Оценка нейротоксического эффекта наночастиц оксида железа (III) на субклеточном уровне

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

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

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 21.02.2023 / Принята к печати: 07.06.2023 / Опубликована: 30.08.2023

1. Pereira 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.2020.126792

2. Maher 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.2020.109816

3. Chrishtop 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/10.1080/17435390.2020.1842934

4. Khan 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.S165675

5. Karmakar 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.2014.01.012

6. Teleanu 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/nano9010096

7. Win-Shwe T.T., Fujimaki H. Nanoparticles and neurotoxicity. Int. J. Mol. Sci. 2011; 12(9): 6267–80. https://doi.org/10.3390/ijms12096267

8. Borisova 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.2018.00728

9. Boyes W.K., van Thriel C. Neurotoxicology of nanomaterials. Chem. Res. Toxicol. 2020; 33(5): 1121–44. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00050

10. Dhakshinamoorthy 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/s12640-017-9721-1

11. Wu 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.2012.09.006

12. Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem J. 2011; 435(2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162

13. Meyer 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/kft102

14. Joza 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/10.1038/35069004

15. Mayer B., Oberbauer R. Mitochondrial regulation of apoptosis. Physiology. 2003; 18(3): 89–94. https://doi.org/10.1152/nips.01433.2002

16. Sun 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/ncb1630

17. Кательникова 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/xbrmnv

18. 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-y

19. Minigalieva 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.2017.02.007

20. Cramer 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/10.4172/2157-7439.1000225

21. Panzarini 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/ijms19051305

22. Ruan 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.2022.123770

23. Rivas-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/pharmaceutics13010090

24. Khan 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.2011.10.080

25. Shiozaki 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.2004.07.003

26. Perkins 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