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

Дослідження безпечності нанопрепаратів заліза та міді за їхнім впливом на білки плазми крові людини в умовах in vitro

Дослідження безпечності нанопрепаратів заліза та міді за їхнім впливом на білки плазми крові людини в умовах in vitro

ISSN 2223-6775 Український журнал з проблем медицини праці Том.17, №3, 2021


https://doi.org/10.33573/ujoh2021.03.139

Дослідження безпечності нанопрепаратів заліза та міді за їхнім впливом на білки плазми крові людини в умовах in vitro

Дмитруха Н.М.1, Лагутіна О.С.1, Громовий Т.Ю.2, Пилипчук Є.В.3
1Державна установа «Інститут медицини праці імені Ю. І. Кундієва Національної академії медичних наук України», м. Київ
2Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка Національної академії наук України, м. Київ
3Стокгольмський університет, департамент хімії матеріалів та навколишнього середовища, м. Стокгольм, Швеція


 Повна стаття (PDF), УКР

Вступ. Сьогодні нанотехнологічні препарати мікроелементів у вигляді наночастинок (НЧ) і наноаквахелатів (НАХ) використовують у медицині, ветеринарії, сільському господарстві, парфумерній і харчовій продукції. Нанорозміри мікроелементів обумовлюють їхню підвищену біодоступність і біологічну активність, що може мати як позитивні, так і негативні ефекти для здоров’я людини. Встановлено, що НЧ можуть легко долати біобар’єри, проникати в клітини, взаємодіяти з білками крові, при цьому відбуваються зміни структурної організації як НЧ, так і білків. Для упередження несприятливих ефектів від застосування нанопрепаратів мікроелементів необхідними є токсикологічні дослідження їхньої безпечності.

Мета дослідження – оцінка безпечності нанопрепаратів заліза та міді (НЧ металів та їхні НАХ) за впливом на структуру білків плазми крові людини в дослідах іn vitro.

Матеріали та методи дослідження. Об’єктом дослідження були водні дисперсії НЧ заліза розміром 40 нм (НЧ Fe 40 нм) і НЧ міді розміром 20 нм (НЧ Cu 20 нм), що синтезовані хімічним способом, і НАХ заліза розміром 200 нм (НАХ Fe 200 нм) і НАХ міді розміром 200 нм (НАХ Cu 200 нм), що отримані за допомогою ерозійно-вибухової нанотехнології. Дослідження виконано на білках плазми крові людини (альбумін, імуноглобулін G (IgG)) за умови іn vitro експозиції. Зміни у структурі білків оцінювали за показниками оптичної густини розчинів на спектрофотометрі Мефан при 405 нм і вимірюванням мас-спектрів білків методом MALDI-TоF мас-спектрометрії на приладі Autoflex II – (Bruker).

Результати. Показано, що взаємодія НЧ і НАХ металів призводить до зміни структури та маси білків. Встановлено, що показники оптичної густини розчинів білків змінювалися залежно від концентрації НЧ металів, їхнього розміру та активності металу-основи. Так, НЧ Cu 20 нм і НАХ Cu 200 нм більш активно взаємодіяли з альбуміном, тоді як НЧ Fe 40 нм і НАХ Fe 200 нм – з IgG. Досліджено, що метали в формі НЧ < 100 нм викликали більш виразні структурні зміни білків, ніж їхні НАХ з розміром частинок 200 нм. За отриманими результатами розраховані недіючі концентрації НЧ і НАХ металів: НЧ Fe – 0,06 мг/мл, НЧ Cu – 0,03 мг/мл, НАХ Fe і НАХ Cu – 0,1 мг/мл.

Висновки. НЧ і НАХ заліза і міді при інкубації з альбуміном і IgG людини в умовах in vitro викликали структурні зміни як білків, так і НЧ. Білки збільшували розчинність НЧ, що викликало вивільнення іонів металів, приєднання їх до активних груп білків, про що свідчили зміни оптичної густини розчинів і збільшення маси білків. Завдяки великій площі поверхні НЧ металів адсорбували на собі білки, що викликало їхню агрегацію й осадження. Отримані результати дозволяють рекомендувати білки плазми крові як іn vitro модель для експрес-оцінки безпеки та біосумісності нанопрепаратів мікроелементів для здоров’я людини й тварин, а також при їхньому гігієнічному регламентуванні.

Ключові слова: залізо, мідь, наночастинки, наноаквахелати, альбумін, імуноглобулін G, токсичність, біосумісність.

Література

  1. Скальный А. В., Рудаков И. А.. Биоэлементы в медицине. Москва : Издательский дом «Оникс 21 век»: Мир, 2004. 272 с.
  2. Бондарев Л. Г. Микроэлементы ‒ благо и зло. Знание. Москва, 1984. 142 с.
  3. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология. А. П. Авцин, А. А. Жаворонков, М. А. Риш, Л. С. Строчкова. Москва : Медицина, 1996. 192 с.
  4. Чекман І. С. Наночастинки: властивості та перспективи застосування. Український біохімічний журнал. 2009. Т. 81, № 1. С. 122–129.
  5. Наноматериалы и нанотехнологии в ветеринарной практике. В. Б. Борисевич, В. Г. Каплуненко, Н. В. Косинов и др.; под редакцией В. Б. Борисевича, В. Г. Каплуненко. Киев : ВД «Авіцена», 2012. 512 с. ISBN978-966-2144-40-6.
  6. Перспективи застосування цитратів біометалів, отриманих за аквананотехнологією як спосіб подолання дефіциту макро- і мікроелементів. М. П. Гуліч, Н. Л. Ємченко, В. Г. Каплуненко та ін. Тези доповідей міжнародного семінару «Етика нанотехнологій та нанобезпека», 13 жовтня 2011, Київ, Україна. Київ, 2011. С. 46.
  7. Колесниченко А. В., Тимофеев М. В., Протопопова М. В. Токсичность наноматериалов – 15 лет исследований. Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3, С. 3–4.
  8. Мікроелементи у нанорозмірному стані, особливості біологічної дії, оцінка безпечності. І. М. Трахтенберг, Н. М. Дмитруха, Т. К. Короленко, О. С. Лагутіна та ін. Бюллетень XVI чтений им. В. В. Подвысоцкого 18–19 мая 2017 года. Одесса, 2017. Том 1. С. 348–350.
  9. Трахтенберг І. М., Дмитруха Н. М. Наночастинки металів, методи отримання, сфери застосування, фізико-хімічні та токсичні властивості. Український журнал з проблем медицини праці. 2013. № 4 (37). С. 62–74. https://doi.org/10.33573/ujoh2013.04.062.
  10. Нанотоксикологія: напрямки досліджень (огляд). І. С. Чекман, А. М. Сердюк, Ю. І. Кундієв та ін. Довкілля та здоров'я. 2009. Т. 1 (48). С. 3–7.
  11. Проданчук Н. Г., Балан Г. М. Нанотоксикология: состояние и перспективы исследований. Современные проблемы токсикологии. 2009. № 3–4. С. 4–18.
  12. Картель М. Т., Терещенко В. П. Концепція методології ідентифікації та токсикологічних досліджень наноматеріалів і оцінки ризику для людського організму та довкілля при їх виробництві і застосуванні. Межведомственный сборник научн. трудов «Химия, физика и технология поверхности». Киев : Наукова думка, 2008. Выпуск 14. С. 565–583.
  13. Застосування альтернативних моделей та методів in vitro для оцінки безпеки наночастинок металів. Н. М. Дмитруха, О. С. Лагутіна, Т. К. Короленко та ін. Бюлетень XVIII читань ім. В. В. Підвисоцького 21–22 травня 2019 р. Одеса, 2019. С. 65–67.
  14. Лукьянов А. С., Семина Т. К., Королев А. М. Прогнозирование параметров острой токсичности химических соединений по конформационным изменениям белков in vitro. Медицина труда и промышленная экология. 2006. № 5. С. 33–40.
  15. Чувствительность молекулярных, надмолекулярных и клеточных биообъектов к катионам тяжелых металлов. В. В. Прокопенко, Ю. Н. Набока, Л. А. Метелица и др. Современные проблемы токсикологии. 1999. Т. 3. С. 18–21.
  16. Чекунова М. П., Фролова А. Д. Современные представления о биологическом действии металлов. Гигиена и санитария. 1986. № 12. С. 18–21.
  17. Дослідження впливу сполук важких металів на імуноглобулін сироватки крові людини методом MALDI-TOF мас-спектрометрії. І. М. Трахтенберг, В. О. Покровський, Н. М. Дмитруха та ін. Coвременные проблемы токсикологии. 2009. № 1. С. 37–41.
  18. Dmytrukha N. M., Lahutina O. S., Gromovoy T. Yu. Investigation of the influence of lead compounds with particles of different dispersity on human blood plasma proteins as an express method for evaluation of their safety. Ukrainian Journal of Occupational Health. 2020. V. 16 (3). P. 202–209. https://doi.org/10.33573/ujoh2020.03.202.
  19. Hardman R. A toxicologic review of quantum dots: toxicity depends on physicochemical and environmental factors. Environ. Health Perspect. 2006. V. 114 (2). P. 165–172. https://doi.org/10.1289/ehp.8284.
  20. Size-controllable preparation of bovine serum albumin-conjugated PbS nanoparticles. J. Zhang, X. Ma, Y. Guo et al. Materials Chemistry and Physics. 2010. V. 119, № 1. Р. 112–117. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.08.027.
  21. Коллоидно-химические основы нанонауки; под ред. А. П. Шпака, З. Р. Ульберг. Киев : Академпериодика, 2005. 466 с.
  22. Патент України на корисну модель № 38391. Спосіб отримання карбоксилатів металів «Нанотехнологія отримання карбоксилатів металів». Косінов М. В., Каплуненко В. Г. / МПК (2006): C07C 51/41, C07F 5/00, C07F 15/00, C07C 53/126 (2008.01), C07C 53/10 (2008.01), A23L 1/00, B82B 3/00. Опубл. 12.01.2009, бюл. № 1/2009.
  23. Glen L. Hortin The MALDI TOF Mass Spectrometric View of the Plasma Proteome and Peptidome. Clinical Chemistry. 2006. V. 57, № 22. P. 1–11.
  24. MALDI-TОF мас-спектрометрія у дослідженні високомолекулярних біологічних сполук. Л. В. Порубльова, А. В. Ребрієв, Т. Ю. Громовий та ін. Український біохімічний журнал. 2009. Т. 81, № 3. С. 46–57.
  25. High Mass Linear Analasis of Intact Proteins on the 4800 MALDI TOF/TOF Ayalyzer. Technical Note. URL: www.appliedbiosystems.com].
  26. Луйк А. М., Лукьянчук В. Д. Сывороточный альбумин и биотранспорт ядов. Москва : Медицина, 1984. 224 с.
  27. Kharazian B., Hadipour N. L., Ejtehadi M. R. Understanding the nanoparticle-protein corona complexes using computational and experimental methods. J. Biochem Cell Biol. 2016. № 75. Р. 162–174. https://doi.org/10.1016/j.biocel.2016.02.008.
  28. The nanoparticle protein corona formed in human blood or human blood fractions. M. Lundqvist, C. Augustsson, M. Lilja et al. PLoS ONE. 2017. V. 12 (4). P. e0175871. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0175871.