You are using an outdated browser. For a faster, safer browsing experience, upgrade for free today.

До питання інтенсифікації вільнорадикального окиснення біосубстратів при дії нанорозмірних матеріалів

До питання інтенсифікації вільнорадикального окиснення біосубстратів при дії нанорозмірних матеріалів

ISSN 2223-6775 Український журнал з проблем медицини праці Том.18, №3, 2022


https://doi.org/10.33573/ujoh2022.03.224

До питання інтенсифікації вільнорадикального окиснення біосубстратів при дії нанорозмірних матеріалів

Іщейкін К.Є., Леоненко О.Б., Патика Т.І.
Державна установа «Інститут медицини праці імені Ю.І. Кундієва Національної академії медичних наук України», м. Київ


 Повна стаття (PDF), УКР

Вступ. Перетворення в структурі і фізико-хімічних властивостях сучасних нанорозмірних матеріалів, в порівнянні з аналогами в макроформах, призводять до змін їх біологічної активності, включаючи вільнорадикальне окиснення біосубстратів як один з найбільш важливих механізмів токсичності цієї продукції. Оксидативний стрес, індукований інженерними наночастинками, обумовлюється їх розміром, площею поверхні, складом і проявляється вільнорадикальними перекисними ушкодженнями білків, ліпідів, нуклеїнових кислот. Наночастки спричиняють оксидативний стрес і подальші патофізіологічні ефекти, включаючи запалення, фіброз, генотоксичність.

Мета дослідження. Обгрунтувння значимості змін інтенсивності вільнорадикального окислення біосубстратів в механізмі пошкоджуючої дії нанорозмірних матеріалів як основних показників їх токсичності.

Матеріали та методи дослідження. Вибірковий аналіз джерельної бази данних дослідження: вітчизняні та іноземні наукові матеріали, інформаційні матеріали (ресурси Medline, Pubmed, Medscape, Elsevier, Scopus, Web of Science та ін.) для систематизації та узагальнення даних, що стосуються проблеми дослідження.

Результати. Пошкоджуюча дія наночасток на організм людини здійснюється декількома механізмами. Основними і найбільш важливими з них є інтенсифікація вільнорадикального окислення біосубстратів з руйнуванням макромолекул (білків, фосфоліпідів, нуклеїнових кислот), порушення клітинних процесів, зумовлених поверхневими властивостями наночастинок (фотохімічними, електричним полем, щільністю заряду і електронною провідністю). Не виключається наявність інших механізмів токсичності наноматеріалів, викликаних, зокрема, їх дією на клітинні мембрани і органели, посиленням транспорту потенційно токсичних компонентів через бар'єри організму, а також можливої генотоксичності і алергізуючої дії. Маніфестація пошкоджуючих ефектів наночастинок залежить від розмірності, хімічної природи, фізичного стану, значною мірою від стабілізації.

Висновки. Інтенсифікація вільнорадикального окиснення біосубстратів є одним із основних показників пошкоджуючої дії нанорозмірної продукції та приорітетним напрямком досліджень щодо небезпечного впливу її на організм людини. Встановлено, що наночастки підсилюють утворення активних форм кисню та азоту, порушують мембранні структури, надходять в клітини і взаємодіють з клітинними компонентами в результаті високої проникаючої здатності їх. Вільнорадикальне окиснення біосубстратів, як основний механізм пошкоджуючої дії наночасток, детермінується розміром, площею їх поверхні, складом. Властивості і токсичність наноматеріалів можуть бути модифіковані в процесі лабораторних і технологічних маніпуляцій за рахунок змін їх структури, величини, сорбції ними інших молекул.

Ключові слова: наноматеріали; наночастинки; механізм взаємодії; окиснення, небезпека

Література

  1. Letniak, N.Ya. (2021), “Toxicological properties of carbon nanotubes”, Medical and Clinical Chemistry, Vol. 23, No. 4, pp. 125-131 DOI https://doi.org/10.11603/mcch.2410-681X.2021.i4.12747.
  2. Egorova, K.S., Ananikov, V.P. (2017), “Toxicity of Metal Compounds: Knowledge and Myths”, Organometallics, Vol. 36, No. 21, pp. 4071-4090, https://doi.org/10.1021/acs.organomet.7b00605.
  3. Gmoshinskiy, I.V., Khotimchenko, S.A., Riger, N.A., Nikityuk, D.B. (2017), “Carbon nanotubes: mechanisms of action, biological markers and assessment of toxicity in vivo (literature review)”, Hygiene and sanitation. Vol. 96, No. 2. Pp. 176-186, DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-2-176-186.
  4. WHO guidelines on protecting workers from potential risks of manufactured nanomaterials. 2017. Geneva: World Health Organization. Licence: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.
  5. Tomilina, I.I., Gremyachikh, V.A., Grebenyuk, L.P., Golovkina, E.I., Klevleeva, T.R. (2017), “Toxicological study of metal and metal oxide nanoparticles”, Proceedings of IBVV RAS. Vol. 77, No. 80, pp. 105-123, https://doi.org/10.24411/0320-3557-2017-10007.
  6. Krewski, D., Andersen, M.E., Tyshenko, M.G. et al. (2020), “Toxicity testing in the 21st century: progress in the past decade and future perspectives”, Arch Toxicol, No. 94, P.1–58, https://doi.org/10.1007/s00204-019-02613-4.
  7. Kachesova, P.S., Goroshinskaya, I.A., Borodulin, V.B., Shalashnaya, E.V., Chudilova, A.V., Nemashkalova, L.A. (2016), “Influence of iron nanoparticles on the indices of free radical oxidation in the blood of rats with Pliss lymphosarcoma”, Biomedical chemistry, Vol. 62, No. 5, pp. 555-560, https://doi.org/10.18097/PBMC20166205555.
  8. Kumari, S., Badana, A. K., G, M. M., G, S.and Malla, R. (2018), “Reactive oxygen species: a key constituent in cancer survival”, Biomark. Insights, Vol. 13:1177271918755391. https://doi.org/10.1177/117727191875539.
  9. Khan, Ibrahim, Saeed, Khalid, Khan, Idrees. (2019), “Nanoparticles: Properties, applications and toxicities”, Arabian Journal of Chemistry, Vol. 12, No. 7, P. 908-931, https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011
  10. Leonenko, O.B., Leonenko, N.S. (2020), “Features of hazard assessment of nanosized materials (literature review)”, Ukrainian Journal of Modern Problems of Toxicology, Vol. 1, No. 88, pp. 104-112, https://doi.org/10.33273/2663-4570-2020-88-1-104-112.
  11. Raftis, Jennifer B. and Miller, Mark R. “Nanoparticle translocation and multi-organ toxicity: A particularly small problem”, Nano Today. 2019. Vol. 26: 8-12. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.03.010.
  12. Romashchenko, A.V., Sharapova, M.B., Morozova, K.N., Kiseleva, E.V., Cooper, K.E., Petrovsky, D.V. (2019), “The role of olfactory transport in the penetration of manganese oxide nanoparticles from the bloodstream into the brain”, Vavilov Journal of Genetics and Breeding, Vol. 23, No. 4, pp. 482-488, https://doi.org/10.18699/VJ19.517.
  13. Sarapultsev, A.P., Rempel, S.V., Kuznetsova, Yu.V., Sarapultsev, G.P. (2016), “Interaction of nanoparticles with biological objects (review)”, Bulletin of the Ural Medical Academic Science, No. 3, pp. 97-111, https://doi.org/10.22138/2500-0918-2016-15-3-97-111.
  14. Xi-Qiu Liu, Rui-Zhi Tang. (2017), “Biological responses to nanomaterials: understanding nano-bio effects on cell behaviors”, Drug Delivery. Vol. 24, pp. 1-15, available at: https://doi.org/10.1080/10717544.2017.1375577.
  15. Capek, J., Roušar, T. (2021), “Detection of Oxidative Stress Induced by Nanomaterials in Cells - The Roles of Reactive Oxygen Species and Glutathione”, Molecules, No. 26, pp. 4710. https://doi.org/10.3390/molecules26164710.
  16. Yang, B., Chen, Y., Shi, J. (2019), “Reactive oxygen species (ROS)-based nanomedicine”, Chem. Rev, No. 119, pp. 4881–4985. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00626.
  17. Lin Guimiao, Chen Ting, Pan Yongning , Yang Zhiwen, Li Li Yong, Ken-tye, Wang Xiaomei, Wang Jie, Chen Yajing, Jiang Wenxiao, Weng Shuting, Xiaorui Huang, Jiajie Kuang, and Xu Gaixia. (2020), “Biodistribution and acute toxicity of cadmium-free quantum dots with different surface functional groups in mice following intratracheal inhalation”, Nanotheranostics, Vol. 4, No. 3, pp. 173–183. Published online 2020 May 18. https://doi.org/10.7150/ntno.42786.
  18. Mengmeng Wang, Jilong Wang, Hubo Sun, Sihai Han, Shuai Feng, Lu Shi, Peijun Meng, Jiayi Li, Peili Huang, and Zhiwei Sun. (2016), “Time-dependent toxicity of cadmium telluride quantum dots on liver and kidneys in mice: histopathological changes with elevated free cadmium ions and hydroxyl radicals”, No.11, pp. 2319–2328, https://doi.org/10.2147/IJN.S103489.
  19. Tabulina, L.V., Rusalskaya, T.G., Shulitsky, B.G., Shaman, Yu.P., Komissarov, I.V., Karosa, A.G. (2017), “Features of cleaning carbon nanotubes from impurities after their synthesis”, Izv. Universities, Chemistry and chem. Technology, 60, No. 6, pp. 89-94, DOI: https://doi.org/10.6060/tcct.2017606.5539.
  20. Mikheeva, N.A., Khayrullin, R., Terentyuk, G., Mikheev, V. (2015), “The permeability of some blood-tissue barriers for pegylated gold nanoparticles at use of parenteral injection”, Journal of Nanomedicine and Nanotechnology, Vol. 6, No. 6, pp. 91. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.
  21. Mikheeva, N.A. (2017), “Size dependence of the permeability of histohematogenous barriers for gold nanoparticles”, Anatomicum Latinicumque, pp.178-181, DOI: https://doi.org/10.15407/nnn.
  22. Francisca Villanueva-Flores, Andrés Castro-Lugo, Octavio, T Ramírez, and Laura, A Palomares. (2020), “Understanding cellular interactions with nanomaterials: towards a rational design of medical nanodevices”, Nanotechnology, Mar 27, Vol. 31, No.13, pp, 13200, Published online 2020 Jan 14, https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab5bc8.
  23. Gabriele Pizzino, Natasha Irrera, Mariapaola Cucinotta, Giovanni Pallio, Federica, Mannino, Vincenzo, Arcoraci, Francesco, Squadrito, Domenica, Altavilla, and Alessandra, Bitto. (2017), “Oxidative Stress: Harms and Benefits for Human Health”, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, Published online 2017 Jul 27. https://doi.org/10.1155/2017/8416763.
  24. Martemucci G.; Costagliola C.; Mariano M.; D’andrea L.; Napolitano P.; D’Alessandro A.G. (2022), “Free Radical Properties, Source and Targets, Antioxidant Consumption and Health”, Oxygen. Vol. 2, P. 48–78. https://doi.org/10.3390/oxygen2020006.
  25. Sun, H., Yan, G., Zhou, H.. (2017), “Nanoparticles-Induced Oxidative Stress”, in Yan, B., Zhow, H., Gardea-Torresdey, J.L. (Ed.), Bioactivity of Engineered Nanoparticles.Nanomedicine and Nanotoxicology, Spinger, pp. 63-79. DOI https://doi.org/10.1007/978-981-10-5864-6.
  26. Soodaeva, S.K., Klimanov, I.A., Nikitina, L.Yu. (2017), “Nitrosative and oxidative stresses in respiratory diseases”, Russian Pulmonology, Vol. 27, No. 2, pp. 262–273, https://doi.org/10.18093/0869-0189-2017-27-2-262-273.
  27. Huang Q., Zhang J., Zhang Y., Timashev P., Ma X., Liang X.J. (2020), “Adaptive changes induced by noble-metal nanostructures in vitro and in vivo”, Theranostics. Vol. 10(13). pp.5649-5670. doi: https://doi.org/10.7150/thno.42569
  28. Avalos, A., Haza, A.I., Mateo, D., Morales, P. (2016), “Interactions of manufactured silver nanoparticles of different sizes with normal human dermal fibroblasts”, Int Wound J., Vol. 13, No.1, pp. 101-109, https://doi.org/10.1111/iwj.12244.
  29. Quinteros, M. A., Cano, V., Aristizábal, P. R., Dalmasso, M. G., Paraje, P. L. Páez (2016), “Oxidative stress generation of silver nanoparticles in three bacterial genera and its relationship with the antimicrobial activity”, Toxicol In Vitro, No.36, pp. 216-223, https://doi.org/10.1016/j.tiv.2016.08.007. Epub 2016 Aug 13.
  30. Lucía, Z Flores-López, Heriberto, Espinoza-Gómez, Ratnasamy, Somanathan (2019), “Silver nanoparticles: Electron transfer, reactive oxygen species, oxidative stress, beneficial and toxicological effects”, Mini review, Vol. 39, No.1, pp. 16-26, https://doi.org/10.1002/jat.3654. Epub 2018 Jun 25.
  31. Zhang, L., Wu, L., Si, Y., Shu, K. (2018), “Size-dependent cytotoxicity of silver nanoparticles to Azotobacter vinelandii: Growth inhibition, cell injury, oxidative stress and internalization”, PLoS ONE, Vol. 13, No.12, pp. 0209020, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0209020.
  32. Zhang, J., Wang, X., Vikash, V., Ye, Q., Wu, D., Liu, Y., Dong, W. (2016), “ROS and ROS Mediated Cellular Signaling”, Oxid Med Cell Longev, pp.1-18, Epub 2016 Feb 22. https://doi.org/10.1155/2016/4350965.
  33. Lorenzo Galluzzi, Ilio Vital, Guido Kroemer. (2018), “Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018”, Cell Death & Differentiation, No. 25, pp. 486–541, https://doi.org/10.1038/s41418-017-0012-4.
  34. Nandita Dasgupta, Shivendu Ranjan, Debasish Mishra, Chidambaram,Ramalingam. (2018), “Thermal Co-reduction engineered silver nanoparticles induce oxidative cell damage in human colon cancer cells through inhibition of reduced glutathione and induction of mitochondria-involved apoptosis”, Chem Biol Interact Vol. 1, No. 295, pp. 109-118. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2018.07.028.
  35. Choi, K., Riviere, J.E., Monteiro-Riviere, N.A. (2017), “Protein corona modulation of hepatocyte uptake and molecular mechanisms of gold nanoparticle toxicity”, Nanotoxicology, Vol. 11, No. 1, pp. 64–75.
  36. Chang, C.H., Lee. Y.H., Liao, Z.H., Chen, MH.C., Peng, F.C., Lin, J.J. (2021), “Composition of nanoclay supported silver nanoparticles in furtherance of mitigating cytotoxicity and genotoxicity”, PLoS ONE, Vol. 16, No. 2, pp. e0247531, https://doi.org/10.1371/journal.pone.024753
  37. Zannatul Ferdous, Abderrahim Nemmar. (2020), “Health Impact of Silver Nanoparticles: A Review of the Biodistribution and Toxicity Following Various Routes of Exposure”, Int. J. Mol. Sci, Vol.21, No. 7, pp. 2375, https://doi.org/10.3390/ijms21072375.
  38. Mahmuda, Akter, Md. Tajuddin, Sikder,,Md. Mostafizur, Rahman, A.K.M. Atique, Ullah, Kaniz,, Fatima Binte, Hossain, Subrata, Banik, Toshiyuki, Hosokawa, Takeshi Saito, Masaaki Kurasaki. (2018), “A systematic review on silver nanoparticles-induced cytotoxicity: Physicochemical properties and perspectives”, J Adv Res, No. 9, pp. 1–16, Published online Nov 2, https://doi.org/10.1016/j.jare.2017.10.008.
  39. Trakhtenberg, I.M., Dmitrukha, N.M. (2013), “Nanoparticles of metals, methods of definition, spheres of use, physico-chemical and toxic properties”, Ukrainian Journal of Occuhational Health, No. 4 (37), pp. 62–74.
  40. Sukhanova, A., Svetlana, Bozrova, Pavel, Sokolov, Mikhail, Berestovoy, Alexander, Karaulov, and Igor, Nabiev. (2018), “Dependence of Nanoparticle Toxicity on Their Physical and Chemical Properties”, Nanoscale Res Lett, No. 13, pp. 44, Published online, 2018, Feb 7, https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-x.
  41. Leonenko, N., Leonenko, O. (2020), “Factors Influencing the Manifestation of Toxicity and Danger of Nanomaterials”, Innovative Biosystems and Bioengineering, Vol. 4, No. 2, pp. 75–88, https://doi.org/10.20535/ibb.2020.4.2.192810 UDC (542.2:546.3-168):615.9.
  42. Claire Guyo, Anne Meynie, Mariede Lamballerie. (2016), “Protein and lipid oxidation in meat: A review with emphasis on high-pressure treatments”, Trends in Food Science & Technology, Vol. 50, pp. 131-143, https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.
  43. Rubén Domínguez, Mirian Pateiro, Mohammed Gagaoua, Francisco J. Barba, Wangang Zhang, and José M. Lorenzo. (2019), “A Comprehensive Review on Lipid Oxidation in Meat and Meat Products”, Antioxidants (Basel), Vol. 8, No.10, pp.429, https://doi.org/10.3390/antiox8100429.
  44. Nitika Singh and Bechan Sharma. (2019), “Role of Toxicants in Oxidative Stress Mediated DNA Damage and Protection by Phytochemicals”, EC Pharmacology and Toxicology, Vol. 7, No. 5. pp. 325-330.
  45. Kutsan, O.T., Romanko, M.E., Orobchenko, O.L. (2014), “Intensity of lipid and protein oxidation and regulation in schuras for trivial oral adherence to the nanocomposite of metals (Ag, Cu, Fe, Mn oxides)”, Science News of Veterinary Medicine, Vol. 13, No.108, pp. 120-124.
  46. Adriano Brandel. (2020), “The interaction of nanostructured antimicrobials with biological systems: Cellular uptake, trafficking and potential toxicity”, Food Science and Human Wellness, Vol. 9, No. 1, pp. 8-20, https://doi.org/10.1016/j.fshw.2019.12.003.
  47. Shakibaie, M., Amiri-Moghadam, P., Ghazanfari, M., Adeli-Sardou, M., Jafari, M., & Forootanfar, H. (2018), “Cytotoxic and antioxidant activity of the biogenic bismuth nanoparticles produced by Delftia sp. SFG”, Materials Research Bulletin, No. 104, pp. 155–163., https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.04.001.
  48. Yu, Z., Li, Q., Wang, J., Yu, Y., Wang, Y, Zhou, Q and Li, P. (2020), “Reactive Oxygen Species-Related Nanoparticle Toxicity in the Biomedical Field”, Nanoscale Res Lett No. 15, pp. 115, https://doi.org/10.1186/s11671-020-03344-7