Новый подход к оценке кардиовазотоксического действия наночастиц на организм в токсикологическом эксперименте

Введение. Исследование кардиовазотоксического эффекта наночастиц — это многоэтапный и сложный процесс, в котором применяется комплексный подход. В токсикологическую практику наряду с общепринятыми методами исследования активно внедряются молекулярно-биологические методы исследования с использованием высокочувствительного оборудования.

Цель исследования — изучение нового подхода к оценке кардиовазотоксического действия наночастиц от молекулярного уровня до функционального ответа целостного организма.

Материалы и методы. Для оценки кардиовазотоксического действия наночастиц на организм крыс изучали изменения на молекулярном (соотношение тяжёлых цепей миозина), субклеточном (исследование на электронном микроскопе), клеточно-тканевом (гистологический анализ) и системно-органном уровнях (неинвазивная регистрация электрокардиограммы и параметров артериального давления, определение биохимических показателей сыворотки крови). Предлагаемый методический подход был апробирован в экспериментальном исследовании на крысах при воздействии наночастиц оксидов свинца и кадмия.

Результаты. В результате проведённых токсикологических исследований в соответствии с разработанной системой оценки кардиотоксичности наночастиц был показан кардиовазотоксический эффект изолированного и комбинированного действия оксидов свинца и кадмия.

Ограничения исследования. Изучены основные показатели кардиовазотоксического действия наночастиц на организм в токсикологическом эксперименте только на одном виде животных (лабораторная крыса) с использованием одной дозы и одного вида наночастиц.

Заключение. Анализ данных выявил разную степень проявления кардиотоксичности наночастиц на молекулярном, внутриклеточном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Применение данного подхода позволит дать углублённую оценку воздействия частиц нанометрового диапазона на сердце и сосуды для выявления рисков возникновения болезней сердечно-сосудистой системы.

Соблюдение этических стандартов. Протокол исследования одобрен Локальным независимым этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 2 от 20.04.2021 г.).

Участие авторов:
Клинова С.В. — дизайн исследования, проведение эксперимента, сбор и обработка данных, написание текста, подготовка рисунков;
Минигалиева И.А., Сутункова М.П., Никитина Л.В. — концепция и дизайн исследования, научное редактирование;
Валамина И.Е., Шеломенцев И.Г. — сбор и обработка данных, написание текста, подготовка рисунков;
Герцен О.П. — проведение эксперимента, сбор и обработка данных;
Рябова Ю.В., Шаихова Д.Р. — сбор и обработка данных, написание текста;
Мустафина И.З., Орлов М.С. — научное редактирование.
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. Изучение изменения соотношения тяжёлых цепей миозина осуществлялось в рамках государственной программы № 122022200089–4 (ИИФ УрО РАН).

Поступила: 19.04.2024 / Принята к печати: 23.09.2024 / Опубликована: 16.10.2024

1. WHO. Global Health Estimates: Life expectancy and leading causes of death and disability; 2019. Available at: https://who.int/data/gho/data/themes/mortality-and-global-health-estimates

2. WHO. Reveals leading causes of death and disability worldwide: 2000–2019; 2020. Available at: https://who.int/news/item/09-12-2020-who-reveals-leading-causes-of-death-and-disability-worldwide-2000-2019

3. Global health estimates: Leading causes of death. Cause-specific mortality, 2000–2021. Available at: https://who.int/data/gho/data/themes/mortality-and-global-health-estimates/ghe-leading-causes-of-death

4. Ma W., He S., Xu Y., Qi G., Ma H., Bang J.J., et al. Ameliorative effect of sodium selenite on silver nanoparticles-induced myocardiocyte structural alterations in rats. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 8281–92. https://doi.org/10.2147/IJN.S271457

5. Торопова Я.Г., Осяев Н.Ю., Мухамадияров Р.А. Перфузия изолированного сердца методами Лангендорфа и Нилли: особенности техники и применение в современных исследованиях. Трансляционная медицина. 2014; (4): 34–9. https://elibrary.ru/tsndtr

6. Han J.C., Taberner A.J., Loiselle D.S., Tran K. Cardiac efficiency and Starling’s law of the heart. J. Physiol. 2022; 600(19): 4265–85. https://doi.org/10.1113/JP283632

7. King D.R., Hardin K.M., Hoeker G.S., Poelzing S. Reevaluating methods reporting practices to improve reproducibility: an analysis of methodological rigor for the Langendorff whole heart technique. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2022; 323(3): H363–77. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00164.2022

8. Klinova S.V., Katsnelson B.A., Minigalieva I.A., Gerzen O.P., Balakin A.A., Lisin R.V., et al. Cardioinotropic effects in subchronic intoxication of rats with lead and/or cadmium oxide nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2021; 22(7): 3466. https://doi.org/10.3390/ijms22073466

9. Savi M., Bocchi L., Cacciani F., Vilella R., Buschini A., Perotti A., et al. Cobalt oxide nanoparticles induce oxidative stress and alter electromechanical function in rat ventricular myocytes. Part Fibre. Toxicol. 2021; 18(1): 1. https://doi.org/10.1186/s12989-020-00396-6

10. Lin B.L., Li A., Mun J.Y., Previs M.J., Previs S.B., Campbell S.G., et al. Skeletal myosin binding protein-C isoforms regulate thin filament activity in a Ca2+-dependent manner. Sci. Rep. 2018; 8(1): 2604. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21053-1

11. Nikitina L.V., Kopylova G.V., Shchepkin D.V., Katsnelson L.B. Study of the interaction between rabbit cardiac contractile and regulatory proteins. An in vitro motility assay. Biochemistry (Mosc.). 2008; 73(2): 178–84. https://doi.org/10.1134/s0006297908020090

12. Reiser P.J., Kline W.O. Electrophoretic separation and quantitation of cardiac myosin heavy chain isoforms in eight mammalian species. Am. J. Physiol. 1998; 274(3): H1048–53. https://doi.org/10.1152/ajpheart.1998.274.3.H1048

13. Ansari M.A., Maayah Z.H., Bakheet S.A., El-Kadi A.O., Korashy H.M. The role of aryl hydrocarbon receptor signaling pathway in cardiotoxicity of acute lead intoxication in vivo and in vitro rat model. Toxicology. 2013; 306: 40–9. https://doi.org/10.1016/j.tox.2013.01.024

14. Урбах В.Ю., Полунина О.С., Севостьянова И.В., Воронина Л.П. Биометрические методы. М.: Наука; 1964.

15. Arian M., Soleimani M. Practical calculation of mean, pooled variance, variance, and standard deviation, in meta-analysis studies. Nurs. Pract. Today. 2020; 7(1): 5–11. https://doi.org/10.18502/npt.v7i1.2294

16. Elgharabawy R.M., Alhowail A.H., Emara A.M., Aldubayan M.A., Ahmed A.S. The impact of chicory (Cichoriumintybus L.) on hemodynamic functions and oxidative stress in cardiac toxicity induced by lead oxide nanoparticles in male rats. Biomed. Pharmacother. 2021; 137: 111324. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2021.111324

17. Sutunkova M.P., Minigalieva I.A., Klinova S.V., Panov V.G., Gurvich V.B., Privalova L.I., et al. Some data on the comparative and combined toxic activity of nanoparticles containing lead and cadmium with special attention to their vasotoxicity. Nanotoxicology. 2021; 15(2): 205–22. https://doi.org/10.1080/17435390.2020.1845410

18. Ohno A., Naruse M., Kato S., Hosaka M., Naruse K., Demura H., et al. Endothelin-specific antibodies decrease blood pressure and increase glomerular filtration rate and renal plasma flow in spontaneously hypertensive rats. J. Hypertens. 1992; 10(8): 781–5.

19. Simões M.R., Ribeiro R.F. Jr., Vescovi M.V., de Jesus H.C., Padilha A.S., Stefanon I., et al. Acute lead exposure increases arterial pressure: role of the renin-angiotensin system. PLoS One. 2011; 6(4): e18730. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018730

20. Sharifi A.M., Darabi R., Akbarloo N., Larijani B., Khoshbaten A. Investigation of circulatory and tissue ACE activity during development of lead-induced hypertension. Toxicol. Lett. 2004; 153(2): 233–8. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2004.04.013

21. Zhou J., Allen A.M., Yamada H., Sun Y., Mendelsohn F.A.O. Localization and properties of angiotensin converting enzyme and angiotensin receptors in the heart. In: Lindpaintner K., Ganten D., eds. The Cardiac-Renin Angiotensin System. Armonk, NY: Futura; 1994: 63–88.

22. Potter L.R., Abbey-Hosch S., Dickey D.M. Natriuretic peptides, their receptors, and cyclic guanosine monophosphate-dependent signaling functions. Endocr. Rev. 2006; 27(1): 47–72. https://doi.org/10.1210/er.2005-0014

23. Полунина Е.А., Полунина О.С., Севостьянова И.В., Воронина Л.П. «Мультифункциональный» натрийуретический пептид типа С и дискуссионно/перспективное его исследование при хронической сердечной недостаточности. Астраханский медицинский журнал. 2017; 12(3): 28–37. https://elibrary.ru/zvrcgd

24. Fu P.P., Xia Q., Hwang H.M., Ray P.C., Yu H. Mechanisms of nanotoxicity: generation of reactive oxygen species. Journal of Food and Drug Analysis. 2014; 22(1): 64–75. https://doi.org/10.1016/j.jfda.2014.01.005

25. Cheng Y., Chen Z., Yang S., Liu T., Yin L., Pu Y., et al. Nanomaterials-induced toxicity on cardiac myocytes and tissues, and emerging toxicity assessment techniques. Sci. Total Environ. 2021; 800: 149584. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149584

26. Panov V., Minigalieva I., Bushueva T., 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/10.1177/1559325820914180

27. Scheffler T.L., Leitner M.B., Wright S.A. Technical note: Protocol for electrophoretic separation of bovine myosin heavy chain isoforms and comparison to immunohistochemistry analysis. J. Anim. Sci. 2018; 96(10): 4306–12. https://doi.org/10.1093/jas/sky283