medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2021-100-12-1475-1480medlit-1893Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONРазличные варианты дозозависимого эффекта наночастиц оксида селена и оксида меди in vitro и применение парадигмы гормезисаThe various dose-dependent effect of selenium oxide and copper oxide nanoparticles in vitro and application of the hormesis paradigmhttps://orcid.org/0000-0001-6718-3217ПановВ. Г.PanovVladimir G.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0097-7845МинигалиеваИльзира АмировнаMinigalievaIlzira A.

Доктор биол. наук, зав. отд. токсикологии и биопрофилактики ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург.

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

PhD, Doctor of Biol. Sci., Head of the Department of Toxicology and Bioprophylaxis, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers of the Federal Service for Supervision in Protection of the Rights of Consumer and Man Wellbeing, Yekaterinburg,620014, Russian Federation.

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

ilzira-minigalieva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5872-2001БушуеваТ. В.BushuevaTatyana V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0125-0063АртёменкоЕ. П.ArtemenkoElizaveta P.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479РябоваЮ. В.RyabovaIuliia V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМ. П.SutunkovaMarina P.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6475-7753ГурвичВ. Б.GurvichVladimir B.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1442-6737ПриваловаЛ. И.PrivalovaLarisa I.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8750-9624КацнельсонБ. А.KatsnelsonBoris A.noemail@neicon.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский - научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий»; ФГБУН «Институт промышленной экологии уральского отделения российской академии наук»Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers; Institute of Industrial Ecology, the Urals Branch of the Russian Academy of SciencesФБУН «Екатеринбургский медицинский - научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий»Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers2021231220211001214751480Copyright © Панов В.Г., Минигалиева И.А., Бушуева Т.В., Артёменко Е.П., Рябова Ю.В., Сутункова М.П., Гурвич В.Б., Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., 20212021Панов В.Г., Минигалиева И.А., Бушуева Т.В., Артёменко Е.П., Рябова Ю.В., Сутункова М.П., Гурвич В.Б., Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А.Panov V.G., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Artemenko E.P., Ryabova I.V., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Privalova L.I., Katsnelson B.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/1893Введение

Введение. В исследованиях in vitro на культуре кардиомиоцитов было показано, что зависимости доза-эффект могут быть монотонными для одних эффектов и немонотонными для других. В данной работе мы хотели продемонстрировать, что указанные особенности зависимости доза-эффект являются общей закономерностью.

Материалы и методы

Материалы и методы. Были проведены эксперименты in vitro на культуре человеческих фибробластоподобных клеток ФЛЭЧ-104. Исследовали цитотоксичность сферических наночастиц оксида селена (SeO-НЧ) со средним диаметром 51 ± 14 нм и оксида меди (CuO-НЧ) со средним диаметром 21 ± 4 нм.

Результаты

Результаты. SeO-НЧ и CuO-НЧ оказывают цитотоксический эффект на человеческие фибробластоподобные клетки, о чём свидетельствует снижение АТФ-зависимой люминесценции. При этом цитотоксический эффект CuO-НЧ несколько сильнее по сравнению с SeO-НЧ. Наш эксперимент выявил дозы, вызывающие как гипертрофию клеток, так и уменьшение размеров клеток и ядер.

Обсуждение

Обсуждение. Мы наблюдали как монотонную, так и различные варианты немонотонной зависимости доза-эффект для исследуемых наночастиц. Для немонотонной зависимости нам удалось построить адекватные математические выражения на основе обобщённой парадигмы гормезиса, которую мы рассматривали ранее в отношении цитотоксичности CdS-НЧ и PbS-НЧ для кардиомиоцитов.

Заключение

Заключение. Вариабельность типов зависимости доза-эффект, проявляющаяся в различных эффектах цитотоксичности наночастиц, вероятно, является общим правилом.

Участие авторов

Участие авторов:

Панов В

Панов В.Г. — статистическая обработка, написание текста;

Минигалиева И

Минигалиева И.А. — сбор данных литературы, написание текста, редактирование;

Бушуева Т

Бушуева Т.В. — написание текста;

Артёменко Е

Артёменко Е.П. — сбор данных литературы, сбор и обработка материала;

Рябова Ю

Рябова Ю.В. — сбор данных литературы, сбор и обработка материала;

Сутункова М

Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования;

Гурвич В

Гурвич В.Б. — концепция и дизайн исследования;

Привалова Л

Привалова Л.И. — концепция и дизайн исследования, редактирование;

Кацнельсон Б

Кацнельсон Б.А. — концепция и дизайн исследования, редактирование.

Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

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

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. 

Заключение комитета по биомедицинской этике: Местный комитет по этике Екатеринбургского медицинского исследовательского центра профилактики и охраны здоровья промышленных работников, Российское агентство по защите прав потребителей, протокол № 2 от 20.04.2021 г.

Поступила

Поступила: 10.11.2021 / Принята к печати: 25.11.2021 / Опубликована: 30.12.2021

Introduction

Introduction. In vitro studies on a culture of cardiomyocytes have shown that dose-response relationships could be monotonic for some effects and non-monotonic for others. In this work, we wanted to demonstrate that these features of the dose-response relationship are a general pattern.

Materials and methods

Materials and methods. In vitro experiments were conducted on the culture of human fibroblast-like cells FLECH-104. The cytotoxicity of spherical nanoparticles of selenium oxide (SeO-NP) and copper oxide (CuO-NP) was studied with an average diameter of 51 ± 14 nm and 21 ± 4 nm, respectively.

Results

Results. SeO-NP and CuO-NP were cytotoxic for human fibroblast-like cells, as judged by a decrease in ATP-dependent luminescence. In this case, the cytotoxicity of CuO-NP was somewhat more substantial than the SeO-NP one. Our experiment revealed doses that cause both cell hypertrophy and a decrease in the size of cells and nuclei.

Discussion

Discussion. We observed both monotonic and different variants of the non-monotonic dose-response relationship. For the latter, it was possible to construct adequate mathematical expressions based on the generalized hormesis paradigm that we had considered earlier concerning the CdS-NP and PbS-NP cytotoxicity for cardiomyocytes.

Conclusion

Conclusion. The general rule is the variability of the dose-response dependence types manifested in different cytotoxic effects of nanoparticles.

Contribution

Contribution:

Panov V

Panov V.G. — statistical and mathematical processing, writing a text.

Minigalieva I

Minigalieva I.A. — collection of literature data, writing a text, editing.

Bushueva T

Bushueva T.V. — writing a text.

Artemenko E

Artemenko E.P. — collection of literature data, collection and processing of material.

Ryabova Iu

Ryabova Iu.V. — collection of literature data, collection and processing of material.

Sutunkova M

Sutunkova M.P. — the concept and design of the study.

Gurvich V

Gurvich V.B. — the concept and design of the study.

Privalova L

Privalova L.I. — the concept and design of the study, editing.

Katsnelson B

Katsnelson B.A. — the concept and design of the study, editing.

All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interests

Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.

Acknowledgments

Acknowledgments. The study had no sponsorship.

The conclusion of the committee on biomedical ethics: the Local Ethics Committee of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, Russian Agency for Consumer Rights Protection, protocol number 2 of 20.04.21.

Received

Received: November 10, 2021 / Accepted: November, 2021 / Published: December 30, 2021

наночастицыSeOCuOдоза-эффектгормезисnanoparticlesSeOCuOdose-response relationshipshormesisReferencesPanov V.G., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Fröhlich E., Meindl C., Absenger-Novak M., et al. Some peculiarities in the dose dependence of separate and combined in vitro cardiotoxicity effects induced by CdS and PbS nanoparticles with special attention to hormesis manifestations. Dose Response. 2020; 18(1): 1559325820914180. https://doi.org/10.1177/1559325820914180Panov V.G., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Fröhlich E., Meindl C., Absenger-Novak M., et al. Some peculiarities in the dose dependence of separate and combined in vitro cardiotoxicity effects induced by CdS and PbS nanoparticles with special attention to hormesis manifestations. Dose Response. 2020; 18(1): 1559325820914180. https://doi.org/10.1177/1559325820914180Katsnelson B.A., Panov V.G., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Gurvich V.B., Privalova L.I., et al. On an extended understanding of the term ”hormesis” for denoting alternating directions of the organism’s response to increasing adverse exposures. Toxicology. 2021; 447: 152629. https://doi.org/10.1016/j.tox.2020.152629Katsnelson B.A., Panov V.G., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Gurvich V.B., Privalova L.I., et al. On an extended understanding of the term ”hormesis” for denoting alternating directions of the organism’s response to increasing adverse exposures. Toxicology. 2021; 447: 152629. https://doi.org/10.1016/j.tox.2020.152629Bushueva T.V., Minigalieva I.A., Panov V.G., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Y., et al. Comparative and combined in vitro vasotoxicity of nanoparticles containing lead and cadmium. Dose Response. 2021; 19(1): 1559325820982163. https://doi.org/10.1177/1559325820982163Bushueva T.V., Minigalieva I.A., Panov V.G., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Y., et al. Comparative and combined in vitro vasotoxicity of nanoparticles containing lead and cadmium. Dose Response. 2021; 19(1): 1559325820982163. https://doi.org/10.1177/1559325820982163Yuan B., Webster T.J., Roy A.K. Cytoprotective effects of cerium and selenium nanoparticles on heat-shocked human dermal fibroblasts: An in vitro evaluation. Int. J. Nanomedicine. 2016; 11: 1427-33. https://doi.org/10.2147/ijn.s104082Yuan B., Webster T.J., Roy A.K. Cytoprotective effects of cerium and selenium nanoparticles on heat-shocked human dermal fibroblasts: An in vitro evaluation. Int. J. Nanomedicine. 2016; 11: 1427-33. https://doi.org/10.2147/ijn.s104082Kleiber C., Kotz S. Statistical Size Distributions in Economics and Actuarial Sciences. Wiley Series in Probability and Statistics. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc; 2003.Kleiber C., Kotz S. Statistical Size Distributions in Economics and Actuarial Sciences. Wiley Series in Probability and Statistics. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc; 2003.Nweke C.O., Ogbonna C.J. Statistical models for biphasic dose-response relationships (hormesis) in toxicological studie s. Ecotoxicol. Environ. Contam. 2017; 12(1): 39-55. https://doi.org/10.5132/eec.2017.01.06Nweke C.O., Ogbonna C.J. Statistical models for biphasic dose-response relationships (hormesis) in toxicological studie s. Ecotoxicol. Environ. Contam. 2017; 12(1): 39-55. https://doi.org/10.5132/eec.2017.01.06Shakibaie M., Khorramizadeh M.R., Faramarzi M.A., Sabzevari O., Shahverdi A.R. Biosynthesis and recovery of selenium nanoparticles and the effects on matrix metalloproteinase-2 expression. Biotechnol. Appl. Biochem. 2010, 56(1): 7-15. https://doi.org/10.1042/ba20100042Shakibaie M., Khorramizadeh M.R., Faramarzi M.A., Sabzevari O., Shahverdi A.R. Biosynthesis and recovery of selenium nanoparticles and the effects on matrix metalloproteinase-2 expression. Biotechnol. Appl. Biochem. 2010, 56(1): 7-15. https://doi.org/10.1042/ba20100042Katsumiti A., Thorley A.J., Arostegui I., Reip P., Valsami-Jones E., Tetley T.D., et al. Cytotoxicity and cellular mechanisms of toxicity of CuO NPs in mussel cells in vitro and comparative sensitivity with human cells. Toxicol. In Vitro. 2018; 48: 146-58. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2018.01.013Katsumiti A., Thorley A.J., Arostegui I., Reip P., Valsami-Jones E., Tetley T.D., et al. Cytotoxicity and cellular mechanisms of toxicity of CuO NPs in mussel cells in vitro and comparative sensitivity with human cells. Toxicol. In Vitro. 2018; 48: 146-58. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2018.01.013Misra S.K., Nuseibeh S., Dybowska A., Berhanu D., Tetley T.D., Valsami-Jones E. Comparative study using spheres, rods and spindle-shaped nanoplatelets on dispersion stability, dissolution and toxicity of CuO nanomaterials. Nanotoxicology. 2014; 8(4): 422-32. https://doi.org/10.3109/17435390.2013.796017Misra S.K., Nuseibeh S., Dybowska A., Berhanu D., Tetley T.D., Valsami-Jones E. Comparative study using spheres, rods and spindle-shaped nanoplatelets on dispersion stability, dissolution and toxicity of CuO nanomaterials. Nanotoxicology. 2014; 8(4): 422-32. https://doi.org/10.3109/17435390.2013.796017Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 6th ed. New York, NY: Wh. Freeman; 2013: 158-62.Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger Principles of Biochemistry. 6th ed. New York, NY: Wh. Freeman; 2013: 158-62.Johnson KA. A century of enzyme kinetic analysis, 1913 to 2013. FEBS Lett. 2013; 587(17): 2753-2766. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2013.07.012Johnson KA. A century of enzyme kinetic analysis, 1913 to 2013. FEBS Lett. 2013; 587(17): 2753-2766. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2013.07.012Kong E.Y., Cheng S.H., Yu K.N. Biphasic and triphasic dose responses in zebrafish embryos to low-dose 150 kV X-rays with different levels of hardness. J. Radiat. Res. 2016; 57(4): 363-9. https://doi.org/10.1093/jrr/rrw026Kong E.Y., Cheng S.H., Yu K.N. Biphasic and triphasic dose responses in zebrafish embryos to low-dose 150 kV X-rays with different levels of hardness. J. Radiat. Res. 2016; 57(4): 363-9. https://doi.org/10.1093/jrr/rrw026Lopez S., France J., Gerrits W.J., Dhanoa M.S., Humphries D.J., Dijkstra J. A generalized Michaelis-Menten equation for the analysis of growth. J. Anim. Sci. 2000; 78(3): 1816-28. https://doi.org/10.2527/2000.7871816xLopez S., France J., Gerrits W.J., Dhanoa M.S., Humphries D.J., Dijkstra J. A generalized Michaelis-Menten equation for the analysis of growth. J. Anim. Sci. 2000; 78(3): 1816-28. https://doi.org/10.2527/2000.7871816xChoi V.W., Yum E.H., Konishi T., Oikawa M., Cheng S.H., Yu K.N. Triphasic low-dose response in zebrafish embryos irradiated by microbeam protons. J. Radiat. Res. 2012; 53(3): 475-81.Choi V.W., Yum E.H., Konishi T., Oikawa M., Cheng S.H., Yu K.N. Triphasic low-dose response in zebrafish embryos irradiated by microbeam protons. J. Radiat. Res. 2012; 53(3): 475-81.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.