Nanotoxicity of fruit based carbon-dots using in vitro and in vivo models

Abstract

Fluorescent carbon-dots (c-dots) are a class of recently discovered nanomaterials. C-dots are appealing considerable attention as benign substitutes of quantum dots, due to their small particle size (<10 nm), aqueous solubility and excellent biocompatibility. In addition to that, the possibility of preparing c-dots from natural products, such as fruits, attracted the study of these nanomaterials for applications in bioimaging, biosensing and drug delivery. In this way, information on their toxicological profile both in vitro and in vivo is crucial. To the best of our knowledge c-dots produced from fruits have been studied for the first time for their toxicity against cells and zebrafish embryos in this work. Here, three different c-dots synthesized from kiwi, pear and avocado fruits respectively, by one-pot green hydrothermal method, and characterized for their photoluminescence properties, were used. The potential toxicity of these nanoparticles was addressed using in vitro and in vivo models. Conventional in vitro cytotoxicity and anticancer potential of fruit based c-dots tests were performed using normal cells (human kidney derived) and cancer cells (human epithelial colorectal adenocarcinoma). In vivo toxicity was determined using zebrafish Danio rerio (Hamilton, 1822) given its peculiar embryogenesis with transparent embryos developing ex-utero, allowing for a real-time analysis. This model was also addressed to validate the internalization and distribution of novel fruit based c-dots by confocal imaging. It was found that the tested fruit based c-dots only presented toxicity at concentrations above 1.5 g/L in both in vitro and in vivo assays. Kiwi c-dots showed to be the most toxic to both cells and zebrafish embryos, presenting lower LD50 values. Conversely, c-dots synthesized from citric acid (commercial soruce reference) did not present toxicity. However, pepper c-dots (nonfruit reference) induced different toxicity towards cells and zebrafish. This suggests that the effects observed can be attributed to the starting material employed in their synthesis. The distribution of c-dots in zebrafish embryos was observed from their fluorescence emission especially in the eye and yolk sac, being avocado c-dots the ones more accumulated.

Carbon dots (c-dots) fotoluminescentes são uma classe de nanomateriais recentemente descobertos. Estas nanoestruturas têm atraído uma atenção notável, pois constituem substitutos adequados aos tradicionais quantum dots. Tal deve-se ao seu pequeno tamanho (<10 nm), à sua maior solubilidade aquosa e excelente biocompatibilidade. Além disso, a possibilidade de preparar c-dots a partir de compostos orgânicos e naturais, tais como frutas, empolgou o estudo desses nanomateriais para aplicações de diagnóstico e como transportadores de compostos activos. Desta forma, a informação sobre o seu perfil toxicológico, tanto in vitro como in vivo, é essencial. Até ao momento, os c-dots produzidos a partir de frutas foram estudados pela primeira vez pelo seu efeito tóxico. Neste projeto, três diferentes c-dots sintetizados a partir de kiwi, pêra e abacate usando um processo hidrotérmico e caracterizados pela sua luminescência, foram estudados. A toxicidade destas nanopartículas foi estudada utilizando modelos in vitro e in vivo. A citotoxicidade convencional in vitro e o potencial anticancerígeno dos c-dots de fruta foram estudados utilizando células normais (derivadas de rim humano) e células cancerígenas (derivadas do epitélio colorrectal humano). A toxicidade in vivo foi determinada usando peixezebra Danio rerio (Hamilton, 1822), dada a sua embriogênese peculiar, com embriões transparentes que se desenvolvem fora do útero, permitindo uma análise em tempo real. Este modelo também foi utilizado para validar a internalização e distribuição destes c-dots através da microscopia confocal. Verificou-se que a atividade inibitória dos c-dots em estudo foi mais acentuada para concentrações acima de 1.5 g/L em ensaios in vitro e in vivo. Kiwi-dots mostraram ser mais prejudiciais quer para as células quer para os embriões de peixe-zebra, apresentando menores valores de LD50. Já os c-dots de ácido cítrico não apresentaram toxicidade. Contudo os c-dots de pimenta apresentaram perfis diferentes nas células e no peixe zebra. Este resultado sugere que os diferentes efeitos observados podem ser atribuídos à fonte utilizada na sua síntese. As concentrações mais altas confirmaram a alta biocompatibilidade e baixa toxicidade dos c-dots. A sua distribuição em embriões de peixe-zebra foi observada a partir de emissão de fluorescência, especialmente no olho e na gema, tendo sido os c-dots de abacate os mais internalizados.