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Safety of ferrite nanoparticles for biomedical applications: Cyto- and genotoxic effects of MxFe3-xO4 (M = Fe, Zn, Mn) in an Advanced 3D human hepatic in vitro model - 04/02/26

Doi : 10.1016/j.biopha.2025.118950 
Iza Rozman a, b, Alvaro Gallo-Cordova c, María del Puerto Morales c, Marco A. Morales Ovalle d, Gerardo F. Goya e, Katja Kološa a, Domen Hočevar b, Bojana Žegura a, b, , 1 , Alja Štern a, b, , 1
a National Institute of Biology, Department of Genetic Toxicology and Cancer Biology, Večna pot 121, Ljubljana, Slovenia 
b Biotechnical Faculty, University of Ljubljana, Jamnikarjeva ulica 101, Ljubljana, Slovenia 
c Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC, C Sor Juana Inés de la Cruz 3, Madrid 28049, Spain 
d Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, CNEA, CONICET, Centro Atómico Bariloche, Av. Bustillo 9500, SC de Bariloche 8400, Argentina 
e Institute of Nanoscience and Materials of Aragón (INMA), CSIC-, University of Zaragoza, 12, C. de Pedro Cerbuna, Zaragoza 50009, Spain 

Corresponding authors at: National Institute of Biology, Department of Genetic Toxicology and Cancer Biology, Večna pot 121, Ljubljana, Slovenia. National Institute of Biology, Department of Genetic Toxicology and Cancer Biology Večna pot 121 Ljubljana Slovenia

Abstract

Given the growing interest in nanosized spinel-type ferrite nanoparticles for biomedical applications and the limited information on their safety, this study aimed to assess their cellular and genotoxic effects in an in vitro 3D human hepatic cell model (HepG2 spheroids). Ferrite nanoparticles – γFe 2 O 3 (FeNPs; 14 ± 4 nm), Zn 0.7 Fe 2.3 O 4 (ZnNPs; 14 ± 5 nm), and Mn 0.4 Fe 2.6 O 4 (MnNPs; 7 ± 2 nm) – were synthesised through a microwave-assisted polyol route, functionalized with citric acid, and characterised using Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Diffraction (XRD), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Nanoparticle uptake was analysed using TEM, cytotoxicity was measured with CellTiter-Glo®, and oxidative stress induction was assessed using the 2′,7′-Dichlorodihydrofluorescein diacetate (DCFH-DA) and malondialdehyde (MDA) assay. Genotoxic effects were evaluated using the comet, γH2AX and p-H3 assays. Cellular stress responses were assessed using toxicogenomic analysis. Significant cytotoxicity of the tested nanoparticles (0.1–250 µg/mL) was observed; however, TEM analysis revealed limited penetration to the outermost cell layers of spheroids. Notably, only FeNPs induced ROS generation, while MDA levels remained unchanged in all tested samples. Low DNA damage was detected at 24 h, but a significant increase was observed at 96 h (5–50 µg/mL). No increase in γH2AX or p-H3 was found. No substantial alterations in DNA damage or oxidative stress-response gene expression were detected. Altogether, our findings suggest that the effects of ferrite nanoparticles are time- and composition-dependent, underlining the importance of further mechanistic and chronic exposure evaluations in 3D cell models.

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Graphical Abstract




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Highlights

Nanoparticle internalisation was limited to the outermost cell layers of HepG2 spheroids.
MnNPs and ZnNPs exhibited greater cytotoxicity than FeNPs.
All tested nanoparticles induced DNA damage after 96 h, but no evidence of aneugenic or clastogenic effects was observed.
ROS generation was detected only after short-term (4-h) exposure to FeNPs.
Ferrite nanoparticle effects were time- and composition-dependent.

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Keywords : DNA damage, Genotoxicity, HepG2 spheroids, Magnetic ferrite-based nanoparticles, ROS induction, Safety assessment, Toxicogenomics


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