Метаболомное исследование крови животных после ингаляционного воздействия наночастиц оксида свинца

Введение. Выбросы при различных технологических процессах и широкое применение наночастиц оксида свинца (НЧ PbO) определяют необходимость оценки их токсичности. Использование методов нецелевой метаболомики крови для изучения воздействия НЧ PbO на организм млекопитающих ранее в литературе не описывалось.

Цель работы – применение метаболомного анализа для изучения субхронического и хронического ингаляционного воздействия НЧ PbO на лабораторных животных.

Материалы и методы. Эксперимент проведён на 50 самках крыс, случайным образом разделённых на равные группы. Часть животных подвергалась ингаляционному воздействию НЧ PbO в течение двух месяцев: опытная группа и контроль. Другая часть животных подвергалась ингаляционному воздействию НЧ PbO в течение восьми месяцев: опытная группа и контроль. Концентрация НЧ PbO в зоне дыхания животных составляла 0,215 мг/м³. Полуколичественный метаболомный анализ крови проводился с помощью жидкостной хромато-масс-спектрометрии.

Результаты. По результатам метаболомного анализа крови животных после двух месяцев воздействия было выявлено снижение содержания пяти лизофосфатидилхолинов (LPC), трёх лизофасфатидилэтаноламинов (LPE) и увеличение содержания одного LPC. При этом установлено, что воздействие НЧ PbO в той же концентрации в течение восьми месяцев вызывало увеличение содержания пяти LPC, четырёх ацилкарнитинов, двух полиненасыщенных жирных кислот, а также снижение одного LPC. Построенные ROC-кривые комбинации обнаруженных метаболитов имели значение AUC = 0,975 для субхронического воздействия и AUC = 0,948 для хронической экспозиции.

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

Заключение. Метаболомные изменения крови после ингаляционного воздействия НЧ PbO в концентрации 0,215 мг/м³ характеризуются разнонаправленным нарушением липидного обмена на разных сроках, свидетельствующим, вероятно, об аутофагии после субхронического воздействия и апоптозе после хронической экспозиции.

Соблюдение этических стандартов. Исследования были одобрены локальным этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 4 от 12.07.2022 г.).

Участие авторов:
Унесихина М.С. – сбор материала и обработка данных, статистическая обработка, написание текста, редактирование;
Минигалиева И.А. – концепция и дизайн исследования, редактирование;
Кикоть А.М. – редактирование;
Сутункова М.П. – концепция и дизайн исследования, редактирование.
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: 10.02.2025 / Поступила после доработки: 18.06.2025 / Принята к печати: 26.06.2025 / Опубликована: 25.09.2025

1. Johnson C.H., Gonzalez F.J. Challenges and opportunities of metabolomics. J. Cell. Physiol. 2012; 227(8): 2975–81. https://doi.org/10.1002/jcp.24002

2. Zhang L.J., Qian L., Ding L.Y., Wang L., Wong M.H., Tao H.C. Ecological and toxicological assessments of anthropogenic contaminants based on environmental metabolomics. Environ. Sci. Ecotechnol. 2021; 5: 100081. https://doi.org/10.1016/j.ese.2021.100081

3. Ochoa-Leite C., Rodrigues S., Ramos A.S., Ribeiro F., Barbosa J., Jerónimo C., et al. Metabolomics and proteomics in occupational medicine: a comprehensive systematic review. J. Occup. Med. Toxicol. 2024; 19(1): 38. https://doi.org/10.1186/s12995-024-00436-3

4. Liu L., Wu Q., Miao X., Fan T., Meng Z., Chen X., et al. Study on toxicity effects of environmental pollutants based on metabolomics: A review. Chemosphere. 2022; 286(Pt. 2): 131815. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131815

5. Bratovcic A. Synthesis, characterization, applications, and toxicity of lead oxide nanoparticles. In: Chooto P., ed. Lead Chemistry. IntechOpen; 2020. https://doi.org/10.5772/intechopen.91362

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

7. Sutunkova M.P., Solovyeva S.N., Chernyshov I.N., Klinova S.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., 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

8. Miller A., Drake P.L., Hintz P., Habjan M. Characterizing exposures to airborne metals and nanoparticle emissions in a refinery. Ann. Occup. Hyg. 2010; 54(5): 504–13. https://doi.org/10.1093/annhyg/meq032

9. Lebedová J., Nováková Z., Večeřa Z., Buchtová M., Dumková J., Dočekal B., et al. Impact of acute and subchronic inhalation exposure to PbO nanoparticles on mice. Nanotoxicology. 2018; 12(4): 290–304. https://doi.org/10.1080/17435390.2018.1438679

10. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Minigalieva I.A., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Experimental research into metallic and metal oxide nanoparticle toxicity in vivo. In: Yan B., Zhou H., Gardea-Torresdey J., eds. Bioactivity of Engineered Nanoparticles. Singapore: Springer; 2017: 259–319.

11. Manuja A., Kumar B., Kumar R., Chhabra D., Ghosh M., Manuja M., et al. Metal/metal oxide nanoparticles: Toxicity concerns associated with their physical state and remediation for biomedical applications. Toxicol. Rep. 2021; 8: 1970–8. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2021.11.020

12. Сутункова М.П., Минигалиева И.А., Клинова С.В., Рябова Ю.В., Тажигулова А.В., Шабардина Л.В. и др. Оценка острой токсичности наночастиц оксида свинца на крысах при ингаляционной экспозиции. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2023; 31(9): 24–30. https://doi.org/10.35627/2219-5238/2023-31-9-24-30 https://elibrary.ru/pmuwvc

13. Берёза И.А., Шаихова Д.Р., Амромина А.М., Рябова Ю.В., Минигалиева И.А., Сутункова М.П. Индукция апоптоза на молекулярно-генетическом уровне под воздействием наночастиц оксида свинца в хроническом эксперименте на животных. Гигиена и санитария. 2024; 103(2): 152–7. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2024-103-2-152-157 https://elibrary.ru/pgujba

14. Сутункова М.П., Соловьёва С.Н., Чернышов И.Н., Клинова С.В., Гурвич В.Б., Шур В.Я. и др. Проявления подострой системной токсичности наночастиц оксида свинца при ингаляционной экспозиции крыс. Токсикологический вестник. 2020; (6): 3–13. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2020-6-3-13 https://elibrary.ru/gpvvha

15. HMBD. Available at: https://hmdb.ca/

16. LIPID MAPS. Available at: https://lipidmaps.org/

17. MassBank. Available at: https://massbank.eu/MassBank/

18. MetaboAnalyst 6.0. Available at: https://www.metaboanalyst.ca/

19. Lv X.H., Zhao D.H., Cai S.Z., Luo S.Y., You T., Xu B.L., et al. Autophagy plays a protective role in cell death of osteoblasts exposure to lead chloride. Toxicol. Lett. 2015; 239(2): 131–40. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2015.09.014

20. Dupont N., Chauhan S., Arko-Mensah J., Castillo E.F., Masedunskas A., Weigert R., et al. Neutral lipid stores and lipase PNPLA5 contribute to autophagosome biogenesis. Curr. Biol. 2014; 24(6): 609–20. https://doi.org/10.1016/j.cub.2014.02.008

21. Liu J., Liao G., Tu H., Huang Y., Peng T., Xu Y., et al. A protective role of autophagy in Pb-induced developmental neurotoxicity in zebrafish. Chemosphere. 2019; 235: 1050–8. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.06.227

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. Кикоть А.М., Берёза И.А., Шаихова Д.Р., Рябова Ю.В., Минигалиева И.А., Сутункова М.П. Влияние наночастиц оксида свинца на экспрессию генов антиоксидантной системы и апоптоза в хроническом эксперименте. Медицина труда и промышленная экология. 2024; 64(5): 340–6. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2024-64-5-340-346 https://elibrary.ru/ukbaat

27. Li C., Shi L., Peng C., Yu G., Zhang Y., Du Z. Lead-induced cardiomyocytes apoptosis by inhibiting gap junction intercellular communication via autophagy activation. Chem. Biol. Interact. 2021; 337: 109331. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2020.109331

28. Xia J., Broadhurst D.I., Wilson M., Wishart D.S. Translational biomarker discovery in clinical metabolomics: an introductory tutorial. Metabolomics. 2013; 9(2): 280–99. https://doi.org/10.1007/s11306-012-0482-9