Апоптоз как механизм гибели клеток дыхательной системы человека при воздействии углеродных нанотрубок

Введение. Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой группу перспективных наноматериалов для использования в промышленных и биомедицинских целях. Литературные данные свидетельствуют о влиянии физико-химических особенностей УНТ на реализацию токсических эффектов, в том числе способность вызывать повреждения ДНК и индуцировать апоптоз. В настоящем исследовании проведена сравнительная оценка проапоптотических эффектов и механизмов их реализации при воздействии одностенных и многостенных УНТ российского производства на культурах клеток дыхательной системы человека.

Материалы и методы. Клетки бронхиального эпителия BEAS-2B, альвеолярного эпителия A549 и фибробластов лёгких MRC5-SV40 человека подвергались экспозиции очищенных и неочищенных от металлических примесей ОУНТ TUBALL™ и МУНТ Таунит-М. В клетках, подвергшихся воздействию 4 концентраций (100; 50; 0,03; 0,0006 мкг/мл) всех типов исследуемых УНТ в течение 72 ч, оценивали уровень мРНК генов P53, BAX и BCL2, а также уровень активных форм кислорода.

Результаты. Все изученные в эксперименте типы УНТ инициировали апоптоз эпителиальных клеток дыхательной системы человека BEAS-2B и A549, но не фибробластов лёгких MRC5-SV40. BEAS-2B были более чувствительны к воздействию МУНТ, тогда как A549 — к ОУНТ с металлическими включениями. Признаки инициации апоптоза появлялись на низких концентрациях, в том числе соответствовавших производственным экспозициям. Механизм оксидативного стресса может выступать фактором запуска апоптоза в клетках лёгочного эпителия.

Ограничения исследования. Относительно короткое (72 ч) время экспозиции  клеток и применение 2D-клеточных моделей, не учитывающих реальные взаимодействия клеток.

Заключение. Выявлены различия в механизмах реализации внутреннего пути апоптоза и чувствительности к разным типам УНТ в зависимости от вида эпителиальных клеток. Сравнительный анализ инициации апоптоза различными типами УНТ показывает, что существуют различия в потенциальных клетках-мишенях и токсических механизмах, что необходимо учитывать в дальнейших исследованиях.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов:
Фатхутдинова Л.М. — дизайн исследования, анализ материала, подготовка статьи к публикации;
Габидинова Г.Ф. — обзор литературы по теме исследования, культивирование клеток, проведение тестов на клетках, статистическая обработка данных, подготовка статьи к публикации;
Димиев А.М. — разработка методов подготовки суспензий материалов для внесения в клетки;
Валеева Е.В. — анализ экспрессии генов в клетках;
Тимербулатова Г.А. — обзор литературы по теме исследования, культивирование клеток, проведение тестов на клетках, обобщение полученных результатов, подготовка статьи к публикации.
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 выполнено при поддержке Российского научного фонда № 22-25-00512. https://rscf.ru/project/22-25-00512/

Поступила: 12.10.2023 / Принята к печати: 15.11.2023 / Опубликована: 08.12.2023

1. Eatemadi A., Daraee H., Karimkhanloo H., Kouhi M., Zarghami N., Akbarzadeh A., et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Res. Lett. 2014; 9(1): 393. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-393

2. Mohd Nurazzi N., Asyraf M.R.M., Khalina A., Abdullah N., Sabaruddin F.A., Kamarudin S.H., et al. Fabrication, functionalization, and application of carbon nanotube-reinforced polymer composite: an overview. Polymers (Basel). 2021; 13(7): 1047. https://doi.org/10.3390/polym13071047

3. Ahmadi M., Zabihi O., Masoomi M., Naebe M. Synergistic effect of MWCNTs functionalization on interfacial and mechanical properties of multi-scale UHMWPE fibre reinforced epoxy composites. Comp. Sci. Technol. 2016; 134: 1–11. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.07.026

4. Collins P.G., Avouris P. Nanotubes for electronics. Sci. Am. 2000; 283(6): 62–9. https://doi.org/10.1038/scientificamerican1200-62

5. Maruyama B., Alam K. Carbon nanotubes and nanofibers in composite materials. Sampe J. 2002; 38(3): 59–70.

6. Morsi M.A., Rajeh A., Al-Muntaser A.A. Reinforcement of the optical, thermal and electrical properties of PEO based on MWCNTs/Au hybrid fillers: Nanodielectric materials for organoelectronic devices. Compos. Part B Eng. 2019; 173: 106957. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.106957

7. Ajori S., Ansari R., Darvizeh M. Vibration characteristics of single- and double-walled carbon nanotubes functionalized with amide and amine groups. Physica B Condens. Matter. 2015; 462: 8–14. https://doi.org/10.1016/j.physb.2015.01.003

8. Hassan A.G., Mat Yajid M.A., Saud S.N., Bakar T.A., Arshad A., Mazlan N. Effects of varying electrodeposition voltages on surface morphology and corrosion behavior of multi-walled carbon nanotube coated on porous Ti-30 at. %-Ta shape memory alloys. Surf. Coat. Technol. 2020; 401: 126257. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126257

9. Chen M., Zhao G., Shao L.L., Yuan Zh., Jing Q., Huang K., et al. Controlled synthesis of nickel encapsulated into nitrogen-doped carbon nanotubes with covalent bonded interfaces: the structural and electronic modulation strategy for efficient electrocatalyst in dye-sensitized solar cells. Chem. Materials. 2017; 29(22): 9680–94. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b03385

10. Nurazzi N., Demon N., Zulaikha S. Composites based on conductive polymer with carbon nanotubes in DMMP gas sensors – an overview. Polimery. 2021; 66(2): 85–98. https://doi.org/10.14314/polimery.2021.2.1

11. Guo F., Kang T., Liu Z., Tong B., Guo L., Wang Y., et al. Advanced lithium metal-carbon nanotube composite anode for high-performance lithium-oxygen batteries. Nano Lett. 2019; 19(9): 6377–84. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02560

12. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Curr. Opin. Chem. Biol. 2005; 9(6): 674–9. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2005.10.005

13. NANoREG. Validated protocols for test item preparation for key in vitro and ecotoxicity studies; 2016.

14. Wadhwa S., Rea C., O’Hare P., Mathur A., Roy S.S., Dunlop P.S., et al. Comparative in vitro cytotoxicity study of carbon nanotubes and titania nanostructures on human lung epithelial cells. J. Hazard. Mater. 2011; 191(1–3): 56–61. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.04.035

15. Chetyrkina M.R., Fedorov F.S., Nasibulin A.G. In vitro toxicity of carbon nanotubes: a systematic review. RSC Adv. 2022; 12(25): 16235–56. https://doi.org/10.1039/d2ra02519a

16. Park E.J., Zahari N.E., Lee E.W., Song J., Lee J.H., Cho M.H., et al. SWCNTs induced autophagic cell death in human bronchial epithelial cells. Toxicol. In Vitro. 2014; 28(3): 442–50. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2013.12.012

17. Kisin E.R., Murray A.R., Keane M.J., Shi X.C., Schwegler-Berry D., Gorelik O., et al. Single-walled carbon nanotubes: geno- and cytotoxic effects in lung fibroblast V79 cells. J. Toxicol. Environ. Health A. 2007; 70(24): 2071–9. https://doi.org/10.1080/15287390701601251

18. Clift M.J., Endes C., Vanhecke D., Wick P., Gehr P., Schins R.P., et al. A comparative study of different in vitro lung cell culture systems to assess the most beneficial tool for screening the potential adverse effects of carbon nanotubes. Toxicol. Sci. 2014; 137(1): 55–64. https://doi.org/10.1093/toxsci/kft216

19. Kaina B. DNA damage-triggered apoptosis: critical role of DNA repair, double-strand breaks, cell proliferation and signaling. Biochem. Pharmacol. 2003; 66(8): 1547–54. https://doi.org/10.1016/s0006-2952(03)00510-0

20. Wang J.Y.J. DNA damage and apoptosis. Cell Death Diff. 2001; 8(11): 1047–8. https://doi.org/10.1038/sj.cdd.4400938

21. Basu A., Haldar S. The relationship between BcI2, Bax and p53: consequences for cell cycle progression and cell death. Mol. Hum. Reprod. 1998; 4(12): 1099–109. https://doi.org/10.1093/molehr/4.12.1099

22. Nam C.W., Kang S.J., Kang Y.K., Kwak M.K. Cell growth inhibition and apoptosis by SDS-solubilized single-walled carbon nanotubes in normal rat kidney epithelial cells. Arch. Pharm. Res. 2011; 34(4): 661–9. https://doi.org/10.1007/s12272-011-0417-4

23. Patlolla A., Knighten B., Tchounwou P. Multi-walled carbon nanotubes induce cytotoxicity, genotoxicity and apoptosis in normal human dermal fibroblast cells. Ethn. Dis. 2010; 20(1 Suppl. 1): S1-65-72.

24. Srivastava R.K., Pant A.B., Kashyap M.P., Kumar V., Lohani M., Jonas L., et al. Multi-walled carbon nanotubes induce oxidative stress and apoptosis in human lung cancer cell line-A549. Nanotoxicol. 2011; 5(2): 195–207. https://doi.org/10.3109/17435390.2010.503944

25. Ghosh M., Murugadoss S., Janssen L., Cokic S., Mathyssen C., Van Landuyt K., et al. Distinct autophagy-apoptosis related pathways activated by Multi-walled (NM 400) and Single-walled carbon nanotubes (NIST-SRM2483) in human bronchial epithelial (16HBE14o-) cells. J. Hazard. Mater. 2020; 387: 121691. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121691

26. Timerbulatova G., Boichuk S., Dunaev P., Porfiryeva N.N., Fatkhutdinova L.M., Dimiev A., et al. Dispersion of single-walled carbon nanotubes in biocompatible environments. Nanotechnol. Russ. 2020; 15(7–8): 437–44. https://doi.org/10.1134/S1995078020040163 https://elibrary.ru/biepnl

27. Khamidullin T., Galyaltdinov Sh., Valimukhametova A., Brusko V., Khannanov A., Maat S., et al. Simple, cost-efficient and high throughput method for separating single-wall carbon nanotubes with modified cotton. Carbon. 2021; 178: 157–63. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.03.003

28. Тимербулатова Г.А., Дунаев П.Д., Димиев А.М., Габидинова Г.Ф., Хаертдинов Н.Н., Фахруллин Р.Ф. и др. Сравнительная характеристика различных волокнистых материалов в экспериментах in vitro. Казанский медицинский журнал. 2021; 102(4): 501–9. https://doi.org/10.17816/KMJ2021-501 https://elibrary.ru/wlppem

29. Predtechenskiy M.R., Khasin A.A., Bezrodny A.E., Bobrenok O.F., Dubov D.Yu., Muradyan V.E., et al. New perspectives in SWCNT applications: Tuball SWCNT. Part 1. Tuball by itself – All you need to know about it. Carbon Trends. 2022; 8: 100175. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100175

30. Габидинова Г.Ф., Тимербулатова Г.А., Даминова А.Г., Галялтдинов Ш.Ф., Димиев А.М., Крючкова М.А. и др. Оценка воздействия промышленных одностенных и многостенных углеродных нанотрубок на культуры эпителиальных клеток дыхательных путей человека. Гигиена и санитария. 2022; 101(12): 1509–20. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-12-1509-1520 https://elibrary.ru/ivtviw

31. Mohammadinejad R., Moosavi M.A., Tavakol S., Vardar D.Ö., Hosseini A., Rahmati M., et al. Necrotic, apoptotic and autophagic cell fates triggered by nanoparticles. Autophagy. 2019; 15(1): 4–33. https://doi.org/10.1080/15548627.2018.1509171

32. Гмошинский И.В., Хотимченко С.А., Ригер Н.А., Никитюк Д.Б. Углеродные нанотрубки: механизмы действия, биологические маркеры и оценка токсичности in vivo (обзор литературы). Гигиена и санитария. 2017; 96(2): 176–86. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-2-176-186 https://elibrary.ru/yirfel