RAW 264.7 cells in which smaller particle remnants dissolve. In contrast, fluorescent-labeled CeO(2) nanoparticles were taken up intact into caveolin-1 and LAMP-1 positive endosomal compartments, respectively, in BEAS-2B and RAW 264.7 cells, without inflammation or cytotoxicity. Instead, CeO(2) suppressed ROS production and induced cellular resistance to an exogenous source of oxidative stress. Fluorescent-labeled TiO(2) was processed by the same uptake pathways as CeO(2) but did not elicit any adverse or protective effects. These results demonstrate that metal oxide nanoparticles induce a range of biological responses that vary from cytotoxic to cytoprotective and can only be properly understood by using a tiered test strategy such as we developed for oxidative stress and adapted to study other aspects of nanoparticle toxicity.

Nanomaterial properties differ from those bulk materials of the same composition, allowing them to execute novel activities. A possible downside of these capabilities is harmful interactions with biological systems, with the potential to generate toxicity. An approach to assess the safety of nanomaterials is urgently required. We compared the cellular effects of ambient ultrafine particles with manufactured titanium dioxide (TiO2), carbon black, fullerol, and polystyrene (PS) nanoparticles (NPs). The study was conducted in a phagocytic cell line (RAW 264.7) that is representative of a lung target for NPs. Physicochemical characterization of the NPs showed a dramatic change in their state of aggregation, dispersibility, and charge during transfer from a buffered aqueous solution to cell culture medium. Particles differed with respect to cellular uptake, subcellular localization, and ability to catalyze the production of reactive oxygen species (ROS) under biotic and abiotic conditions. Spontaneous ROS production was compared by using an ROS quencher (furfuryl alcohol) as well as an NADPH peroxidase bioelectrode platform. Among the particles tested, ambient ultrafine particles (UFPs) and cationic PS nanospheres were capable of inducing cellular ROS production, GSH depletion, and toxic oxidative stress. This toxicity involves mitochondrial injury through increased calcium uptake and structural organellar damage. Although active under abiotic conditions, TiO2 and fullerol did not induce toxic oxidative stress. While increased TNF-α production could be seen to accompany UFP-induced oxidant injury, cationic PS nanospheres induced mitochondrial damage and cell death without inflammation. In summary, we demonstrate that ROS generation and oxidative stress are a valid test paradigm to compare NP toxicity. Although not all materials have electronic configurations or surface properties to allow spontaneous ROS generation, particle interactions with cellular components are capable of generating oxidative stress.

Overexpression of drug efflux transporters such as P-glycoprotein (Pgp) protein is one of the major mechanisms for multiple drug resistance (MDR) in cancer cells. A new approach to overcome MDR is to use a co-delivery strategy that utilizes a siRNA to silence the expression of efflux transporter together with an appropriate anticancer drug for drug resistant cells. In this paper, we report that mesoporous silica nanoparticles (MSNP) can be functionalized to effectively deliver a chemotherapeutic agent doxorubicin (Dox) as well as Pgp siRNA to a drug-resistant cancer cell line (KB-V1 cells) to accomplish cell killing in an additive or synergistic fashion. The functionalization of the particle surface with a phosphonate group allows electrostatic binding of Dox to the porous interior, from where the drug could be released by acidification of the medium under abiotic and biotic conditions. In addition, phosphonate modification also allows exterior coating with the cationic polymer, polyethylenimine, which endows the MSNP to contemporaneously deliver Pgp siRNA. The dual delivery of Dox and siRNA in KB-V1 cells was capable of increasing the intracellular as well as intranuclear drug concentration to levels exceeding that of free Dox or the drug being delivered by MSNP in the absence of siRNA codelivery. These results demonstrate that it is possible to use the MSNP platform to effectively deliver a siRNA that knocks down gene expression of a drug exporter that can be used to improve drug sensitivity to a chemotherapeutic agent.

Surface-functionalized mesoporous silica nanoparticles (MSNP) can be used as an efficient and safe carrier for bioactive molecules. In order to make the MSNP a more efficient delivery system, we modified the surface of the particles by a functional group that enhances cellular uptake and allows nucleic acid delivery in addition to traditional drug delivery. Noncovalent attachment of polyethyleneimine (PEI) polymers to the surface not only increases MSNP cellular uptake but also generates a cationic surface to which DNA and siRNA constructs could be attached. While efficient for intracellular delivery of these nucleic acids, the 25 kD PEI polymer unfortunately changes the safety profile of the MSNP that is otherwise very safe. By experimenting with several different polymer molecular weights, it was possible to retain high cellular uptake and transfection efficiency while reducing or even eliminating cationic MSNP cytotoxicity. The particles coated with the 10 kD PEI polymer were particularly efficient for transducing HEPA-1 cells with a siRNA construct that was capable of knocking down GFP expression. Similarly, transfection of a GFP plasmid induced effective expression of the fluorescent protein in >70% cells in the population. These outcomes were quantitatively assessed by confocal microscopy and flow cytometry. We also demonstrated that the enhanced cellular uptake of the nontoxic cationic MSNP enhances the delivery of the hydrophobic anticancer drug, paclitaxel, to pancreatic cancer cells. In summary, we demonstrate that, by a careful selection of PEI size, it is possible to construct cationic MSNP that are capable of nucleotide and enhanced drug delivery with minimal or no cytotoxicity. This novel use of a cationic MSNP extends its therapeutic use potential.

We demonstrate for 24 metal oxide (MOx) nanoparticles that it is possible to use conduction band energy levels to delineate their toxicological potential at cellular and whole animal levels. Among the materials, the overlap of conduction band energy (Ec) levels with the cellular redox potential (−4.12 to −4.84 eV) was strongly correlated to the ability of Co3O4, Cr2O3, Ni2O3, Mn2O3, and CoO nanoparticles to induce oxygen radicals, oxidative stress, and inflammation. This outcome is premised on permissible electron transfers from the biological redox couples that maintain the cellular redox equilibrium to the conduction band of the semiconductor particles. Both single-parameter cytotoxic as well as multi-parameter oxidative stress assays in cells showed excellent correlation to the generation of acute neutrophilic inflammation and cytokine responses in the lungs of C57 BL/6 mice. Co3O4, Ni2O3, Mn2O3, and CoO nanoparticles could also oxidize cytochrome c as a representative redox couple involved in redox homeostasis. While CuO and ZnO generated oxidative stress and acute pulmonary inflammation that is not predicted by Ec levels, the adverse biological effects of these materials could be explained by their solubility, as demonstrated by ICP-MS analysis. These results demonstrate that it is possible to predict the toxicity of a large series of MOx nanoparticles in the lung premised on semiconductor properties and an integrated in vitro/in vivo hazard ranking model premised on oxidative stress. This establishes a robust platform for modeling of MOx structure–activity relationships based on band gap energy levels and particle dissolution. This predictive toxicological paradigm is also of considerable importance for regulatory decision-making about this important class of engineered nanomaterials.

Topic models have been successfully used in information classification and retrieval. These models can capture word correlations in a collection of textual documents with a low-dimensional set of multinomial distribution, called “topics”. However, it is important but difficult to select the appropriate number of topics for a specific dataset. In this paper, we study the inherent connection between the best topic structure and the distances among topics in Latent Dirichlet allocation (LDA), and propose a method of adaptively selecting the best LDA model based on density. Experiments show that the proposed method can achieve performance matching the best of LDA without manually tuning the number of topics.

The exponential increase in the number of new nanomaterials that are being produced increases the likelihood of adverse biological effects in humans and the environment. In this study we compared the effects of cationic nanoparticles in five different cell lines that represent portal-of-entry or systemic cellular targets for engineered nanoparticles. Although 60 nm NH(2)-labeled polystyrene (PS) nanospheres were highly toxic in macrophage (RAW 264.7) and epithelial (BEAS-2B) cells, human microvascular endothelial (HMEC), hepatoma (HEPA-1), and pheochromocytoma (PC-12) cells were relatively resistant to particle injury. While the death pathway in RAW 264.7 cells involves caspase activation, the cytotoxic response in BEAS-2B cells is more necrotic in nature. Using fluorescent-labeled NH(2)-PS, we followed the routes of particle uptake. Confocal microscopy showed that the cationic particles entered a LAMP-1 positive lysosomal compartment in RAW 264.7 cells from where the particles could escape by lysosomal rupture. A proton pump inhibitor interfered in this pathway. Subsequent deposition of the particles in the cytosol induced an increase in mitochondrial Ca(2+) uptake and cell death that could be suppressed by cyclosporin A (CsA). In contrast, NH(2)-PS toxicity in BEAS-2B cells did not involve the LAMP-1 endosomal compartment, stimulation of proton pump activity, or an increase in mitochondrial Ca(2+). Particles were taken up by caveolae, and their toxicity could be disrupted by cholesterol extraction from the surface membrane. Although the particles induced mitochondrial damage and ATP depletion, CsA did not affect cytotoxicity. Cationic particles were taken up into HEPA-1, HMEC, and PC-12 cells, but this did not lead to lysosomal permeabilization, increased Ca(2+) flux, or mitochondrial damage. Taken together, the results of this study demonstrate the importance of cell-specific uptake mechanisms and pathways that could lead to sensitivity or resistance to cationic particle toxicity.

Mesoporous silica nanoparticles (MSNP) have proven to be an extremely effective solid support for controlled drug delivery on account of the fact that their surfaces can be easily functionalized in order to control the nanopore openings. We have described recently a series of mechanized silica nanoparticles, which, under abiotic conditions, are capable of delivering cargo molecules employing a series of nanovalves. The key question for these systems has now become whether they can be adapted for biological use through controlled nanovalve opening in cells. Herein, we report a novel MSNP delivery system capable of drug delivery based on the function of β-cyclodextrin (β-CD) nanovalves that are responsive to the endosomal acidification conditions in human differentiated myeloid (THP-1) and squamous carcinoma (KB-31) cell lines. Furthermore, we demonstrate how to optimize the surface functionalization of the MSNP so as to provide a platform for the effective and rapid doxorubicin release to the nuclei of KB-31 cells.

We used a multifunctional mesoporous silica nanoparticle (MSNP) carrier to overcome doxorubicin (Dox) resistance in a multidrug resistant (MDR) human breast cancer xenograft by codelivering Dox and siRNA that targets the P-glycoprotein (Pgp) drug exporter. The Pgp siRNA selection from among a series of drug resistance targets was achieved by performing high throughput screening in a MDR breast cancer cell line, MCF-7/MDR. Following the establishment of a MCF-7/MDR xenograft model in nude mice, we demonstrated that a 50 nm MSNP, functionalized by a polyethyleneimine–polyethylene glycol (PEI-PEG) copolymer, provides protected delivery of stably bound Dox and Pgp siRNA to the tumor site. The effective biodistribution and reduced reticuloendothelial uptake, as a result of our nanocarrier design, allowed us to achieve an 8% enhanced permeability and retention effect at the tumor site. Compared to free Dox or the carrier loaded with either drug or siRNA alone, the dual delivery system resulted in synergistic inhibition of tumor growth in vivo. Analysis of multiple xenograft biopsies demonstrated significant Pgp knockdown at heterogeneous tumor sites that correspond to the regions where Dox was released intracellularly and induced apoptosis. We emphasize that the heterogeneity originates in the tumor microenvironment, which influences the vascular access, rather than heterogeneous Pgp expression in the MDR cells. Taken together, these data provide proof-of-principle testing of the use of a dual drug/siRNA nanocarrier to overcome Dox resistance in a xenograft. The study also provides the first detailed analysis of the impact of heterogeneity in the tumor microenvironment on the efficacy of siRNA delivery in vivo.

The establishment of verifiably safe nanotechnology requires the development of assessment tools to identify hazardous nanomaterial properties that could be modified to improve nanomaterial safety. While there is a lot of debate of what constitutes appropriate safety screening methods, one approach is to use the assessment of cellular injury pathways to collect knowledge about hazardous material properties that could lead to harm to humans and the environment. We demonstrate the use of a multiparameter cytotoxicity assay that evaluates toxic oxidative stress to compare the effects of titanium dioxide (TiO2), cerium oxide (CeO2), and zinc oxide (ZnO) nanoparticles in bronchial epithelial and macrophage cell lines. The nanoparticles were chosen on the basis of their volume of production and likelihood of spread to the environment. Among the materials, dissolution of ZnO nanoparticles and Zn2+ release were capable of ROS generation and activation of an integrated cytotoxic pathway that includes intracellular calcium flux, mitochondrial depolarization, and plasma membrane leakage. These responses were chosen on the basis of the compatibility of the fluorescent dyes that contemporaneously assess their response characteristics by a semiautomated epifluorescence procedure. Purposeful reduction of ZnO cytotoxicity was achieved by iron doping, which changed the material matrix to slow Zn2+ release. In summary, we demonstrate the utility of a rapid throughput, integrated biological oxidative stress response pathway to perform hazard ranking of a small batch of metal oxide nanoparticles, in addition to showing how this assay can be used to improve nanosafety by decreasing ZnO dissolution through Fe doping.