Оценка нейротоксического эффекта наночастиц оксида железа (III) на субклеточном уровне

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Наночастицы являются продуктом как естественного, так и искусственного происхождения, могут присутствовать в окружающей среде в высоких концентрациях и рассматриваются как фактор, способный оказывать токсическое воздействие на организм человека. Преодоление металлосодержащими наночастицами гематоэнцефалического барьера доказано и представляет интерес с точки зрения промышленной токсикологии и гигиены.

Материалы и методы. Экспозиция наночастицами оксида железа (III) была осуществлена на крысах-самках интраназально. В контрольную и опытную группы включали одинаковое число животных (7). Наночастицы в виде суспензии 0,25 мг/мл вводили крысам в каждый носовой проход по 50 мкл три раза в неделю в течение 6 нед. Образцы ткани для исследования были взяты из обонятельных луковиц мозга крыс. Идентификацию наночастиц оксида железа (III) проводили методом электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Цитотоксическое действие наночастиц оксида железа (III) оценивалось путём ранжирования митохондрий по морфотипам митохондриальной мембраны и сравнения их распределения у опытной и контрольной групп животных.

Результаты. Подтверждено наличие наночастиц в тканях обонятельных луковиц мозга крыс. Морфотипический состав митохондрий показал существенные изменения после экспозиции наночастицами оксида железа (III): доля митохондрий с нормальным и везикулярно набухшим морфотипами снизилась на 36,4 и 4,9% соответственно по сравнению с контрольной группой животных, доля митохондрий нормально-везикулярного и везикулярного морфотипов повысилась на 19,8 и 21,8%, доля везикулярно набухших митохондрий снизилась с 9,5 до 4,6%.

Ограничения исследования. Исследование было ограничено изучением ультраструктурных нарушений митохондрий и идентификацией наночастиц оксида железа (III) в тканях.

Заключение. Дальнейшие исследования воздействия на структуру и функции митохондриального аппарата железосодержащих наночастиц могут способствовать выявлению их потенциальной опасности на субклеточном уровне и дать информацию для разработки мер защиты населения, формирования новых стратегий профилактики и лечения токсико-индуцированных патологий.

Соблюдение этических стандартов. Животные содержались в соответствии с Женевской конвенцией International Guiding Principles for Biomedical Research Involving Animals (CIOMS и ICLAS). Исследование одобрено на заседании локального этического комитета ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (№ 2 от 20 апреля 2020 г.).

Участие авторов:
Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования;
Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования;
Шеломенцев И.Г. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи;
Амромин Л.А. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи;
Шаихова Д.Р. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 21.02.2023 / Принята к печати: 07.06.2023 / Опубликована: 30.08.2023

Об авторах

Иван Глебович Шеломенцев

ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Автор, ответственный за переписку.
Email: shelomencev@ymrc.ru
ORCID iD: 0000-0002-8795-8777

Науч. сотр. ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП», 620014, Екатеринбург.

e-mail: shelomencev@ymrc.ru

Россия

Лев А. Амромин

ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-7703-5103
Россия

Дарья Р. Шаихова

ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-7029-3406
Россия

Марина П. Сутункова

ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-1743-7642
Россия

Ильзира А. Минигалиева

ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: noemail@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-1871-8593
Россия

Список литературы

  1. Pereira A.C., Gonçalves B.B., Brito R.D.S., Vieira L.G., Lima E.C.O., Rocha T.L. Comparative developmental toxicity of iron oxide nanoparticles and ferric chloride to zebrafish (Danio rerio) after static and semi-static exposure. Chemosphere. 2020; 254: 126792. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126792
  2. Maher B.A., González-Maciel A., Reynoso-Robles R., Torres-Jardón R., Calderón-Garcidueñas L. Iron-rich air pollution nanoparticles: An unrecognised environmental risk factor for myocardial mitochondrial dysfunction and cardiac oxidative stress. Environ. Res. 2020; 188: 109816. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109816
  3. Chrishtop V.V., Mironov V.A., Prilepskii A.Y., Nikonorova V.G., Vinogradov V.V. Organ-specific toxicity of magnetic iron oxide-based nanoparticles. Nanotoxicology. 2021; 15(2): 167–204. https://doi.org/10.1080/17435390.2020.1842934
  4. Khan F.A., Almohazey D., Alomari M., Almofty S.A. Impact of nanoparticles on neuron biology: current research trends. Int. J. Nanomedicine. 2018; 13: 2767–76. https://doi.org/10.2147/IJN.S165675
  5. Karmakar A., Zhang Q., Zhang Y. Neurotoxicity of nanoscale materials. J. Food Drug Anal. 2014; 22(1): 147–60. https://doi.org/10.1016/j.jfda.2014.01.012
  6. Teleanu D.M., Chircov C., Grumezescu A.M., Teleanu R.I. Neurotoxicity of nanomaterials: An up-to-date overview. Nanomaterials (Basel). 2019; 9(1): 96. https://doi.org/10.3390/nano9010096
  7. Win-Shwe T.T., Fujimaki H. Nanoparticles and neurotoxicity. Int. J. Mol. Sci. 2011; 12(9): 6267–80. https://doi.org/10.3390/ijms12096267
  8. Borisova T. Nervous system injury in response to contact with environmental, engineered and planetary micro- and nano-sized particles. Front. Physiol. 2018; 9: 728. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00728
  9. Boyes W.K., van Thriel C. Neurotoxicology of nanomaterials. Chem. Res. Toxicol. 2020; 33(5): 1121–44. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00050
  10. Dhakshinamoorthy V., Manickam V., Perumal E. Neurobehavioural toxicity of iron oxide nanoparticles in mice. Neurotox. Res. 2017; 32(2): 187–203. https://doi.org/10.1007/s12640-017-9721-1
  11. Wu J., Ding T., Sun J. Neurotoxic potential of iron oxide nanoparticles in the rat brain striatum and hippocampus. Neurotoxicology. 2013; 34: 243–53. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2012.09.006
  12. Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem J. 2011; 435(2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162
  13. Meyer J.N., Leung M.C., Rooney J.P., Sendoel A., Hengartner M.O., Kisby G.E., et al. Mitochondria as a target of environmental toxicants. Toxicol. Sci. 2013; 134(1): 1–17. https://doi.org/10.1093/toxsci/kft102
  14. Joza N., Susin S.A., Daugas E., Stanford W.L., Cho S.K., Li C.Y., et al. Essential role of the mitochondrial apoptosis-inducing factor in programmed cell death. Nature. 2001; 410(6828): 549–54. https://doi.org/10.1038/35069004
  15. Mayer B., Oberbauer R. Mitochondrial regulation of apoptosis. Physiology. 2003; 18(3): 89–94. https://doi.org/10.1152/nips.01433.2002
  16. Sun M.G., Williams J., Munoz-Pinedo C., Perkins G.A., Brown J.M., Ellisman M.H., et al. Correlated three-dimensional light and electron microscopy reveals transformation of mitochondria during apoptosis. Nat. Cell Biol. 2007; 9(9): 1057–65. https://doi.org/10.1038/ncb1630
  17. Кательникова А.Е., Крышень К.Л., Зуева А.А., Макарова М.Н. Интраназальное введение лекарственных средств лабораторным животным. Лабораторные животные для научных исследований. 2019; (2): 9. https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-02-09 https://elibrary.ru/xbrmnv
  18. Dumková J., Smutná T., Vrlíková L., Le Coustumer P., Večeřa Z., Dočekal B., et al. Sub-chronic inhalation of lead oxide nanoparticles revealed their broad distribution and tissue-specific subcellular localization in target organs. Part. Fibre. Toxicol. 2017; 14(1): 55. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0236-y
  19. Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B., et al. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017; 380: 72–93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007
  20. Cramer S., Tacke S., Bornhorst J., Klingauf J., Schwerdtle T., Galla H.J. The influence of silver nanoparticles on the blood-brain and the blood-cerebrospinal fluid barrier in vitro. J. Nanomed. Nanotechnol. 2014; 5: 1000225. https://doi.org/10.4172/2157-7439.1000225
  21. Panzarini E., Mariano S., Carata E., Mura F., Rossi M., Dini L. Intracellular transport of silver and gold nanoparticles and biological responses: an update. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(5): 1305. https://doi.org/10.3390/ijms19051305
  22. Ruan L., Li H., Zhang J., Zhou M., Huang H., Dong J., et al. Chemical transformation and cytotoxicity of iron oxide nanoparticles (IONPs) accumulated in mitochondria. Talanta. 2023; 251: 123770. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123770
  23. Rivas-García L., Quiles J.L., Varela-López A., Giampieri F., Battino M., Bettmer J., et al. Ultra-small iron nanoparticles target mitochondria inducing autophagy, acting on mitochondrial DNA and reducing respiration. Pharmaceutics. 2021; 13(1): 90. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13010090
  24. Khan M.I., Mohammad A., Patil G., Naqvi S.A., Chauhan L.K., Ahmad I. Induction of ROS, mitochondrial damage and autophagy in lung epithelial cancer cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 2012; 33(5): 1477–88. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.10.080
  25. Shiozaki E.N., Shi Y. Caspases, IAPs and Smac/DIABLO: mechanisms from structural biology. Trends Biochem. Sci. 2004; 29(9): 486–94. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2004.07.003
  26. Perkins G.A., Sun M.G., Frey T.G. Chapter 2 correlated light and electron microscopy/electron tomography of mitochondria in situ. Methods Enzymol. 2009; 456: 29–52. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(08)04402-9

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шеломенцев И.Г., Амромин Л.А., Шаихова Д.Р., Сутункова М.П., Минигалиева И.А., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.