medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2023-102-7-720-725neommymedlit-3277Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONОценка нейротоксического эффекта наночастиц оксида железа (III) на субклеточном уровнеAssessment of the neurotoxic effect of iron (III) oxide nanoparticles at the subcellular levelhttps://orcid.org/0000-0002-8795-8777ШеломенцевИван ГлебовичShelomentsevIvan G.

Науч. сотр. ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП», 620014, Екатеринбург.

e-mail: shelomencev@ymrc.ru

Researcher, Department of Molecular Biology and Electron Microscopy, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation.

e-mail: shelomencev@ymrc.ru

shelomencev@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7703-5103АмроминЛев А.AmrominLev A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7029-3406ШаиховаДарья Р.ShaikhovaDaria R.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМарина П.SutunkovaMarina P.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1871-8593МинигалиеваИльзира А.MinigalievaIlzira A.noemail@neicon.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человекаРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers of the Federal Service for Surveillance in the Sphere of Consumer Rights and Human WelfareRussian Federation2023310820231027720725Copyright © Шеломенцев И.Г., Амромин Л.А., Шаихова Д.Р., Сутункова М.П., Минигалиева И.А., 20232023Шеломенцев И.Г., Амромин Л.А., Шаихова Д.Р., Сутункова М.П., Минигалиева И.А.Shelomentsev I.G., Amromin L.A., Shaikhova D.R., Sutunkova M.P., Minigalieva I.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/3277Введение

Введение. Наночастицы являются продуктом как естественного, так и искусственного происхождения, могут присутствовать в окружающей среде в высоких концентрациях и рассматриваются как фактор, способный оказывать токсическое воздействие на организм человека. Преодоление металлосодержащими наночастицами гематоэнцефалического барьера доказано и представляет интерес с точки зрения промышленной токсикологии и гигиены.

Материалы и методы

Материалы и методы. Экспозиция наночастицами оксида железа (III) была осуществлена на крысах-самках интраназально. В контрольную и опытную группы включали одинаковое число животных (7). Наночастицы в виде суспензии 0,25 мг/мл вводили крысам в каждый носовой проход по 50 мкл три раза в неделю в течение 6 нед. Образцы ткани для исследования были взяты из обонятельных луковиц мозга крыс. Идентификацию наночастиц оксида железа (III) проводили методом электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Цитотоксическое действие наночастиц оксида железа (III) оценивалось путём ранжирования митохондрий по морфотипам митохондриальной мембраны и сравнения их распределения у опытной и контрольной групп животных.

Результаты

Результаты. Подтверждено наличие наночастиц в тканях обонятельных луковиц мозга крыс. Морфотипический состав митохондрий показал существенные изменения после экспозиции наночастицами оксида железа (III): доля митохондрий с нормальным и везикулярно набухшим морфотипами снизилась на 36,4 и 4,9% соответственно по сравнению с контрольной группой животных, доля митохондрий нормально-везикулярного и везикулярного морфотипов повысилась на 19,8 и 21,8%, доля везикулярно набухших митохондрий снизилась с 9,5 до 4,6%.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование было ограничено изучением ультраструктурных нарушений митохондрий и идентификацией наночастиц оксида железа (III) в тканях.

Заключение

Заключение. Дальнейшие исследования воздействия на структуру и функции митохондриального аппарата железосодержащих наночастиц могут способствовать выявлению их потенциальной опасности на субклеточном уровне и дать информацию для разработки мер защиты населения, формирования новых стратегий профилактики и лечения токсико-индуцированных патологий.

Соблюдение этических стандартов. Животные содержались в соответствии с Женевской конвенцией International Guiding Principles for Biomedical Research Involving Animals (CIOMS и ICLAS). Исследование одобрено на заседании локального этического комитета ФБУН «Екатеринбургский медицинский–научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (№ 2 от 20 апреля 2020 г.).

Участие авторов

Участие авторов:Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования;Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования;Шеломенцев И.Г. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи; Амромин Л.А. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи; Шаихова Д.Р. — сбор и анализ данных, интерпретация результатов, литературный обзор, подготовка рукописи.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: 21.02.2023 / Принята к печати: 07.06.2023 / Опубликована: 30.08.2023

Introduction

Introduction. Both naturally occurring and artificially produced nanoparticles are ubiquitous; their high concentrations can be detected in the environment, thus posing risks of toxic effects in humans. Penetrating the blood-brain barrier by metal nanoparticles has been already proven and is currently of interest from the point of view of toxicology and hygiene.

Materials and methods

Materials and methods. Female rats were exposed to ferric oxide nanoparticles administered intranasally with a 25 mg/ml suspension at a dose of 50 µl three times a week during six weeks. The experimental and control groups contained seven animals each. Tissue samples for testing were taken from the olfactory bulbs of the rat’s brain. Iron (III) oxide nanoparticles were identified by electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The cytotoxic effect of ferric oxide nanoparticles was assessed by ranking mitochondria by mitochondrial membrane morphotypes and comparing their distribution in the experimental and control groups.

Results

Results. We confirmed the presence of nanoparticles in tissues of the olfactory bulbs of the exposed rodents. The morphotype pattern of mitochondria showed significant changes following the exposure to ferric oxide nanoparticles: the proportion of mitochondria with normal and vesicular swollen morphotypes decreased by 36.4 and 4.9%, respectively, compared with the control group of animals, the proportion of mitochondria with normal vesicular and vesicular morphotypes increased by 19.8 and 21.8%, while the proportion of vesicular swollen mitochondria decreased from 9.5% to 4.6%.

Limitations

Limitations. The study was limited to examining ultrastructural changes in mitochondria and identifying ferric oxide nanoparticles in tissues.

Conclusions

Conclusions. Further studies of the impact of iron-containing nanoparticles on the structure and functions of the mitochondrial apparatus can help to identify their potential harm at the subcellular level and provide information for the development of appropriate health protective measures and new strategies for prevention and treatment of metal toxicity-induced diseases in humans.

Compliance with ethical standards. The animals were kept in accordance with the International Guiding Principles for Biomedical Research Involving Animals (CIOMS and ICLAS). The study approval was provided 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, 2020).

Contribution

Contribution: Sutunkova M.P., Minigalieva I.A. — study conception and design;Shelomentsev I.G., Amromin L.A., Shaikhova D.R. — data collection, analysis and interpretation of results, literature review, draft manuscript preparation.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: February 21, 2023 / Accepted: June 7, 2023 / Published: August 30, 2023

наночастицыоксид железа (III)головной мозгобонятельные луковицынейротоксичностьмитохондриицитотоксичностьэлектронная микроскопияnanoparticlesferric oxidebrainolfactory bulbsmitochondriacytotoxicityelectron microscopyReferencesPereira A.C., Gonçalves B.B., Brito R.D.S., Vieira L.G., Lima E.C.O., Rocha T.L. Comparative developmental toxicity of iron oxide nanoparticles and ferric chloride to zebrafish (Danio rerio) after static and semi-static exposure. Chemosphere. 2020; 254: 126792. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126792Pereira A.C., Gonçalves B.B., Brito R.D.S., Vieira L.G., Lima E.C.O., Rocha T.L. Comparative developmental toxicity of iron oxide nanoparticles and ferric chloride to zebrafish (Danio rerio) after static and semi-static exposure. Chemosphere. 2020; 254: 126792. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126792Maher B.A., González-Maciel A., Reynoso-Robles R., Torres-Jardón R., Calderón-Garcidueñas L. Iron-rich air pollution nanoparticles: An unrecognised environmental risk factor for myocardial mitochondrial dysfunction and cardiac oxidative stress. Environ. Res. 2020; 188: 109816. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109816Maher B.A., González-Maciel A., Reynoso-Robles R., Torres-Jardón R., Calderón-Garcidueñas L. Iron-rich air pollution nanoparticles: An unrecognised environmental risk factor for myocardial mitochondrial dysfunction and cardiac oxidative stress. Environ. Res. 2020; 188: 109816. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109816Chrishtop V.V., Mironov V.A., Prilepskii A.Y., Nikonorova V.G., Vinogradov V.V. Organ-specific toxicity of magnetic iron oxide-based nanoparticles. Nanotoxicology. 2021; 15(2): 167–204. https://doi.org/10.1080/17435390.2020.1842934Chrishtop V.V., Mironov V.A., Prilepskii A.Y., Nikonorova V.G., Vinogradov V.V. Organ-specific toxicity of magnetic iron oxide-based nanoparticles. Nanotoxicology. 2021; 15(2): 167–204. https://doi.org/10.1080/17435390.2020.1842934Khan F.A., Almohazey D., Alomari M., Almofty S.A. Impact of nanoparticles on neuron biology: current research trends. Int. J. Nanomedicine. 2018; 13: 2767–76. https://doi.org/10.2147/IJN.S165675Khan F.A., Almohazey D., Alomari M., Almofty S.A. Impact of nanoparticles on neuron biology: current research trends. Int. J. Nanomedicine. 2018; 13: 2767–76. https://doi.org/10.2147/IJN.S165675Karmakar A., Zhang Q., Zhang Y. Neurotoxicity of nanoscale materials. J. Food Drug Anal. 2014; 22(1): 147–60. https://doi.org/10.1016/j.jfda.2014.01.012Karmakar A., Zhang Q., Zhang Y. Neurotoxicity of nanoscale materials. J. Food Drug Anal. 2014; 22(1): 147–60. https://doi.org/10.1016/j.jfda.2014.01.012Teleanu D.M., Chircov C., Grumezescu A.M., Teleanu R.I. Neurotoxicity of nanomaterials: An up-to-date overview. Nanomaterials (Basel). 2019; 9(1): 96. https://doi.org/10.3390/nano9010096Teleanu D.M., Chircov C., Grumezescu A.M., Teleanu R.I. Neurotoxicity of nanomaterials: An up-to-date overview. Nanomaterials (Basel). 2019; 9(1): 96. https://doi.org/10.3390/nano9010096Win-Shwe T.T., Fujimaki H. Nanoparticles and neurotoxicity. Int. J. Mol. Sci. 2011; 12(9): 6267–80. https://doi.org/10.3390/ijms12096267Win-Shwe T.T., Fujimaki H. Nanoparticles and neurotoxicity. Int. J. Mol. Sci. 2011; 12(9): 6267–80. https://doi.org/10.3390/ijms12096267Borisova T. Nervous system injury in response to contact with environmental, engineered and planetary micro- and nano-sized particles. Front. Physiol. 2018; 9: 728. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00728Borisova T. Nervous system injury in response to contact with environmental, engineered and planetary micro- and nano-sized particles. Front. Physiol. 2018; 9: 728. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00728Boyes W.K., van Thriel C. Neurotoxicology of nanomaterials. Chem. Res. Toxicol. 2020; 33(5): 1121–44. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00050Boyes W.K., van Thriel C. Neurotoxicology of nanomaterials. Chem. Res. Toxicol. 2020; 33(5): 1121–44. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00050Dhakshinamoorthy V., Manickam V., Perumal E. Neurobehavioural toxicity of iron oxide nanoparticles in mice. Neurotox. Res. 2017; 32(2): 187–203. https://doi.org/10.1007/s12640-017-9721-1Dhakshinamoorthy V., Manickam V., Perumal E. Neurobehavioural toxicity of iron oxide nanoparticles in mice. Neurotox. Res. 2017; 32(2): 187–203. https://doi.org/10.1007/s12640-017-9721-1Wu J., Ding T., Sun J. Neurotoxic potential of iron oxide nanoparticles in the rat brain striatum and hippocampus. Neurotoxicology. 2013; 34: 243–53. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2012.09.006Wu J., Ding T., Sun J. Neurotoxic potential of iron oxide nanoparticles in the rat brain striatum and hippocampus. Neurotoxicology. 2013; 34: 243–53. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2012.09.006Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem J. 2011; 435(2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem J. 2011; 435(2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162Meyer J.N., Leung M.C., Rooney J.P., Sendoel A., Hengartner M.O., Kisby G.E., et al. Mitochondria as a target of environmental toxicants. Toxicol. Sci. 2013; 134(1): 1–17. https://doi.org/10.1093/toxsci/kft102Meyer J.N., Leung M.C., Rooney J.P., Sendoel A., Hengartner M.O., Kisby G.E., et al. Mitochondria as a target of environmental toxicants. Toxicol. Sci. 2013; 134(1): 1–17. https://doi.org/10.1093/toxsci/kft102Joza N., Susin S.A., Daugas E., Stanford W.L., Cho S.K., Li C.Y., et al. Essential role of the mitochondrial apoptosis-inducing factor in programmed cell death. Nature. 2001; 410(6828): 549–54. https://doi.org/10.1038/35069004Joza N., Susin S.A., Daugas E., Stanford W.L., Cho S.K., Li C.Y., et al. Essential role of the mitochondrial apoptosis-inducing factor in programmed cell death. Nature. 2001; 410(6828): 549–54. https://doi.org/10.1038/35069004Mayer B., Oberbauer R. Mitochondrial regulation of apoptosis. Physiology. 2003; 18(3): 89–94. https://doi.org/10.1152/nips.01433.2002Mayer B., Oberbauer R. Mitochondrial regulation of apoptosis. Physiology. 2003; 18(3): 89–94. https://doi.org/10.1152/nips.01433.2002Sun M.G., Williams J., Munoz-Pinedo C., Perkins G.A., Brown J.M., Ellisman M.H., et al. Correlated three-dimensional light and electron microscopy reveals transformation of mitochondria during apoptosis. Nat. Cell Biol. 2007; 9(9): 1057–65. https://doi.org/10.1038/ncb1630Sun M.G., Williams J., Munoz-Pinedo C., Perkins G.A., Brown J.M., Ellisman M.H., et al. Correlated three-dimensional light and electron microscopy reveals transformation of mitochondria during apoptosis. Nat. Cell Biol. 2007; 9(9): 1057–65. https://doi.org/10.1038/ncb1630Кательникова А.Е., Крышень К.Л., Зуева А.А., Макарова М.Н. Интраназальное введение лекарственных средств лабораторным животным. Лабораторные животные для научных исследований. 2019; (2): 9. https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-02-09 https://elibrary.ru/xbrmnvKatel’nikova A.E., Kryshen’ K.L., Zueva A.A., Makarova M.N. Intranasal introduction to laboratory animals. Laboratornye zhivotnye dlya nauchnykh issledovaniy. 2019; (2): 9. https://doi.org/10.29296/2618723X-2019-02-09 https://elibrary.ru/xbrmnv (in Russian)Dumková J., Smutná T., Vrlíková L., Le Coustumer P., Večeřa Z., Dočekal B., et al. Sub-chronic inhalation of lead oxide nanoparticles revealed their broad distribution and tissue-specific subcellular localization in target organs. Part. Fibre. Toxicol. 2017; 14(1): 55. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0236-yDumková J., Smutná T., Vrlíková L., Le Coustumer P., Večeřa Z., Dočekal B., et al. Sub-chronic inhalation of lead oxide nanoparticles revealed their broad distribution and tissue-specific subcellular localization in target organs. Part. Fibre. Toxicol. 2017; 14(1): 55. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0236-yMinigalieva 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. Toxicology. 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. Toxicology. 2017; 380: 72–93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007Cramer S., Tacke S., Bornhorst J., Klingauf J., Schwerdtle T., Galla H.J. The influence of silver nanoparticles on the blood-brain and the blood-cerebrospinal fluid barrier in vitro. J. Nanomed. Nanotechnol. 2014; 5: 1000225. https://doi.org/10.4172/2157-7439.1000225Cramer S., Tacke S., Bornhorst J., Klingauf J., Schwerdtle T., Galla H.J. The influence of silver nanoparticles on the blood-brain and the blood-cerebrospinal fluid barrier in vitro. J. Nanomed. Nanotechnol. 2014; 5: 1000225. https://doi.org/10.4172/2157-7439.1000225Panzarini E., Mariano S., Carata E., Mura F., Rossi M., Dini L. Intracellular transport of silver and gold nanoparticles and biological responses: an update. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(5): 1305. https://doi.org/10.3390/ijms19051305Panzarini E., Mariano S., Carata E., Mura F., Rossi M., Dini L. Intracellular transport of silver and gold nanoparticles and biological responses: an update. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(5): 1305. https://doi.org/10.3390/ijms19051305Ruan L., Li H., Zhang J., Zhou M., Huang H., Dong J., et al. Chemical transformation and cytotoxicity of iron oxide nanoparticles (IONPs) accumulated in mitochondria. Talanta. 2023; 251: 123770. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123770Ruan L., Li H., Zhang J., Zhou M., Huang H., Dong J., et al. Chemical transformation and cytotoxicity of iron oxide nanoparticles (IONPs) accumulated in mitochondria. Talanta. 2023; 251: 123770. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2022.123770Rivas-García L., Quiles J.L., Varela-López A., Giampieri F., Battino M., Bettmer J., et al. Ultra-small iron nanoparticles target mitochondria inducing autophagy, acting on mitochondrial DNA and reducing respiration. Pharmaceutics. 2021; 13(1): 90. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13010090Rivas-García L., Quiles J.L., Varela-López A., Giampieri F., Battino M., Bettmer J., et al. Ultra-small iron nanoparticles target mitochondria inducing autophagy, acting on mitochondrial DNA and reducing respiration. Pharmaceutics. 2021; 13(1): 90. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13010090Khan M.I., Mohammad A., Patil G., Naqvi S.A., Chauhan L.K., Ahmad I. Induction of ROS, mitochondrial damage and autophagy in lung epithelial cancer cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 2012; 33(5): 1477–88. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.10.080Khan M.I., Mohammad A., Patil G., Naqvi S.A., Chauhan L.K., Ahmad I. Induction of ROS, mitochondrial damage and autophagy in lung epithelial cancer cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 2012; 33(5): 1477–88. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.10.080Shiozaki E.N., Shi Y. Caspases, IAPs and Smac/DIABLO: mechanisms from structural biology. Trends Biochem. Sci. 2004; 29(9): 486–94. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2004.07.003Shiozaki E.N., Shi Y. Caspases, IAPs and Smac/DIABLO: mechanisms from structural biology. Trends Biochem. Sci. 2004; 29(9): 486–94. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2004.07.003Perkins G.A., Sun M.G., Frey T.G. Chapter 2 correlated light and electron microscopy/electron tomography of mitochondria in situ. Methods Enzymol. 2009; 456: 29–52. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(08)04402-9Perkins G.A., Sun M.G., Frey T.G. Chapter 2 correlated light and electron microscopy/electron tomography of mitochondria in situ. Methods Enzymol. 2009; 456: 29–52. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(08)04402-9

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