medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2022-101-12-1588-1595medlit-2763Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONОценка цитотоксического комбинированного действия наночастиц оксидов селена и меди в остром эксперименте на крысахEvaluation of the cytotoxic combined effect of selenium and copper oxide nanoparticles in an acute experiment on ratshttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479РябоваЮлия ВладимировнаRyabovaYuliya V.

Мл. науч. сотр. отд. токсикологии и биопрофилактики ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург.

e-mail ryabovaiuvl@gmail.com

Research assistant, Laboratory of Scientific Bases for Biological Prophylaxis, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation.

e-mail: ryabova@ymrc.ru

ryabovaiuvl@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-9384-8550ТажигуловаА. В.TazhigulovaAnastasia V.noemail@neicon.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» РоспотребнадзораРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersRussian Federation2022130120231011215881595Copyright © Рябова Ю.В., Тажигулова А.В., 20232023Рябова Ю.В., Тажигулова А.В.Ryabova Y.V., Tazhigulova A.V.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/2763Введение

Введение. В известной нам научной литературе нет данных об экспериментальном изучении комбинированного действия наночастиц (НЧ) оксидов селена (SeO) и меди (CuO), воздействие которых на организм рабочих возможно в металлургическом производстве.

Материалы и методы

Материалы и методы. Путём однократного интратрахеального введения наночастиц оксидов селена и меди в концентрации 0,25 мг/мл аутбредным крысам-самкам моделировали цитотоксическое действие изучаемых частиц. Через 1 сут после введения суспензии оценивали цитологические и биохимические показатели жидкости бронхоальвеолярного лаважа.

Результаты

Результаты. Реакция глубоких дыхательных путей на комбинированное действие НЧ SeO и НЧ CuO является более выраженной, нежели на какие-либо из этих частиц при изолированном введении, что свидетельствует о более высокой цитотоксичности комбинации изученных НЧ. Комбинированное цитотоксическое действие наночастиц оксидов селена и меди характеризуется типологическим разнообразием, однако по большинству изученных показателей выявлен аддитивный характер комбинированного действия высоких доз НЧ SeO и НЧ CuO, когда исследованные вещества усиливали токсическое действие друг друга.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование было ограничено изучением основных показателей цитотоксического действия.

Заключение

Заключение. При оценке многофакторного риска для здоровья рабочих во избежание занижения реальной оценки суммарного риска в химико-металлургических и шламовых цехах медеплавильных предприятий необходимо учитывать аддитивный характер комбинированного действия изученных токсикантов.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено в соответствии с этическими нормами обращения с животными, принятыми Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для исследовательских и иных научных целей. Протокол исследования одобрен Локальным независимым этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 2 от 20.04.2021 г.).

Участие авторов

Участие авторов: Рябова Ю.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, статистическая обработка данных, подготовка рисунков, написание текста, редактирование; Тажигулова А.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, статистическая обработка данных. 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.

Поступила

Поступила: 27.10.2022 / Принята к печати: 08.12.2022 / Опубликована: 12.01.2023

Introduction

Introduction. In the scientific literature known to us, there are no experimental data on the combined human health effect of nanoparticles of selenium and copper oxides, the exposure to which is feasible in metallurgy.

Materials and methods

Materials and methods. The cytotoxic effect was modelled on outbred female rats by a single intratracheal instillation of suspended nanoparticles of selenium and copper oxides at a concentration of 0.25 mg/ml. Cytological and biochemical parameters of the bronchoalveolar lavage fluid were evaluated 24 hours after the administration of the suspension.

Results

Results. The response of the lower airways to the combined exposure to SeO and CuO nanoparticles was more pronounced than that to the exposure to either of them, thus indicating its higher cytotoxicity as judged by cytological and biochemical parameters of the bronchoalveolar lavage fluid. The combined cytotoxic effect of SeO and CuO nanoparticles was characterized by typological diversity. According to the overwhelming number of the parameters studied, the additive nature of the combined effect of high exposure doses of SeO and CuO nanoparticles was demonstrated.

Limitations

Limitations. The research was limited to the study of the main indicators of cytotoxic effects.

Conclusion

Conclusion. To avoid underestimation of the cumulative health risk for workers in the chemical and slime shops of copper smelters, it is important to take into consideration the additive nature of the combined effect of toxicants under study.

Compliance with ethical standards. The study was conducted in accordance with the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals Used for Experimental and Other Scientific Purposes. The study protocol was approved by the Local Ethics Committee of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers (Minutes No. 2 of April 20, 2021).

Contribution

Contribution: Ryabova Yu.V. — research concept and design, data collection and processing, statistical analysis, manuscript preparation, and editing; Tazhigulova A.V. — research concept and design, data collection and processing, statistical analysis. All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version. 

Conflict of interest

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

Acknowledgement

Acknowledgement. The study had no sponsorship. 

Received

Received: October 27, 2022 / Accepted: December 8, 2022 / Published: January 12, 2023

наночастицыселенмедьэксперименткомбинированное действиеизоболыповерхность откликаnanoparticlesseleniumcopperexperimentcombined exposureisoboleresponse surfaceReferencesНабойченко C.С., ред. Производство селена и теллура на ОАО «Уралэлектромедь». Екатеринбург; 2015.Naboychenko C.S., ed. Selenium and Tellurium Production at Uralelectromed OJSC [Proizvodstvo selena i tellura na OAO «Uralelektromed’»: uchebnoe posobie]. Ekaterinburg; 2015. (in Russian)Ляпищев Ю.Б. Современное состояние переработки электролитных шламов медного производства. Записки Горного института. 2006; (2): 245-7.Lyapishchev Yu.B. Up-to-date processing of electrolytic copper refinery slimes. Zapiski Gornogo instituta. 2006; (2): 245–7. (in Russian)Мадарь И.И. Гидрометаллургическое извлечение селена из продуктов экстракционной переработки промывной кислоты медного производства: Автореф. дисс. … канд. тех. наук. СПб.; 2015.Madar’ I.I. Hydrometallurgical extraction of selenium from products of extraction processing of washing acid of copper production: Diss. St. Petersburg; 2015. (in Russian)Гурвич В.Б., Кацнельсон Б.А., Рузаков В.О., Привалова Л.И., Бушуева Т.В. Биохимические эффекты у рабочих, подвергающихся влиянию аэрозолей металлургического производства меди, содержащих наночастицы. В кн.: Материалы международной конференции «Актуальные гигиенические аспекты нанотоксикологии: теоретические основы, идентификация опасности для здоровья и пути ее снижения». Екатеринбург; 2016: 21-3.Gurvich V.B., Katsnel’son B.A., Ruzakov V.O., Privalova L.I., Bushueva T.V. Biochemical effects in workers exposed to copper refinery nanoparticle-containing aerosols. In: Proceedings of the International Conference «Topics of Current Hygienic Importance in Nanotoxicology: Theoretical Premises, Hazards Identification and Ways of Their Attenuation» [Aktual’nye gigienicheskie aspekty nanotoksikologii: teoreticheskie osnovy, identifikatsiya opasnosti dlya zdorov’ya i puti ee snizheniya: Materialy mezhdunarodnoy konferentsii]. Yekaterinburg; 2016: 21–3. (in Russian)Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., Логинова Н.В., Гурвич В.Б., Шур В.Я., Бейкин Я.Б. и др. Цитологические и биохимические особенности жидкости, получаемой при бронхо-альвеолярном лаваже у крыс после интратрахеального введения наноразмерных меднооксидных частиц. Токсикологический вестник. 2014; (5): 8-15.Privalova L.I., Katsnel’son B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., Beykin Ya.B., et al. Cytological and biochemical characteristics of bronchoalveolar lavage fluid in rats after intratracheal instillation of copper oxide nano-scale particles. Toksikologicheskiy vestnik. 2014; (5): 8–15. (in Russian)Wu Y., Wang M., Luo S., Gu Y., Nie D., Xu Z., et al.Comparative toxic effects of manufactured nanoparticles and atmospheric particulate matter in human lung epithelial cells.Int. J. Environ. Res. Public Health. 2020; 18(1): 22. https://doi.org/10.3390/ijerph18010022Wu Y., Wang M., Luo S., Gu Y., Nie D., Xu Z., et al. Comparative toxic effects of manufactured nanoparticles and atmospheric particulate matter in human lung epithelial cells. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2020; 18(1): 22. https://doi.org/10.3390/ijerph18010022Lin W., Huang Y.W., Zhou X.D., Ma Y. In vitro toxicity of silica nanoparticles in human lung cancer cells. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2006; 217(3): 252-9. https://doi.org/10.1016/j.taap.2006.10.004Lin W., Huang Y.W., Zhou X.D., Ma Y. In vitro toxicity of silica nanoparticles in human lung cancer cells. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2006; 217(3): 252–9. https://doi.org/10.1016/j.taap.2006.10.004Liu N., Guan Y., Zhou C., Wang Y., Ma Z., Yao S. Pulmonary and systemic toxicity in a rat model of pulmonary alveolar proteinosis induced by indium-tin oxide nanoparticles.Int. J. Nanomedicine. 2022; 17: 713-31. https://doi.org/10.2147/IJN.S338955Liu N., Guan Y., Zhou C., Wang Y., Ma Z., Yao S. Pulmonary and systemic toxicity in a rat model of pulmonary alveolar proteinosis induced by indium-tin oxide nanoparticles. Int. J. Nanomedicine. 2022; 17: 713–31. https://doi.org/10.2147/IJN.S338955Guo C., Robertson S., Weber R.J.M., Buckley A., Warren J., Hodgson A., et al. Pulmonary toxicity of inhaled nano-sized cerium oxide aerosols in Sprague-Dawley rats. Nanotoxicol. 2019; 13(6): 733-50. https://doi.org/10.1080/17435390.2018.1554751Guo C., Robertson S., Weber R.J.M., Buckley A., Warren J., Hodgson A., et al. Pulmonary toxicity of inhaled nano-sized cerium oxide aerosols in Sprague-Dawley rats. Nanotoxicol. 2019; 13(6): 733–50. https://doi.org/10.1080/17435390.2018.1554751He H., Zou Z., Wang B., Xu G., Chen C., Qin X., et al. Copper oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and cell death via copper ion-mediated P38 MAPK activation in vascular endothelial cells.Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 3291-302. https://doi.org/10.2147/IJN.S241157He H., Zou Z., Wang B., Xu G., Chen C., Qin X., et al. Copper oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and cell death via copper ion-mediated P38 MAPK activation in vascular endothelial cells. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 3291–302. https://doi.org/10.2147/IJN.S241157Alizadeh S.R., Ebrahimzadeh M.A. Characterization and anticancer activities of green synthesized CuO nanoparticles, a review. Anticancer Agents Med. Chem. 2021; 21(12): 1529-43. https://doi.org/10.2174/1871520620666201029111532Alizadeh S.R., Ebrahimzadeh M.A. Characterization and anticancer activities of green synthesized CuO nanoparticles, a review. Anticancer Agents Med. Chem. 2021; 21(12): 1529–43. https://doi.org/10.2174/1871520620666201029111532Zou L., Cheng G., Xu C., Liu H., Wang Y., Li N., et al. Copper nanoparticles induce oxidative stress via the heme oxygenase 1 signaling pathway in vitro studies.Int. J. Nanomedicine. 2021; 16: 1565-73. https://doi.org/10.2147/IJN.S292319Zou L., Cheng G., Xu C., Liu H., Wang Y., Li N., et al. Copper nanoparticles induce oxidative stress via the heme oxygenase 1 signaling pathway in vitro studies. Int. J. Nanomedicine. 2021; 16: 1565–73. https://doi.org/10.2147/IJN.S292319Zheng Z., Liu L., Zhou K., Ding L., Zeng J., Zhang W. Anti-oxidant and anti-endothelial dysfunctional properties of nano-selenium in vitro and in vivo of hyperhomocysteinemic rats.Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 4501-21. https://doi.org/10.2147/IJN.S255392Zheng Z., Liu L., Zhou K., Ding L., Zeng J., Zhang W. Anti-oxidant and anti-endothelial dysfunctional properties of nano-selenium in vitro and in vivo of hyperhomocysteinemic rats. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 4501–21. https://doi.org/10.2147/IJN.S255392Pi J., Yang F., Jin H., Huang X., Liu R., Yang P., et al. Selenium nanoparticles induced membrane bio-mechanical property changes in MCF-7 cells by disturbing membrane molecules and F-actin. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013; 23(23): 6296-303. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2013.09.078Pi J., Yang F., Jin H., Huang X., Liu R., Yang P., et al. Selenium nanoparticles induced membrane bio-mechanical property changes in MCF-7 cells by disturbing membrane molecules and F-actin. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013; 23(23): 6296–303. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2013.09.078Huang G., Liu Z., He L., Luk K.H., Cheung S.T., Wong K.H., et al. Autophagy is an important action mode for functionalized selenium nanoparticles to exhibit anti-colorectal cancer activity. Biomater. Sci. 2018; 6(9): 2508-17. https://doi.org/10.1039/c8bm00670aHuang G., Liu Z., He L., Luk K.H., Cheung S.T., Wong K.H., et al. Autophagy is an important action mode for functionalized selenium nanoparticles to exhibit anti-colorectal cancer activity. Biomater. Sci. 2018; 6(9): 2508–17. https://doi.org/10.1039/c8bm00670aMartínez-Esquivias F., Gutiérrez-Angulo M., Pérez-Larios A., Sánchez-Burgos J., Becerra-Ruiz J., Guzmán-Flores J.M. Anticancer activity of selenium nanoparticles in vitro studies. Anticancer Agents. Med. Chem. 2021; 22(9): 1658-73. https://doi.org/10.2174/1871520621666210910084216Martínez-Esquivias F., Gutiérrez-Angulo M., Pérez-Larios A., Sánchez-Burgos J., Becerra-Ruiz J., Guzmán-Flores J.M. Anticancer activity of selenium nanoparticles in vitro studies. Anticancer Agents. Med. Chem. 2021; 22(9): 1658–73. https://doi.org/10.2174/1871520621666210910084216Kondaparthi P., Flora S.J.S., Naqvi S. Selenium nanoparticles: An insight on its pro-oxidant and antioxidant properties. Front. Nanosci. Nanotechnol. 2019; 6: 1-5. https://doi.org/10.15761/FNN.1000189Kondaparthi P., Flora S.J.S., Naqvi S. Selenium nanoparticles: An insight on its pro-oxidant and antioxidant properties. Front. Nanosci. Nanotechnol. 2019; 6: 1–5. https://doi.org/10.15761/FNN.1000189Zhuang Y., Li L., Feng L., Wang S., Su H., Liu H., et al. Mitochondrion-targeted selenium nanoparticles enhance reactive oxygen species-mediated cell death. Nanoscale. 2020; 12(3): 1389-96. https://doi.org/10.1039/c9nr09039hZhuang Y., Li L., Feng L., Wang S., Su H., Liu H., et al. Mitochondrion-targeted selenium nanoparticles enhance reactive oxygen species-mediated cell death. Nanoscale. 2020; 12(3): 1389–96. https://doi.org/10.1039/c9nr09039hMinigalieva 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. Toxicol. 2017; 380: 72-93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007Minigalieva 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. Toxicol. 2017; 380: 72–93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007Сутункова М.П., Привалова Л.И., Рябова Ю.В., Минигалиева И.А., Тажигулова А.В., Лабзова А.К. и др. Сравнительная оценка реакции глубоких дыхательных путей крысы на однократное интратрахеальное введение наночастиц оксидов селена или меди. Токсикологический вестник. 2021; 29(6): 39-46. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-29-6-39-46Sutunkova M.P., Privalova L.I., Ryabova Yu.V., Minigalieva I.A., Tazhigulova A.V., Labzova A.K., et al. Comparative assessment of the pulmonary effect in rats to a single intratracheal administration of selenium or copper oxide nanoparticles. Toksikologicheskiy vestnik. 2021; 29(6): 39–46. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-29-6-39-46 (in Russian)Лебедев К.А., Понякина И.Д. Иммунограмма в клинической практике: Введение в прикладную иммунологию. М.: Наука; 1990.Lebedev K.A., Ponyakina I.D. Immunogram in Clinical Practice: Introduction to Applied Immunology [Immunogramma v klinicheskoy praktike: Vvedenie v prikladnuyu immunologiyu]. Moscow: Nauka; 1990. (in Russian)Privalova L.I., Katsnelson B.A., Osipenko A.B., Yushkov B.N., Babushkina L.G. Response of a phagocyte cell system to products of macrophage breakdown as a probable mechanism of alveolar phagocytosis adaptation to deposition of particles of different cytotoxicity. Environ. Health Perspect. 1980; 35: 205-18. https://doi.org/10.1289/ehp.8035205Privalova L.I., Katsnelson B.A., Osipenko A.B., Yushkov B.N., Babushkina L.G. Response of a phagocyte cell system to products of macrophage breakdown as a probable mechanism of alveolar phagocytosis adaptation to deposition of particles of different cytotoxicity. Environ. Health Perspect. 1980; 35: 205–18. https://doi.org/10.1289/ehp.8035205Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles. Environ. Health Perspect. 1984; 55: 313-25. https://doi.org/10.1289/ehp.8455313Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles. Environ. Health Perspect. 1984; 55: 313–25. https://doi.org/10.1289/ehp.8455313Privalova L.I., Katsnelson B.A., Yelnichnykh L.N. Some peculiarities of the pulmonary phagocytotic response: dust retention kinetics and silicosis development during long term exposure of rats to high quartz levels. Br. J. Ind. Med. 1987; 44(4): 228-35. https://doi.org/10.1136/oem.44.4.228Privalova L.I., Katsnelson B.A., Yelnichnykh L.N. Some peculiarities of the pulmonary phagocytotic response: dust retention kinetics and silicosis development during long term exposure of rats to high quartz levels. Br. J. Ind. Med. 1987; 44(4): 228–35. https://doi.org/10.1136/oem.44.4.228Privalova L.I., Katsnelson B.A., Sharapova N.Y., Kislitsina N.S. On the relationship between activation and breakdown of macrophages in the pathogenesis of silicosis (an overview). Med. Lav. 1995; 86(6): 511-21.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Sharapova N.Y., Kislitsina N.S. On the relationship between activation and breakdown of macrophages in the pathogenesis of silicosis (an overview). Med. Lav. 1995; 86(6): 511–21.Ruenraroengsak P., Novak P., Berhanu D., Thorley A.J., Valsami-Jones E., Gorelik J., et al. Respiratory epithelial cytotoxicity and membrane damage (holes) caused by amine-modified nanoparticles. Nanotoxicol. 2012; 6(1): 94-108. https://doi.org/10.3109/17435390.2011.558643Ruenraroengsak P., Novak P., Berhanu D., Thorley A.J., Valsami-Jones E., Gorelik J., et al. Respiratory epithelial cytotoxicity and membrane damage (holes) caused by amine-modified nanoparticles. Nanotoxicol. 2012; 6(1): 94–108. https://doi.org/10.3109/17435390.2011.558643Cho W.S., Duffin R., Poland C.A., Duschl A., Oostingh G.J., Macnee W., et al. Differential pro-inflammatory effects of metal oxide nanoparticles and their soluble ions in vitro and in vivo; zinc and copper nanoparticles, but not their ions, recruit eosinophils to the lungs. Nanotoxicol. 2012; 6(1): 22-35. https://doi.org/10.3109/17435390.2011.552810Cho W.S., Duffin R., Poland C.A., Duschl A., Oostingh G.J., Macnee W., et al. Differential pro-inflammatory effects of metal oxide nanoparticles and their soluble ions in vitro and in vivo; zinc and copper nanoparticles, but not their ions, recruit eosinophils to the lungs. Nanotoxicol. 2012; 6(1): 22–35. https://doi.org/10.3109/17435390.2011.552810Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E., et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors.Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(7): 12379-406. https://doi.org/10.3390/ijms150712379Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E., et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(7): 12379–406. https://doi.org/10.3390/ijms150712379

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