ZJ
Zhaoxia Ji
Author with expertise in Nanotoxicology and Antimicrobial Nanoparticles
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
17
(100% Open Access)
Cited by:
5,079
h-index:
62
/
i10-index:
89
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Processing Pathway Dependence of Amorphous Silica Nanoparticle Toxicity: Colloidal vs Pyrolytic

Haiyuan Zhang et al.Aug 28, 2012
We have developed structure/toxicity relationships for amorphous silica nanoparticles (NPs) synthesized through low-temperature colloidal (e.g., Stöber silica) or high-temperature pyrolysis (e.g., fumed silica) routes. Through combined spectroscopic and physical analyses, we have determined the state of aggregation, hydroxyl concentration, relative proportion of strained and unstrained siloxane rings, and potential to generate hydroxyl radicals for Stöber and fumed silica NPs with comparable primary particle sizes (16 nm in diameter). On the basis of erythrocyte hemolytic assays and assessment of the viability and ATP levels in epithelial and macrophage cells, we discovered for fumed silica an important toxicity relationship to postsynthesis thermal annealing or environmental exposure, whereas colloidal silicas were essentially nontoxic under identical treatment conditions. Specifically, we find for fumed silica a positive correlation of toxicity with hydroxyl concentration and its potential to generate reactive oxygen species (ROS) and cause red blood cell hemolysis. We propose fumed silica toxicity stems from its intrinsic population of strained three-membered rings (3MRs) along with its chainlike aggregation and hydroxyl content. Hydrogen-bonding and electrostatic interactions of the silanol surfaces of fumed silica aggregates with the extracellular plasma membrane cause membrane perturbations sensed by the Nalp3 inflammasome, whose subsequent activation leads to secretion of the cytokine IL-1β. Hydroxyl radicals generated by the strained 3MRs in fumed silica, but largely absent in colloidal silicas, may contribute to the inflammasome activation. Formation of colloidal silica into aggregates mimicking those of fumed silica had no effect on cell viability or hemolysis. This study emphasizes that not all amorphous silicas are created equal and that the unusual toxicity of fumed silica compared to that of colloidal silica derives from its framework and surface chemistry along with its fused chainlike morphology established by high-temperature synthesis (>1300 °C) and rapid thermal quenching.
0

Use of a Lipid-Coated Mesoporous Silica Nanoparticle Platform for Synergistic Gemcitabine and Paclitaxel Delivery to Human Pancreatic Cancer in Mice

Huan Meng et al.Mar 17, 2015
Recently, a commercial albumin-bound paclitaxel (PTX) nanocarrier (Abraxane) was approved as the first new drug for pancreatic ductal adenocarcinoma in almost a decade. PTX improves the pharmaceutical efficacy of the first-line pancreatic cancer drug, gemcitabine (GEM), through suppression of the tumor stroma and inhibiting the expression of the GEM-inactivating enzyme, cytidine deaminase (CDA). We asked, therefore, whether it was possible to develop a mesoporous silica nanoparticle (MSNP) carrier for pancreatic cancer to co-deliver a synergistic GEM/PTX combination. High drug loading was achieved by a custom-designed coated lipid film technique to encapsulate a calculated dose of GEM (40 wt %) by using a supported lipid bilayer (LB). The uniform coating of the 65 nm nanoparticles by a lipid membrane allowed incorporation of a sublethal amount of hydrophobic PTX, which could be co-delivered with GEM in pancreatic cells and tumors. We demonstrate that ratiometric PTX incorporation and delivery by our LB-MSNP could suppress CDA expression, contemporaneous with induction of oxidative stress as the operating principle for PTX synergy. To demonstrate the in vivo efficacy, mice carrying subcutaneous PANC-1 xenografts received intravenous (IV) injection of PTX/GEM-loaded LB-MSNP. Drug co-delivery provided more effective tumor shrinkage than GEM-loaded LB-MSNP, free GEM, or free GEM plus Abraxane. Comparable tumor shrinkage required coadministration of 12 times the amount of free Abraxane. High-performance liquid chromatography analysis of tumor-associated GEM metabolites confirmed that, compared to free GEM, MSNP co-delivery increased the phosphorylated DNA-interactive GEM metabolite 13-fold and decreased the inactivated and deaminated metabolite 4-fold. IV injection of MSNP-delivered PTX/GEM in a PANC-1 orthotopic model effectively inhibited primary tumor growth and eliminated metastatic foci. The enhanced in vivo efficacy of the dual delivery carrier could be achieved with no evidence of local or systemic toxicity. In summary, we demonstrate the development of an effective LB-MSNP nanocarrier for synergistic PTX/GEM delivery in pancreatic cancer.
0

Role of Fe Doping in Tuning the Band Gap of TiO2 for the Photo-Oxidation-Induced Cytotoxicity Paradigm

Saji George et al.Jun 17, 2011
UV-light-induced electron–hole (e–/h+) pair generation with free radical production in TiO2-based nanoparticles is a major conceptual paradigm for biological injury. However, to date, this hypothesis has been difficult to experimentally verify due to the high energy of UV light that is intrinsically highly toxic to biological systems. Here, a versatile flame spray pyrolysis (FSP) synthetic process has been exploited to synthesize a library of iron-doped (0–10 wt%) TiO2 nanoparticles. These particles have been tested for photoactivation-mediated cytotoxicity using near-visible light exposure. The reduction in TiO2 band gap energy with incremental levels of Fe loading maintained the nanoparticle crystalline structure in spite of homogeneous Fe distribution (demonstrated by XRD, HRTEM, SAED, EFTEM, and EELS). Photochemical studies showed that band gap energy was reciprocally tuned proportional to the Fe content. The photo-oxidation capability of Fe-doped TiO2 was found to increase during near-visible light exposure. Use of a macrophage cell line to evaluate cytotoxic and ROS production showed increased oxidant injury and cell death in parallel with a decrease in band gap energy. These findings demonstrate the importance of band gap energy in the phototoxic response of the cell to TiO2 nanoparticles and reflect the potential of this material to generate adverse effects in humans and the environment during high-intensity light exposure.
0

Decreased Dissolution of ZnO by Iron Doping Yields Nanoparticles with Reduced Toxicity in the Rodent Lung and Zebrafish Embryos

Tian Xia et al.Jan 20, 2011
We have recently shown that the dissolution of ZnO nanoparticles and Zn2+ shedding leads to a series of sublethal and lethal toxicological responses at the cellular level that can be alleviated by iron doping. Iron doping changes the particle matrix and slows the rate of particle dissolution. To determine whether iron doping of ZnO also leads to lesser toxic effects in vivo, toxicity studies were performed in rodent and zebrafish models. First, we synthesized a fresh batch of ZnO nanoparticles doped with 1−10 wt % of Fe. These particles were extensively characterized to confirm their doping status, reduced rate of dissolution in an exposure medium, and reduced toxicity in a cellular screen. Subsequent studies compared the effects of undoped to doped particles in the rat lung, mouse lung, and the zebrafish embryo. The zebrafish studies looked at embryo hatching and mortality rates as well as the generation of morphological defects, while the endpoints in the rodent lung included an assessment of inflammatory cell infiltrates, LDH release, and cytokine levels in the bronchoalveolar lavage fluid. Iron doping, similar to the effect of the metal chelator, DTPA, interfered in the inhibitory effects of Zn2+ on zebrafish hatching. In the oropharyngeal aspiration model in the mouse, iron doping was associated with decreased polymorphonuclear cell counts and IL-6 mRNA production. Doped particles also elicited decreased heme oxygenase 1 expression in the murine lung. In the intratracheal instillation studies in the rat, Fe doping was associated with decreased polymorphonuclear cell counts, LDH, and albumin levels. All considered, the above data show that Fe doping is a possible safe design strategy for preventing ZnO toxicity in animals and the environment.
0

Surface Defects on Plate-Shaped Silver Nanoparticles Contribute to Its Hazard Potential in a Fish Gill Cell Line and Zebrafish Embryos

Saji George et al.Apr 6, 2012
We investigated and compared nanosize Ag spheres, plates, and wires in a fish gill epithelial cell line (RT-W1) and in zebrafish embryos to understand the mechanism of toxicity of an engineered nanomaterial raising considerable environmental concern. While most of the Ag nanoparticles induced N-acetyl cysteine sensitive oxidative stress effects in RT-W1, Ag nanoplates were considerably more toxic than other particle shapes. Interestingly, while Ag ion shedding and bioavailability failed to comprehensively explain the high toxicity of the nanoplates, cellular injury required direct particle contact, resulting in cell membrane lysis in RT-W1 as well as red blood cells (RBC). Ag nanoplates were also considerably more toxic in zebrafish embryos in spite of their lesser ability to shed Ag into the exposure medium. To elucidate the "surface reactivity" of Ag nanoplates, high-resolution transmission electron microscopy was performed and demonstrated a high level of crystal defects (stacking faults and point defects) on the nanoplate surfaces. Surface coating with cysteine was used to passivate the surface defects and demonstrated a reduction of toxicity in RT-W1 cells, RBC, and zebrafish embryos. This study demonstrates the important role of crystal defects in contributing to Ag nanoparticle toxicity in addition to the established roles of Ag ion shedding by Ag nanoparticles. The excellent correlation between the in vitro and in vivo toxicological assessment illustrates the utility of using a fish cell line in parallel with zebrafish embryos to perform a predictive environmental toxicological paradigm.
0

Designed Synthesis of CeO2 Nanorods and Nanowires for Studying Toxicological Effects of High Aspect Ratio Nanomaterials

Zhaoxia Ji et al.May 7, 2012
While it has been shown that high aspect ratio nanomaterials like carbon nanotubes and TiO2 nanowires can induce toxicity by acting as fiber-like substances that damage the lysosome, it is not clear what the critical lengths and aspect ratios are that induce this type of toxicity. To answer this question, we synthesized a series of cerium oxide (CeO2) nanorods and nanowires with precisely controlled lengths and aspect ratios. Both phosphate and chloride ions were shown to play critical roles in obtaining these high aspect ratio nanostructures. High-resolution TEM analysis shows that single-crystalline CeO2 nanorods/nanowires were formed along the [211] direction by an “oriented attachment” mechanism, followed by Ostwald ripening. The successful creation of a comprehensive CeO2 nanorod/nanowire combinatorial library allows, for the first time, the systematic study of the effect of aspect ratio on lysosomal damage, cytotoxicity, and IL-1β production by the human myeloid cell line (THP-1). This in vitro toxicity study demonstrated that, at lengths ≥200 nm and aspect ratios ≥22, CeO2 nanorods induced progressive pro-inflammatory effects and cytotoxicity. The relatively low “critical” length and aspect ratio were associated with small nanorod/nanowire diameters (6–10 nm), which facilitates the formation of stacking bundles due to strong van der Waals and dipole–dipole attractions. Our results suggest that both length and diameter components of aspect ratio should be considered when addressing the cytotoxic effects of high aspect ratio materials.
0

Aspect Ratio Determines the Quantity of Mesoporous Silica Nanoparticle Uptake by a Small GTPase-Dependent Macropinocytosis Mechanism

Huan Meng et al.May 12, 2011
Although the aspect ratio (AR) of engineered nanomaterials (ENMs) is one of the key physicochemical parameters that could determine biological outcome, not much is understood about how AR contributes to shaping biological outcome. By using a mesoporous silica nanoparticle (MSNP) library that has been constructed to cover a range of different lengths, we could demonstrate that the AR of rod-shaped particles determines the rate and abundance of MSNP uptake by a macropinocytosis process in HeLa and A549 cancer cell lines. MSNPs with an AR of 2.1–2.5 were taken up in larger quantities compared to shorter or longer length rods by a process that is sensitive to amiloride, cytochalasin D, azide, and 4 °C inhibition. The rods with intermediary AR also induced the maximal number of filopodia, actin polymerization, and activation of small GTP-binding proteins (e.g., Rac1, CDC42) that involve assembly of the actin cytoskeleton and filopodia formation. When assessing the role of AR in the delivery of paclitaxel or camptothecin, the rods with AR 2.1–2.5 were clearly more efficient for drug delivery and generation of cytotoxic killing in HeLa cells. All considered, our data suggest an active sensoring mechanism by which HeLa and A549 cells are capable of detecting AR differences in MSNP to the extent that accelerated macropinocytosis can be used to achieve more efficient drug delivery.
0
Citation336
0
Save
0

Use of a High-Throughput Screening Approach Coupled with In Vivo Zebrafish Embryo Screening To Develop Hazard Ranking for Engineered Nanomaterials

Saji George et al.Feb 16, 2011
Because of concerns about the safety of a growing number of engineered nanomaterials (ENM), it is necessary to develop high-throughput screening and in silico data transformation tools that can speed up in vitro hazard ranking. Here, we report the use of a multiparametric, automated screening assay that incorporates sublethal and lethal cellular injury responses to perform high-throughput analysis of a batch of commercial metal/metal oxide nanoparticles (NP) with the inclusion of a quantum dot (QD1). The responses chosen for tracking cellular injury through automated epifluorescence microscopy included ROS production, intracellular calcium flux, mitochondrial depolarization, and plasma membrane permeability. The z-score transformed high volume data set was used to construct heat maps for in vitro hazard ranking as well as showing the similarity patterns of NPs and response parameters through the use of self-organizing maps (SOM). Among the materials analyzed, QD1 and nano-ZnO showed the most prominent lethality, while Pt, Ag, SiO2, Al2O3, and Au triggered sublethal effects but without cytotoxicity. In order to compare the in vitro with the in vivo response outcomes in zebrafish embryos, NPs were used to assess their impact on mortality rate, hatching rate, cardiac rate, and morphological defects. While QDs, ZnO, and Ag induced morphological abnormalities or interfered in embryo hatching, Pt and Ag exerted inhibitory effects on cardiac rate. Ag toxicity in zebrafish differed from the in vitro results, which is congruent with this material's designation as extremely dangerous in the environment. Interestingly, while toxicity in the initially selected QD formulation was due to a solvent (toluene), supplementary testing of additional QDs selections yielded in vitro hazard profiling that reflect the release of chalcogenides. In conclusion, the use of a high-throughput screening, in silico data handling and zebrafish testing may constitute a paradigm for rapid and integrated ENM toxicological screening.
0
Citation314
0
Save
0

Comparative environmental fate and toxicity of copper nanomaterials

Arturo Keller et al.May 20, 2017
Given increasing use of copper-based nanomaterials, particularly in applications with direct release, it is imperative to understand their human and ecological risks. A comprehensive and systematic approach was used to determine toxicity and fate of several Cu nanoparticles (Cu NPs). When used as pesticides in agriculture, Cu NPs effectively control pests. However, even at low (5–20 mg Cu/plant) doses, there are metabolic effects due to the accumulation of Cu and generation of reactive oxygen species (ROS). Embedded in antifouling paints, Cu NPs are released as dissolved Cu+ 2 and in nano- and micron-scale particles. Once released, Cu NPs can rapidly (hours to weeks) oxidize, dissolve, and form CuS and other insoluble Cu compounds, depending on water chemistry (e.g. salinity, alkalinity, organic matter content, presence of sulfide and other complexing ions). More than 95% of Cu released into the environment will enter soil and aquatic sediments, where it may accumulate to potentially toxic levels (> 50–500 μg/L). Toxicity of Cu compounds was generally ranked by high throughput assays as: Cu+ 2 > nano Cu(0) > nano Cu(OH)2 > nano CuO > micron-scale Cu compounds. In addition to ROS generation, Cu NPs can damage DNA plasmids and affect embryo hatching enzymes. Toxic effects are observed at much lower concentrations for aquatic organisms, particularly freshwater daphnids and marine amphipods, than for terrestrial organisms. This knowledge will serve to predict environmental risks, assess impacts, and develop approaches to mitigate harm while promoting beneficial uses of Cu NPs.
0
Paper
Citation313
0
Save
0

Dispersion and Stability Optimization of TiO2 Nanoparticles in Cell Culture Media

Zhaoxia Ji et al.Jun 10, 2010
Accurate evaluation of engineered nanomaterial toxicity requires not only comprehensive physical−chemical characterization of nanomaterials as produced, but also thorough understanding of nanomaterial properties and behavior under conditions similar to those used for in vitro and in vivo toxicity studies. In this investigation, TiO2 nanoparticles were selected as a model nanoparticle and bovine serum albumin (BSA) was selected as a model protein for studying the effect of protein−nanoparticle interaction on TiO2 nanoparticle dispersion in six different mammalian, bacteria, and yeast cell culture media. Great improvement in TiO2 dispersion was observed upon the addition of BSA, even though the degree of dispersion varied from medium to medium and phosphate concentration in the cell culture media was one of the key factors governing nanoparticle dispersion. Fetal bovine serum (FBS) was an effective dispersing agent for TiO2 nanoparticles in all six media due to synergistic effects of its multiple protein components, successfully reproduced using a simple "FBS mimic" protein cocktail containing similar concentrations of BSA, γ-globulin, and apo-transferrin.
Load More