Нейротоксичность ингаляционного воздействия наночастиц оксида свинца на лабораторных животных на уровне экспрессии генов и метаболома

Введение. Изучение токсичности наночастиц оксида свинца (НЧ PbO) является актуальной задачей в связи с их повсеместной распространённостью в окружающей среде и влиянием на здоровье населения. Особое внимание вызывают нейротоксичные эффекты НЧ PbO. Один из возможных механизмов нейротоксичности – апоптотический процесс, вызванный необратимым повреждением ДНК. Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования экспрессии генов ATM, MDM2 и метаболомный анализ.

Цель исследования – изучение нейротоксичности ингаляционного воздействия НЧ PbO на лабораторных животных с помощью анализа экспрессии генов и метаболомики.

Материалы и методы. Субхронический эксперимент, заключавшийся в ингаляционном воздействии НЧ PbO в концентрации 1,55 ± 0,06 мг/м³ в течение четырёх недель (за исключением выходных дней), был проведён на 20 белых самках крыс, разделённых на опытную и контрольную группы. Уровень мРНК генов ATM и MDM2 в обонятельной луковице крыс определяли количественной ПЦР в реальном времени. Полуколичественный метаболомный анализ тканей мозга животных проводили с помощью жидкостной хромато-масс-спектрометрии.

Результаты. Экспрессия гена ATM в обонятельной луковице была статистически значимо (р < 0,05) выше у животных опытной группы по сравнению с контрольной. Метаболомный анализ выявил у животных из опытной группы изменения в метаболизме лизофосфатидилэтаноламинов, лизофосфатидилхолинов, ацилкарнитинов, омега-3 полиненасыщенных жирных кислот, амида жирной кислоты, фосфорилхолина, инозина и гипоксантина. Для комбинации обнаруженных метаболитов была построена ROC-кривая со значением AUC = 0,903.

Ограничения исследования. Данная работа выполнена на самках крыс породы Wistar и не учитывает возможных межполовых различий.

Заключение. В совокупности полученные данные анализа экспрессии генов и метаболомики свидетельствуют о том, что ингаляционное воздействие НЧ PbO в концентрации 1,55 ± 0,06 мг/м³ вызывает опосредованный ATM p53-индуцированный апоптоз в мозге животных.

Соблюдение этических стандартов. Заключение локального этического комитета ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора: содержание, питание, уход за животными и выведение их из эксперимента осуществляли в соответствии с общепринятыми требованиями с учётом ARRIVE guidelines. Исследования были одобрены локальным этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 5 от 16.10.2023 г.).

Участие авторов:
Кикоть А.М. – обработка данных, статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Унесихина М.С. – сбор материала и обработка данных, статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Шаихова Д.Р. – обработка данных, редактирование;
Берёза И.А. – сбор материала и обработка данных, редактирование;
Никогосян К.М. – сбор материала, редактирование;
Минигалиева И.А. – концепция и дизайн исследования, редактирование;
Сутункова М.П. – концепция и дизайн исследования.
Все соавторы – утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех её частей.

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

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 28.03.2025 / Принята к печати: 26.06.2025 / Опубликована: 31.07.2025

1. Sutunkova M.P., Solovyeva S.N., Chernyshov I.N., Klinova S.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Manifestation of systemic toxicity in rats after a short-time inhalation of lead oxide nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(3): 690. https://doi.org/10.3390/ijms21030690

2. 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

3. Minigaliyeva I.A., Klinova S.V., Sutunkova M.P., Ryabova Y.V., Valamina I.E., Shelomentsev I.G., et al. On the mechanisms of the cardiotoxic effect of lead oxide nanoparticles. Cardiovasc Toxicol. 2024; 24(1): 49–61. https://doi.org/10.1007/s12012-023-09814-5

4. Ermolin M.S., Fedotov P.S., Ivaneev A.I., Karandashev V.K., Burmistrov A.A., Tatsy Y.G. Assessment of elemental composition and properties of copper smelter-affected dust and its nano- and micron size fractions. Environ. Sci. Pollut. Res. 2016; 23(23): 23781–90. https://doi.org/10.1007/s11356-016-7637-6

5. Ermolin M.S., Shilobreeva S.N., Fedotov P.S. Study of the chemical composition of ash nanoparticles from the volcanoes of Kamchatka. Geochem. Int. 2023; 61(4): 348–58. https://doi.org/10.1134/S0016702923040043

6. Pal D., Dastoor A., Ariya P.A. Aerosols in an urban cold climate: Physical and chemical characteristics of nanoparticles. Urban Clim. 2020; 34: 100713. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2020.100713

7. Bláhová L., Nováková Z., Večeřa Z., Vrlíková L., Dočekal B., Dumková J., et al. The effects of nano-sized PbO on biomarkers of membrane disruption and DNA damage in a sub-chronic inhalation study on mice. Nanotoxicology. 2020; 14(2): 214–31. https://doi.org/10.1080/17435390.2019.1685696

8. Tulinska J., Krivosikova Z., Liskova A., Mikusova M.L., Masanova V., Rollerova E., et al. Six-week inhalation of lead oxide nanoparticles in mice affects antioxidant defense, immune response, kidneys, intestine and bones. Environ. Sci. Nano. 2022; 9(2): 751–66. https://doi.org/10.1039/D1EN00957E

9. Aljelehawy H.A.Q. Effects of the lead, cadmium, manganese heavy metals, and magnesium oxide nanoparticles on nerve cell function in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Cent. Asian J. Med. Pharm. Sci. Innov. 2022; 2(1): 25–36. https://doi.org/10.22034/CAJMPSI.2022.01.04

10. Кикоть А.М., Шаихова Д.Р., Берёза И.А., Минигалиева И.А., Никогосян К.М., Сутункова М.П. Изменение экспрессии генов, вовлечённых в митохондриальный путь апоптоза, при воздействии наночастиц оксида свинца. Гигиена и санитария. 2024; 103(11): 1429–33. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2024-103-11-1429-1433 https://elibrary.ru/pkpdpm

11. Xu D., Liang D., Guo Y., Sun Y. Endosulfan causes the alterations of DNA damage response through ATM-p53 signaling pathway in human leukemia cells. Environ. Pollut. 2018; 238: 1048–55. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.03.044

12. Yin J., Zhou Q., Tan J., Che W., He Y. Inorganic arsenic induces MDM2, p53, and their phosphorylation and affects the MDM2/p53 complex in vitro. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(58): 88078–88. https://doi.org/10.1007/s11356-022-21986-1

13. Liao J., Yang F., Bai Y., Yu W., Qiao N., Han Q., et al. Metabolomics analysis reveals the effects of copper on mitochondria-mediated apoptosis in kidney of broiler chicken (Gallus gallus). J. Inorg. Biochem. 2021; 224: 111581. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2021.111581

14. Xia Y., Zhang X., Sun D., Gao Y., Zhang X, Wang L., et al. Effects of water-soluble components of atmospheric particulates from rare earth mining areas in China on lung cancer cell cycle. Part. Fibre. Toxicol. 2021; 18(1): 27. https://doi.org/10.1186/s12989-021-00416-z

15. Wang Y., Sun X., Fang L., Li K., Yang P., Du L., et al. Genomic instability in adult men involved in processing electronic waste in Northern China. Environ. Int. 2018; 117: 69–81. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.04.027

16. Peker N., Gozuacik D. Autophagy as a cellular stress response mechanism in the nervous system. J. Mol. Biol. 2020; 432(8): 2560–88. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2020.01.017

17. Pal P., Jha N.K., Pal D., Jha S.K., Anand U., Gopalakrishnan A.V., et al. Molecular basis of fluoride toxicities: Beyond benefits and implications in human disorders. Genes Dis. 2022; 10(4): 1470–93. https://doi.org/10.1016/j.gendis.2022.09.004

18. Wu Y., Chen Z., Darwish W.S., Terada K., Chiba H., Hui S.P. Choline and ethanolamine plasmalogens prevent lead-induced cytotoxicity and lipid oxidation in HepG2 cells. J. Agric. Food Chem. 2019; 67(27): 7716–25. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b02485

19. Butera A., Roy M., Zampieri C., Mammarella E., Panatta E., Melino G., et al. p53-driven lipidome influences non-cell-autonomous lysophospholipids in pancreatic cancer. Biol. Direct. 2022; 17(1): 6. https://doi.org/10.1186/s13062-022-00319-9

20. Chaurio R.A., Janko C., Muñoz L.E., Frey B., Herrmann M., Gaipl U.S. Phospholipids: key players in apoptosis and immune regulation. Molecules. 2009; 14(12): 4892–914. https://doi.org/10.3390/molecules14124892

21. Griffin J.L., Kauppinen R.A. Tumour metabolomics in animal models of human cancer. J. Proteome. Res. 2007; 6(2): 498–505. https://doi.org/10.1021/pr060464h

22. Iorio E., Di Vito M., Spadaro F., Ramoni C., Lococo E., Carnevale R., et al. Triacsin C inhibits the formation of 1H NMR-visible mobile lipids and lipid bodies in HuT 78 apoptotic cells. Biochim. Biophys. Acta. 2003; 1634(1–2): 1–14. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2003.07.001

23. Montecillo-Aguado M., Tirado-Rodriguez B., Huerta-Yepez S. The involvement of polyunsaturated fatty acids in apoptosis mechanisms and their implications in cancer. Int. J. Mol. Sci. 2023; 24(14): 11691. https://doi.org/10.3390/ijms241411691

24. Sun Y., Jia X., Hou L., Liu X., Gao Q. Involvement of apoptotic pathways in docosahexaenoic acid-induced benefit in prostate cancer: Pathway-focused gene expression analysis using RT2 Profile PCR Array System. Lipids Health Dis. 2017; 16(1): 59. https://doi.org/10.1186/s12944-017-0442-5

25. Wellner N., Diep T.A., Janfelt C., Hansen H.S. N-acylation of phosphatidylethanolamine and its biological functions in mammals. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1831(3): 652–62. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2012.08.019

26. Shadfar S., Parakh S., Jamali M.S., Atkin J.D. Redox dysregulation as a driver for DNA damage and its relationship to neurodegenerative diseases. Transl. Neurodegener. 2023; 12(1): 18. https://doi.org/10.1186/s40035-023-00350-4

27. Kim Y.J., Ryu H.M., Choi J.Y., Cho J.H., Kim C.D., Park S.H., et al. Hypoxanthine causes endothelial dysfunction through oxidative stress-induced apoptosis. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2017; 482(4): 821–27. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2016.11.119

28. Virág L., Szabó C. Purines inhibit poly(ADP-ribose) polymerase activation and modulate oxidant-induced cell death. FASEB J. 2001; 15(1): 99–107. https://doi.org/10.1096/fj.00-0299com

29. Sanchez-Macedo N., Feng J., Faubert B., Chang N., Elia A., Rushing E.J., et al. Depletion of the novel p53-target gene carnitine palmitoyltransferase 1C delays tumor growth in the neurofibromatosis type I tumor model. Cell Death Differ. 2013; 20(4): 659–68. https://doi.org/10.1038/cdd.2012.168