Systematic in vitro biocompatibility studies of multimodal cellulose nanocrystal and lignin nanoparticles

Abstract

Natural biopolymer nanoparticles (NPs), including nanocrystalline cellulose (CNC) and lignin, have shown potential as scaffolds for targeted drug delivery systems due to their wide availability, cost-efficient preparation, and anticipated biocompatibility. As both CNC and lignin can potentially cause complications in cell viability assays because of their ability to scatter the emitted light and absorb the assay reagents, we investigated the response of bioluminescent (CellTiter-Glo ® ), colorimetric (MTT ® and AlamarBlue ® ), and fluorometric (LIVE/DEAD ® ) assays for the determination of the biocompatibility of the multimodal CNC and lignin constructs in murine RAW 264.7 macrophages and 4T1 breast adenocarcinoma cell lines. Here, we have developed multimodal CNC and lignin NPs harboring the radiometal chelator 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid and the fluorescent dye cyanine 5 for the investigation of nanomaterial biodistribution in vivo with nuclear and optical imaging, which were then used as the model CNC and lignin nanosystems in the cell viability assay comparison. CellTiter-Glo ® based on the detection of ATP-dependent luminescence in viable cells revealed to be the best assay for both nanoconstructs for its robust linear response to increasing NP concentration and lack of interference from either of the NP types. Both multimodal CNC and lignin NPs displayed low cytotoxicity and favorable interactions with the cell lines, suggesting that they are good candidates for nanosystem development for targeted drug delivery in breast cancer and for theranostic applications. Our results provide useful guidance for cell viability assay compatibility for CNC and lignin NPs and facilitate the future translation of the materials for in vivo applications.

Chemical Modification of Reducing End‐Groups in Cellulose Nanocrystals

“…[109] Thea uthors developed nuclear imaging probes by labelling the REGs with ah ydrazine-modified diagnostic radionuclide (DOTA = 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid), which displayed good biocompatibility in the cell models.I n al ater study,t he DOTAl abeling was complemented with af luorescent dye (cyanine 5), enabling systematic investigations of the nanoparticle biodistribution in vivo by nuclear and optical imaging. [151] Figure 8. a) Cryo-EM micrograph of patchy PMETAC-grafted CNCs labelled with Au 0 NPs.…”

“…On the other hand, Meesorn et al demonstrated that adsorbing as mall amount of amphiphilic poly(vinyl alcohol) onto CNCs aids their dispersion in different matrices and leads to as uperior enhancement of the mechanical performance,a rguably because hydrogenbonding interactions are maintained. [149][150][151]158] CNCs that are only partially decorated with a(covalently attached) compatibilizer may offer similar physico-chemical features,i .e., an increased dispersibility vis-à-vis unmodified CNCs and an unmitigated ability to interact with their environment through an abundance of hydrogen bonds.…”

Chemische Modifizierung der reduzierenden Enden von Cellulosenanokristallen

“…In einem späteren Beitrag wurde die DOTA-Markierung durch einen fluoreszierenden Farbstoff (Cyanin 5) ergänzt, was systematische Untersuchungen der Bioverteilung der Nanopartikel in vivo durch nukleare und optische Bildgebung ermçglichte. [151] 6.3. Nanokomposite CNFs und CNCs wurden umfassend als biobasierte,l eistungsfähige Verstärkung fürP olymerkomposite erforscht.…”

“…Die Autoren entwickelten durch Markierung der REGs mit einem Hydrazin‐modifizierten diagnostischen Radionuklid (DOTA=1,4,7,10‐Tetraazacyclododecan‐1,4,7,10‐tetraessigsäure) nukleare Bildgebungssonden, die eine gute Biokompatibilität in Zellmodellen zeigten. In einem späteren Beitrag wurde die DOTA‐Markierung durch einen fluoreszierenden Farbstoff (Cyanin 5) ergänzt, was systematische Untersuchungen der Bioverteilung der Nanopartikel in vivo durch nukleare und optische Bildgebung ermöglichte [151] …”

“…Meesorn et al zeigten wiederum, dass die Adsorption einer geringen Menge amphiphilen Polyvinylalkohols auf den CNCs deren Dispersion in verschie-denen Matrices fçrdert und zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Performance führt, wohl auf Basis der erhaltenen H-Bindungsinteraktionen. [149][150][151]158] CNCs,d ie nur teilweise mit (kovalent gebundenen) Kompatibilisierern dekoriert sind, kçnnten ähnliche physikochemische Eigenschaften bieten, z. B. eine erhçhte Dispergierbarkeit gegenüber unmodifizierten CNCs und eine ungemilderte Fähigkeit, mit ihrer Umgebung über H-Brücken zu interagieren.…”