Сравнительная характеристика различных волокнистых материалов в экспериментах in vitro

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Цель. Сравнительная оценка воздействия волокнистых материалов на клеточных культурах RAW264.7 и BEAS-2B.

Методы. На двух клеточных линиях — макрофагах RAW 264.7 и клетках человеческого бронхиального эпителия BEAS-2В — оценивали воздействие различных волокнистых материалов: неочищенных одностенных углеродных нанотрубок двух типов (ОУНТ-1 и ОУНТ-2), различавшихся длиной и другими морфологическими характеристиками, и хризотил-асбеста в качестве положительного контроля. Диапазон концентраций исследуемых веществ для внесения в клетки был выбран с учётом содержания ОУНТ в воздухе рабочей зоны и последующего моделирования депонирования ОУНТ в дыхательных путях человека. Суспензии исследуемых материалов были подготовлены на основе клеточных культуральных сред методом ультразвуковой соникации. Оценку цитотоксичности после 48-часового культивирования клеток проводили с помощью колометрического MTS-теста. Методом иммуноблоттинга оценивали уровень экспрессии белков-маркёров апоптоза с использованием соответствующих моноклональных антител. Визуализация ОУНТ-1, ОУНТ-2 и хризотил-асбеста в культурах клеток BEAS-2B проведена методом улучшенной темнопольной микроскопии.

Результаты. По данным темнопольной микроскопии все изученные волокнистые материалы обнаружены на поверхности или в цитоплазме клеток. ОУНТ и хризотил-асбест не оказывали прямого цитотоксического действия в МТS-тесте и не вызывали апоптоз по результатам вестерн-блота в клеточных культурах макрофагов RAW264.7 и бронхиального эпителия BEAS-2B. В проявивших большую чувствительность клетках бронхиального эпителия (BEAS-2B) выявлено небольшое повышение экспрессии сигнального апоптического белка ПАРП [поли-(АДФ-рибозил)-полимераза], более выраженное для более коротких ОУНТ-2.

Вывод. Оба типа одностенных углеродных нанотрубок, несмотря на различия в морфологических характеристиках, демонстрировали схожие эффекты в экспериментах in vitro; этот результат при его дальнейшей верификации может иметь важное практическое применение при обосновании подходов к определению критериев безопасности одностенных углеродных нанотрубок как однотипного класса наноматериалов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Гюзель Абдулхалимовна Тимербулатова

Казанский государственный медицинский университет; Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Татарстан

Автор, ответственный за переписку.
Email: ragura@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2479-2474
Россия, г. Казань, Россия; г. Казань, Россия

Павел Дмитриевич Дунаев

Казанский государственный медицинский университет

Email: dunaevpavel@mail.ru
Россия, г. Казань, Россия

Айрат Маратович Димиев

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: ayrat_dimiev@mail.ru
Россия, г. Казань, Россия

Гульназ Фаезовна Габидинова

Казанский государственный медицинский университет

Email: gabidinova26@yandex.ru
Россия, г. Казань, Россия

Наиль Назимович Хаертдинов

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: khaertdinofnn@gmail.com
Россия, г. Казань, Россия

Равиль Фаридович Фахруллин

Казанский (Приволжский) федеральный университет

Email: kazanbio@gmail.com
Россия, г. Казань, Россия

Сергей Васильевич Бойчук

Казанский государственный медицинский университет

Email: boichuksergei@mail.ru
Россия, г. Казань, Россия

Лилия Минвагизовна Фатхутдинова

Казанский государственный медицинский университет

Email: liliya.fatkhutdinova@gmail.com
Россия, г. Казань, Россия

Список литературы

  1. Carbon nanotubes. https://www.transparency market research.com/pressrelease/carbon-nano-tubes-market.htm (дата обращения: 12.06.2021).
  2. Liu Z., Tabakman S., Welsher K., Dai H. Carbon nanotubes in biology and medicine: In vitro and in vivo detection, imaging and drug delivery. Nano Res. 2009; 2: 85–120. doi: 10.1007/s12274-009-9009-8.
  3. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery. Curr. Opin. Chem. Biol. 2005; (6): 674–679. doi: 10.1016/j.cbpa.2005.10.005.
  4. Williams J.G.K., Kubelik A.R., Livak K.J., Rafalski J.A., Tingey S.V. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucleic Acids Res. 1990; (22): 6531–6535. doi: 10.1093/nar/18.22.6531.
  5. Kisin E.R., Murray A.R., Keane M.J., Shi X.C., Schwegler-Berry D., Gorelik O., Arepalli S., Castranova V., Wallace W.E., Kagan V.E., Shvedova A.A. Single-walled carbon nanotubes: geno- and cytotoxic effects in lung fibroblast V79 cells. J. Toxicol. Environ Health A. 2007; (24): 2071–2079. doi: 10.1080/15287390701601251.
  6. Magdolenova Z., Collins A., Kumar A., Dhawan A., Stone V., Dusinska M. Mechanisms of genotoxi­city. A review of in vitro and in vivo studies with engineered nanoparticles. Nanotoxicology. 2014; 8 (3): 233–278. doi: 10.3109/17435390.2013.773464.
  7. Li Y., Doak S.H., Yan J., Chen D.H., Zhou M., Mittelstaedt R.A., Chen Y., Li C., Chen T. Factors affecting the in ­vitro micronucleus assay for evaluation of nanomaterials. Mutagenesis. 2017; 32 (1): 151–159. doi: 10.1093/mutage/gew040.
  8. Herzog E., Casey A., Lyng F.M., Chambers G., ­Byrne H.J., Davoren M. A new approach to the toxicity tes­ting of carbon-based nanomaterials — the clonoge­nic assay. Toxicol. Letters. 2007; 174 (1–3): 49–60. doi: 10.1016/j.toxlet.2007.08.009.
  9. Park E.J., Zahari N.E., Lee E.W., Song J., Lee J.H., Cho M.H., Kim J.H. SWCNTs induced autophagic cell death in human bronchial epithelial cells. Toxicol. in vitro. 2014; 28 (3): 442–450. doi: 10.1016/j.tiv.2013.12.012.
  10. Халиуллин Т.О., Кисин Е.Р., Мюррэй Р.Э., Залялов Р.Р., Шведова А.А., Фатхутдинова Л.М. Токсические эффекты углеродных нанотрубок в культурах клеток макрофагов и бронхиального эпителия. Вестн. Томского гос. ун-та. Биология. 2014; (1): 199–210.
  11. Davoren M., Herzog E., Casey A., Cottineau B., Chambers G., Byrne H.J., Lyng F.M. In vitro toxicity eva­luation of single walled carbon nanotubes on human A549 lung cells. Toxicol. in vitro. 2007; 21 (3): 438–448. doi: 10.1016/j.tiv.2006.10.007.
  12. Pulskamp K., Diabaté S., Krug H.F. Carbon nanotubes show no sign of acute toxicity but induce intracellular reactive oxygen species in dependence on contaminants. Toxicol. Letters. 2007; 168 (1): 58–74. doi: 10.1016/j.toxlet.2006.11.001.
  13. Wörle-Knirsch J.M., Pulskamp K., Krug H.F. Oops they did it again! Carbon nanotubes hoax scientists in viability assays. Nano Letters. 2006; 6 (6): 1261–1268. doi: 10.1021/nl060177c.
  14. Fujita K., Fukuda M., Endoh S., Kato H., Maru J., Nakamura A., Uchino K., Shinohara N., Obara S., Nagano R., Horie M., Kinugasa S., Hashimoto H., Kishimoto A. Physical properties of single — wall carbon nanotubes in cell culture and their dispersal due to alveolar epithelial cell response. Toxicol. Mechanisms аnd Methods. 2013; 23 (8): 598–609. doi: 10.3109/15376516.2013.811568.
  15. Clift M.J., Endes C., Vanhecke D., Wick P., Gehr P., Schins R.P., Petri-Fink A., Rothen-Rutishauser B. 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. doi: 10.1093/toxsci/kft216.
  16. Witasp E., Shvedova A.A., Kagan V.E., Fadeel B. Single-walled carbon nanotubes impair human macrophage engulfment of apoptotic cell ­corpses. Inhalation Toxicol. 2009; 21 (Suppl. 1): 131–136. doi: 10.1080/08958370902942574.
  17. Khaliullin T.O., Kisin E.R., Murray A.R., Yanamala N., Shurin M.R., Gutkin D.W., Fatkhutdinova L.M., Kagan V.E., Shvedova A.A. Mediation of the single-walled carbon nanotubes induced pulmonary fibrogenic response by osteopontin and TGF-β1. Experim. Lung Res. 2017; 43 (8): 311–326. doi: 10.1080/01902148.2017.1377783.
  18. Murr L.E., Garza K.M., Soto K.F., Carrasco A., Powell T.G., Ramirez D.A., Guerrero P.A., Lopez D.A., Venzor J.3rd. Cytotoxicity assessment of some carbon nanotubes and related carbon nanoparticle aggregates and the implications for anthropogenic carbon nanotube aggregates in the environment. Intern. J. Envir. Res. Public Health. 2005; 2 (1): 31–42. doi: 10.3390/ijerph2005010031.
  19. Migliore L., Saracino D., Bonelli A., Colognato R., R.D’Errico M., Magrini A., Bergamaschi A., Bergamaschi E. Carbon nanotubes induce oxidative DNA da­mage in RAW264.7 cells. Envir. Mol. Mutagen. 2010; 51: 294–303. doi: 10.1002/em.20545.
  20. Dong P.X., Wan B., Guo L.H. In vitro toxicity of acid-functionalized single-walled carbon nanotubes: effects on murine macrophages and gene expression profiling. Nanotoxicology. 2012; 6 (3): 288–303. doi: 10.3109/17435390.2011.573101.
  21. Donaldson K., Aitken R., Tran L., Stone V., Duffin R., Forrest G., Alexander A. Carbon nanotubes: a review of their properties in relation to pulmonary toxi-­cology and workplace safety. Toxicol. Sci. 2006; 92 (1): 5–22. doi: 10.1093/toxsci/kfj130.
  22. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). https://www.cdc.gov/niosh/index.htm (access date: 12.06.2021).
  23. Multiple-Path Particle Dosimetry Model (MPPD v 3.04). https://www.ara.com/products/multiple-path-particle-dosimetry-model-mppd-v-304 (access date: 14.06.2021).
  24. Li Y., Boraschi D. Endotoxin contamination: a key ­element in the interpretation of nanosafety ­studies. Nanome­dicine (Lond.). 2016; 11 (3): 269. DOI: 10.221/nnm.15.19619.
  25. Государственная фармакопея Российской Федерации XIV издания (ГФ РФ XIV) (утв. приказом Министерства здравоохранения Российской Федерации 31 октября 2018 г.). https://minzdrav.gov.ru/ministry/61/11/gosudarstvennaya-farmakopeya-rossiyskoy-federatsii-xiv-izdaniya (дата обращения: 14.06.2021).
  26. Timerbulatova G., Dimiev A.M., Khamidullin T., Boichuk S.V., Dunaev P., Fakhrullin R., Khaertdinov N.N., Porfiryeva N.N., Khaliullin T., Fatkhutdinova L. Dispersion of single-walled carbon nanotubes in biocompatible environments. Nanotechnologies in Russia. 2020; 15: 437–444. doi: 10.1134/S1995078020040163.
  27. Методические указания МУ 1.2.2635-10 «Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов» (утв. Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации Г.Г. Онищенко 24 мая 2010 г.) https://docs.cntd.ru/document/1200083582 (дата обращения: 14.06.2021).
  28. Чередниченко Ю.В., Евтюгин В.Г., Нигаматзянова Л.Р., Ахатова Ф.С., Рожина Э.В., Фахруллин Р.Ф. Синтез наночастиц серебра при помощи ультразвука и галлуазита для создания нанокомпозита с антибактериальными свойствами. Рос. нанотехнол. 2019; 14 (9–10): 64–70. doi: 10.1134/S1995078019050021.
  29. Fakhrullin R., Nigamatzyanova L., Fakhrullina G. Dark-field/hyperspectral microscopy for detecting nanoscale particles in environmental nanotoxicology research. Sci. Total Environment. 2021; 772: 145 478. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.145478.
  30. Park E.J., Zahari N.E., Kang M.S., Lee S.J., Lee K., Lee B.S., Yoon C., Cho M.H., Kim Y., Kim J.H. Toxic response of HIPCO single-walled carbon nanotubes in mice and RAW264.7 macrophage cells. Toxicol. Lett. 2014; 229 (1): 167–177. doi: 10.1016/j.toxlet.2014.06.015.
  31. Kharissova O.V., Kharisov B.I., de Casas Ortiz E.G. Dispersion of carbon nanotubes in water and non-aqueous solvents. RSC Adv. 2013; 3: 24 812–24 852. doi: 10.1039/c3ra43852.
  32. Ghosh M., Murugadoss S., Janssen L., Cokic S., Mathyssen C., Van Landuyt K., Janssens W., Carpentier S., Godderis L., Hoet P. 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. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121691.
  33. Shvedova A.A., Yanamala N., Kisin E.R., Tkach A.V., Murray A.R., Hubbs A., Chirila M.M., Keohavong P., Sycheva L.P., Kagan V.E., Castranova V. Long-term effects of carbon containing engineered nanomaterials and asbestos in the lung: one year postexposure comparisons. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 2014; 306 (2): 170–182. doi: 10.1152/ajplung.00167.2013.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Цитотоксическая активность исследуемых материалов в различных концентрациях (мкг/мл) в отношении клеток линии RAW 264.7; среднее значение ± стандартное отклонение выживаемости клеток в MTS-тесте после 48-часовой экспозиции исследуемых материалов: А — ОУНТ-1; Б — ОУНТ-2; В — хризотил-асбест; p >0,05 для всех сравнений с 0 мкг/мл в контроле

Скачать (99KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Цитотоксическая активность исследуемых материалов в различных концентрациях (мкг/мл) в отношении клеток линии BEAS-2B; среднее значение ± стандартное отклонение выживаемости клеток в MTS-тесте после 48-часовой экспозиции исследуемых материалов: А — ОУНТ-1; Б — ОУНТ-2; В — хризотил-асбест; p >0,05 для всех сравнений с 0 мкг/мл в контроле

Скачать (102KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Картина репрезентативного вестерн-блота на клетках линии RAW 264.7 (инкубация 48 ч): А — ОУНТ-1; Б — ОУНТ-2 и хризотил-асбест; материалы использовали в концентрациях 0,0006, 0,04 и 2,5 мкг/мл; маркёры апоптоза — расщеплённые формы каспазы-3 и поли-АДФ(рибоза)-полимеразы (ПАРП); актин отражает уровень белка в образцах; доксорубицин (Д) — 0,5 мкг/мл

Скачать (22KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Картина репрезентативного вестерн-блота на клетках линии BEAS-2B (инкубация 48 ч): А — ОУНТ-1; Б — ОУНТ-2; В — хризотил-асбест; материалы использовали в концентрациях 0,0006, 0,04 и 2,5 мкг/мл; маркёр апоптоза — расщепленная форма поли-АДФ(рибоза)-полимеразы (ПАРП); актин — отражает уровень белка в образцах; доксорубицин (Д) — 0,5 мкг/мл

Скачать (27KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Визуализация проникновения ОУНТ-1, ОУНТ-2 и хризотил-асбеста в цитоплазму клеток посредством темнопольной микроскопии. Клетки BEAS-2B под действием исследуемых материалов в концентрации 2,5 мкг/мл (48 ч экспозиции): А — контроль (клеточная среда BEGM), Б — ОУНТ-1; В — ОУНТ-2; Г — хризотил-асбест

Скачать (37KB)
Метаданные

© 2021 Тимербулатова Г.А., Дунаев П.Д., Димиев А.М., Габидинова Г.Ф., Хаертдинов Н.Н., Фахруллин Р.Ф., Бойчук С.В., Фатхутдинова Л.М.

Creative Commons License

Эта статья доступна по лицензии
Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ЭЛ № ФС 77 - 75008 от 01.02.2019.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах