Interaction of graphene oxide with fetal bovine serum in cell culture medium : the protein corona impacts on cytotoxicity

Orientador: Diego Stéfani Teodoro Martinez Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia Resumo: Neste trabalho foi estudada a interação do óxido de grafeno (GO) com soro fetal bovino (SFB) em meio de cultura de células, visando entender a formação da protein corona sobre a superfície destes materiais e seus impactos na citotoxicidade. Inicialmente foi realizado um estudo comparativo da interação de GO single-layer (GO-SL) e multi-layer (GO-ML) com SFB em meio de cultura DMEM, sendo observado que: (i) a composição da protein corona de SFB depende não apenas das propriedades físico-químicas do GO, mas também de seu comportamento coloidal em meio de cultura; (ii) as proteínas adsorvidas pelos materiais de GO variaram em quantidade (394 no GO-SL e 290 no GO-ML), tipo (115 exclusivas do GO-SL e 11 do GO-ML) e nas funções desempenhadas pelas proteínas (GO-SL enriqueceu proteínas envolvidas em processos metabólicos e transdução de sinais; e o GO-ML proteínas envolvidas no desenvolvimento/estrutura celular e processos metabólicos/transporte de lipídeos). Em seguida, foi avaliado o efeito do GO-SL sobre queratinócitos humanos (HaCat) na ausência e presença de protein corona de SFB e de albumina sérica bovina (BSA). Os principais resultados obtidos foram: (i) a formação da protein corona reduziu, mas não inibiu completamente a toxicidade do GO, tendo sido observado redução da viabilidade celular após 72h de exposição e alteração nas proteínas secretadas pelas células; (ii) a internalização do GO, as proteínas secretadas pelas células expostas ao GO, e a ativação ou inibição de vias de sinalização/mecanismos de toxicidade, variaram em função da presença ou ausência, e da composição da protein corona; (iii) além dos mecanismo já descritos na literatura, como estresse oxidativo, alteração do ciclo celular e disfunção mitocondrial, a análise do secretoma identificou novos mecanismos/vias de sinalização como indução da transição de células epiteliais em mesenquimais e ativação de receptores de hidrocarbonetos de arila. Desse modo, os resultados obtidos neste trabalho enfatizam a importância de se realizar uma caracterização avançada do GO e de sua interação com meio de cultura e SFB durante estudos nanotoxicológicos in vitro, uma vez que estas interações geram impactos na dosimetria (dose real de GO que chega até as células) e na resposta celular em função da composição da protein corona. Este trabalho contribuiu para a caracterização proteômica da protein corona de SFB em materiais de óxido de grafeno e na investigação dos mecanismos de toxicidade em células HaCat, e do papel da composição da protein corona no desencadeamento destes mecanismos Abstract: The interaction of graphene oxide materials (GO) with fetal bovine serum (FBS) in cell culture medium was evaluated in order to understand the protein corona formation and its impacts on cytotoxicity. First, it was performed a comparative study on single-layer GO (SL-GO) and multi-layer GO (ML-GO) interaction with FBS, and it was observed that: (i) the protein corona composition depends not only on GO physicochemical properties, but also on GOs behavior in the cell culture medium; (ii) the proteins adsorbed by GO materials have varied in quantity (394 on SL-GO and 290 on ML-GO), type (115 exclusive proteins on SL-GO and only 11 on ML-GO) and biological functions (SL-GO enriched proteins involved in metabolic processes and signal transduction, while ML-GO enriched proteins involved in cellular development/structure, and lipid transport/metabolic processes). Then, the cytotoxicity of SL-GO was evaluated for human kerationocytes (HaCat), in the absence or presence of a protein coating from FBS proteins or bovine serum albumin (BSA). Our results have shown that: (i) the protein corona formation has reduced, but not completely avoided the GO cytotoxicity, once it was observed a decrease in cell viability after a 72h exposure and a variation on proteins secreted by cells; (ii) the GO internalization, the proteins secreted by cells exposed to GO, and the signaling pathways/toxic mechanisms activation or inibhition have varied as function of the presence or absence, as well as, the composition of the protein corona; (iii) besides the already recognized mechanisms such as oxidative stress, cell cycle arrest and mitochondrial disfuntion, the secretome analysis has identified new mechanisms/signaling pathways such as the epithelial-mesenchimal transition and the aryl hydrocarbon receptor signaling. Thus, our data highlight the importance to perform an advanced characterization of GO materials and their interaction with cell culture medium and FBS during in vitro nanotoxicological studies, once these interactions can impact on dosimetry (the effective dose of GO delivered to cells) and cellular response as function of protein corona composition. Finally, we have contributed to the proteomics characterization of FBS protein corona on GO materials and to investigate the GO toxic mechanisms and the role of protein corona composition on activation of such mechanisms Doutorado Ciência dos Materiais Doutora em Tecnologia CAPES 88882.143413/2017-01; 88881.188728/2018-01 CNPEM