Single-cell cytometric and predictive modelling studies for understanding the heterogeneous interactions between cells and nanoparticles

Abstract

최근 수십년동안 나노물질과 나노입자들은 화장품, 섬유, 페인트 등 실생활에 사용되는 소비자 제품뿐만 아니라 의약품에도 널리 사용되고 있다. 따라서 나노입자와 생물학적 시스템의 상호작용이 환경과 인간의 건강에 미치는 영향을 이해하는 것이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 나노독성 연구에서 in vivo 실험을 대체할수 있을것으로 기대되는 in silico 및 in vitro 실험을 통한 나노물질의 위험도 평가 개선을 목적으로 연구를 수행하였다. 이 학위논문의 첫번째 파트(2장)에서는 여러 배양된 포유동물 세포주에 대한 다양한 산화금속 나노입자의 독성을 예측하기 위한 데이터의 수집, 전처리, 그리고 이에 기반한 예측모델의 개발 및 응용에 대하여 설명하였다. 나노독성 예측 모델 개발의 주된 장애 요인은 데이터의 완결성(completeness)과 질(quality)적인 면에서 기존에 출판된 문헌 데이터들의 이질성(heterogeneity)이다. 여기서 추출된 데이터들의 완결성과 질을 개선하기 위해 나노특성스코어 기반의 데이터 전처리 방법을 사용했다. 이 두가지 전처리 방법을 사용함으로써 나노독성 문헌의 메타 분석이 설계된 나노물질과 나노입자의 안전성을 평가하는 효과적인 접근법임을 입증했다.

본 학위논문의 두 번째 파트(3,4,5,6장)에서는 세포와 나노입자 사이의 다양한 상호작용에 관한 연구결과를 설명하였다. 형광기반 유세포 분석법, 질량기반 유세포 분석법, 단일세포 RNA 시퀀싱을 포함한 단일세포 기반 세포분석기법들을 이용하여 배양된 인간 폐암 세포(A549 세포주)와 인간 말초혈액에서 분리한 면역 세포에서 세포의 은나노입자 흡입 정도와 은나노입자의 독성반응에 있어서 관찰된 다양성을 보여주었다. 특히, 다양한 종류의 세포들로 구성된 인간 면역 세포뿐만 아니라 단일 클론에서 유래된 세포일지라도 세포와 분자 수준에서 모두 은나노 입자에 대한 세포의 반응이 다른 것을 관찰할 수 있었다. 그러한 이질성은 체액에서 나노입자의 응집, 침전, 확산 같은 콜로이드성 작용 또는 세포 주기, 흡착, 세포 이동 등의 세포의 생리학적 상태를 포함한 여러 요인들에 의해 발생한다.

이러한 연구성과들은세포와 나노입자 사이의 in vitro 상호작용과 나노독성 데이터 분석을 위한 in silico 모델의 사용에 대한 이해를 향상시키며, 나노물질의 위험성 평가를 개선하고 인간의 건강과 환경을 보호하는데 유용한 정보를 제공할것으로 기대된다.; In the recent decades, engineered nanomaterials (ENMs) and nanoparticles (NPs) have become extensively used in consumer products such as cosmetics, textiles, and paints, as well as biomedical applications, from drug carriers to labelling agents. Therefore, it is necessary to understand their interactions with biological systems and their adverse effects on the environment and human health. This thesis aims to improve the risk assessment of nanomaterials via in silico and in vitro methods in replacement of the in vivo animal testing in nanotoxicological studies. The first part of this thesis (Chapter 2) describes the development of computational models to predict the toxicity of various metal oxide NPs in several cultured mammalian cell lines. One principal obstacle in the development of nanotoxicity prediction models is the vast heterogeneity of published literature in terms of data completeness and quality. Herein, to improve the completeness and quality of the extracted data, the physicochemical property-based scoring was adopted. By adopting these two preprocessing methods, I demonstrated that the meta-analysis of nanotoxicity literature is an effective approach to assess the safety of ENMs and NPs.

The second part (Chapters 3, 4, 5, and 6) discusses the heterogeneous interactions between cells and NPs. Using high-dimensional techniques including flow cytometry, mass cytometry, and single-cell RNA sequencing, I investigated the cellular association and toxic effects of silver NPs (AgNPs) in cultured human lung cancer cells (A549 cell line) and primary immune cells in human peripheral blood. A vast heterogeneity could be observed in the association and responses, at both cellular and molecular levels, of cells to AgNPs, even for cells derived from a single clone with the same genetic background. Such heterogeneity is driven by several factors including the colloidal behaviors of the NPs in biological fluids, namely agglomeration, sedimentation, and diffusion, or the physiological state of cells, such as cell cycle, adhesion, and migration.

The knowledge presented in this thesis can provide insights into the in vitro interactions between cells and NPs and the use of in silico models for nanotoxicity data analysis so that the risk assessment of nanomaterials can be improved and become more useful in protecting human health and the environment.