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

Исследование безопасности нанопрепаратов железа и меди по их влиянию на белки плазмы крови человека в условиях in vitro

Исследование безопасности нанопрепаратов железа и меди по их влиянию на белки плазмы крови человека в условиях in vitro

SSN 2223-6775 Украинский журнал по проблемам медицины труда, Том.17, №3, 2021


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

Исследование безопасности нанопрепаратов железа и меди по их влиянию на белки плазмы крови человека в условиях in vitro

Дмитруха Н.Н.1, Лагутина О.С.1, Громовой Т.Ю.2, Пилипчук Е.В.3
1Государственное учреждение «Институт медицины труда имени Ю.И. Кундиева Национальной академии медицинских наук Украины», г. Киев
2Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко Национальной академии наук Украины, г. Киев
3Стокгольмский университет, департамент химии материалов и окружающей среды, г. Стокгольм, Швеция


 Полная статья (PDF), УКР

Введение. На сегодня нанотехнологические препараты микроэлементов в виде наночастиц (НЧ) и наноаквахелатов (НАХ) используют в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве, парфюмерной и пищевой продукции. Наноразмеры микроэлементов обусловливают повышенную биодоступность и биологическую активность, что может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты для здоровья человека. Установлено, что НЧ металлов могут легко преодолевать биобарьеры, проникать в клетки, взавзаимодействовать с белками крови, при этом происходят изменения структурной организации как наночастиц, так и белков. Для предотвращения неблагоприятных эффектов от применения нанопрепаратов микроэлементов необходимы токсикологические исследования их безопасности.

Цель исследования – оценка безопасности нанопрепаратов железа и меди (НЧ металлов и их НАХ) по влиянию на структуру белков плазмы крови человека в опытах in vitro.

Материалы и методы исследования. Объектом исследования были водные дисперсии НЧ железа размером 40 нм (НЧ Fe 40 нм) и НЧ меди размером 20 нм (НЧ Cu 20 нм), синтезированные химическим способом, и НАХ железа размером 200 нм (НАХ Fe 200 нм) и НАХ меди размером 200 нм (Cu 200 нм), полученные с помощью эрозионновзрывной нанотехнологии. Исследование выполнено на белках плазмы крови человека (альбумин, иммуноглобулин G) в условиях их іn vitro экспозиции этими нанопрепаратами. Изменения в структуре белков оценивали по показателям оптической плотности растворов на спектрофотометре Мефан при 405 нм и масс-спектров белков методом MALDI-TоF масс-спектрометрии на приборе Autoflex II – (Bruker).

Результаты. Показано, что взаимодействие НЧ и НАХ металлов приводит к изменениям структуры и массы белков. Установлено, что показатели оптической плотности растворов белков изменялись в зависимости от концентрации НЧ металлов, их размера и активности металла-основы. Так, НЧ Cu 20 нм и НАХ Cu 200 нм более активно взаимодействовали с альбумином, тогда как НЧ Fe 40 нм и НАХ Fe 200 нм – с IgG. Показано, что металлы в форме НЧ < 100 нм вызвали более выразительные структурные изменения белков, чем их НАХ с размером частиц 200 нм. По полученным результатам рассчитаны недействующие концентрации НЧ и НАХ металлов: НЧ Fe – 0,06 мг/мл, НЧ Cu – 0,03 мг/мл, НАХ Fe – 0,1 мг/мл, НАХ Cu – 0,1 мг/мл.

Выводы. НЧ и НАХ железа и меди при инкубации с альбумином и IgG человека в условиях in vitro вызывали структурные изменения как белков, так и НЧ. Белки увеличивали растворимость НЧ, что вызывало высвобождение ионов металлов, их присоединение к активным группам белков, о чем свидетельствовали изменения оптической плотности растворов и увеличение массы белков. Благодаря большой площади поверхности НЧ металлов адсорбировали на себе белки, вызвали их агрегацию и осаждение. Полученные результаты позволяют рекомендовать белки плазмы крови как іn vitro модель для экспресс-оценки безопасности и биосовместимости нанопрепаратов микроэлементов для здоровья человека и животных, а также при их гигиеническом регламентировании.

Ключевые слова: железо, медь, наночастицы, наноаквахелаты, альбумин, иммуноглобулин G, токсичность, биосовместимость.

Литература

  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.