Изменение генерации активных форм кислорода в печени после введения биогенного ферригидрита

© Коллектив авторов, 2017 г. doi: 10.5281/zenodo.817825

Удк 612.35:577.3

В.Г. Пахомова1, К.В. Шадрин12, Г.В. Макарская1, С.В. Тарских1, А.П. Рупенко1, О.В. Крюкова1, Ю.Л. Гуревич1

изменение генерации активных форм кислорода в печени после введения биогенного ферригидрита

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Красноярск

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Красноярск

Цель работы - анализ генерации активных форм кислорода (АФК) клетками печени крысы при воздействии наночастиц ферригидрита. Материалы и методы. Анализ биологиче ской активности ферригидрита проводили на модели изолированной культивируемой печени крысы. Изменение генерации АФК в клетках печени определяли методом хемилюминесцентного анализа. В качестве люминесцентных зондов использовали люминол и люцигенин. В результате проведенного исследования показано, что наночастицы биогенного ферригидрита способствуют усилению генерации активных форм кислорода в клетках печени.

Ключевые слова: биогенный ферригидрит, наночастицы, АФК, хемилюминесценция, изолированная перфузия, печень.

V.G. Pakhomova1, K.V. Shadrin12, G.V. Makarskaya1, S.V. Tarskikh1, A.P. Rupenko1, O.V. Kryukova1, Yu.L. Gurevich1

the introduction of biogenetic ferryhydritis affects on the generation of reactive oxygen species in the liver

1 Federal Research Center «Krasnoyarsk Science Center» of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, Russia

2 Krasnoyarsk State Medical University, Krasnoyarsk, Russia.

The aim of this work is to analyze the generation of reactive oxygen species (ROS) by rat liver cells after exposed to ferrihydrite nanoparticles. Materials and methods. The test of the biological activity of ferrihydrite was carried out on the model of an isolated cultured rat liver. The change in the ROS generation by liver cells was determined by the method of chemiluminescent analysis. Luminol and lucigenin were used as luminescent enhancer. The results were shown that nanoparticles of biogenic ferrihydrite promote the generation of ROS by liver cells.

Keywords: biogenic ferrihydrite, nanoparticles, ROS, chemiluminescent analysis, isolated perfusion, liver.

Введение

В биомедицинских приложениях широко используются наноразмерные частицы оксидов и ги-дроксидов железа. Они рассматриваются как перспективные материалы для магнито-резонансной томографии и управляемой доставки лекарственных препаратов и др. Вместе с этим известно, что наночастицы (на основе железа, титана и др.) могут обладать цито- и генотоксическими свойствами. Обсуждаемый в литературе механизм токсичности наночастиц часто связывают с действием активных форм кислорода (АФК) [1, 2, 3, 4].

Предполагается, что нанокристаллиты оксидов и гидроксидов железа разрушаются внутри клеток. Высвобождающееся в ионной форме железо (в частности, двухвалентное в случае с магнетитом) взаимодействует с перекисью водорода по механизму Фентона, что приводит к росту уровня активных форм кислорода в клетках [3]. Показано, что ци-

тотоксичность наночастиц оксидов и гидроксидов железа, оцениваемая по генерации свободных радикалов при взаимодействии с биологическими тест-объектами, зависит от восстановленности железа. Она снижалась в ряду магнетит - маггемит - гематит. Низкой активностью характеризуются гидрок-сиды железа (гетит, лепидокрокит, ферригидрит) [1, 5, 6]. В то же время в ряде работ замечено, что в реакции разложения перекиси водорода наночастицы гидроксидов железа (в структуре которых отсутствует Fe2+) активнее, чем ион Fe2+ [2].

В связи с этим цель работы - оценка генерации АФК клетками изолированной печени крысы, после введения в перфузионную среду биогенного ферригидрита.

Материалы и методы

Биогенный ферригидрит получали в культуре бактерий, которые культивировали на минерально-солевой среде с цитратом железа в качестве источника углерода и энергии. Образование ферригидрита

происходило вне клеток. После отделения бактерий, внеклеточных продуктов метаболизма и остаточных соединений питательной среды наночастицы ферри-гидрита выделяли в виде золя. Размер наночастиц составлял 2-10 нм, в золях они находились в виде наноразмерных агрегатов [7].

Эксперименты выполнены на крысах-самцах Wistar. Перфузию печени от интактных животных осуществляли с использованием уникальной научной установки «Комплекс оборудования для управляемого культивирования изолированных органов» [8, 9]. Ишемия органа не превышала 7 мин. Общее время перфузии составляло 30 мин. На 15-й мин в перфузионную среду добавляли суспензию частиц биогенного ферригидрита (35 мг/л). Перфузионное давление, которое при постоянной скорости подачи среды отражает сопротивление сосудов и свидетельствует о функциональной целостности органа, контролировали жидкостным манометром.

По окончании перфузии изолированной печени выделяли области, локализованные на периферии органа (группа 1) и близ магистральных сосудов (группа 2), в клетках которых в дальнейшем проводился анализ скорости образования АФК. Контролем служили клетки, выделенные из тех же областей печени интактных крыс.

О генерации АФК в клетках печени судили по параметрам хемилюминесцентной реакции: амплитуда максимальной активности хемилюминесцентной реакции (Imax, имп./с), время достижения максимума (Tmax, мин.) и площадь под кривой хемилю-минесценции (S, имп. за 90 мин.). Величина S характеризует общее количество АФК, генерируемых клетками в течение 90 мин. Для проведения хемилю-минесцентного анализа в кювету вносили 100 мкл суспензии исследуемых клеток (1х106 кл./мл), 200 мкл 2,2х10-4 М люминола (Sigma) или люцигенина (Sigma-Aldrich) в растворе Хенкса (рН=7,4). Для индукции фагоцитоза добавляли 50 мкл взвеси частиц монодисперсного латекса (2,3 мкм, 5*108 частиц/мл, ВНИИСК, С.-Петербург), опсонизированных белками сыворотки крови человека. Образование АФК регистрировали в течение 90 мин. при температуре +37°С на аппаратурно-программном комплексе «Хе-милюминометр CL-3604-ПЭВМ» [10].

Результаты и обсуждение

Для оценки влияния наночастиц на состояние клеток печени использована установка для поддержания искусственного гомеостаза изолированного органа путем управляемой перфузии, которая позволяет исследовать функциональные характеристики и биохимические реакции клеток органа, находящегося вне регуляторных влияний целого организма [11]. По изменению интенсивности спонтанной и активированной хемилюминесценции гомогенатов тканей печени судили о сдвигах, происходящих в антиоксидантной

системе и состоянии клеток в целом. Данный метод высокочувствителен, неинвазивен, применяется в диагностике ряда заболеваний [12, 13].

Эксперименты показали, что введение наночастиц не приводило к изменению тонуса сосудов изолированной печени: перфузионное давление оставалось на уровне контрольных значений, что свидетельствует о нормальной циркуляции жидкости в органе

При анализе динамики хемилюминесценции го-могенатов печени, полученных после управляемой перфузии с добавлением в среду наночастиц, выявлена АФК-генерационная активность клеток на введение золя ферригидрита, выражающаяся в увеличении максимальной интенсивности и объема продукции люминол- и люцигенинзависимых АФК (рис.1, таблица 1).

Для группы 1 (клетки, выделенные из периферической области печени) зарегистрировано достоверное увеличение параметров Imax и S только при спонтанной продукции люцигенинзависимых АФК. В группе 2 отмечено достоверное увеличение объема (S) продукции первичных люцигенинзависимых АФК как при антигенной активации клеток, так и без нее при сокращении времени достижения максимума интенсивности (Tmax). В реакции с люминолом в группе 2 при антигенной активации достоверно увеличивалось только значение максимума интенсивности (Imax).

Выводы

Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что добавление биогенного ферригидрита в перфузионный раствор Кребса стимулирует про-оксидантную активность в отношении продукции первичных АФК клетками, расположенными вблизи магистральных сосудов. Известно, что АФК играют ключевую роль в регуляции многих процессов в клетках: они могут выступать индукторами как адаптации, так и гибели клеток. Поэтому использование наночастиц биогенного ферригидрита, обладающего прооксидантной активностью, при фармакологической регуляции свободно-радикального окисления может являться перспективным направлением в разработке новых средств лекарственной терапии онкологических заболеваний.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование выполнено без привлечения спонсорских средств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Auffan, M.; Achouak, W.; Rose, J.; Roncato, M.-A.; Chaneak, C.; Waite, D. T.; Masion, A.; Woicik, J. C.; Wiesner, M. R.; Bottero, J.-Y. Relation between the Redox State of Iron-Based Nanoparticles and Their Cytotoxicity toward Escherichia coli. EnViron. Sci. Technol. 2008; 42: 6730-6735. doi: 10.1021/es800086f.

HEALTH. MEDICAL ECOLOGY. SCiENCE 3 (70) - 2017 137

2. Voinov M.A., Pagan J.O.S., Morrison E., Smirno-va T.I., Smirnov A.I. Surface-mediated production of hy-droxyl radicals as a mechanism of iron oxide nanoparticle biotoxicity. J. Am. Chem. Soc. 2013; 133: 35-41. doi: 10.1021/ja104683w.

3. Wang B., Yin J.J., Zhou X., Kurash I., Chai Z., Zhao Y., Feng W. Physicochemical Origin for Free Radical Generation of Iron Oxide Nanoparticles in Biomicro environment: Catalytic Activities Mediated by Surface Chemical States. J. Phys. Chem. C. 2013. 117 (1): 383392. doi: 10.1021/jp3101392.

4. Ishchenko L.A., Stolyar S.V., Ladygina V.P., Rai-kher Yu.L., Balasoiu M., Bayokov O.A., Iskhakov R.S., Inzhevatkin E.V. Magnetic properties and application of biomineral particles produced by bacterial culture. Physics Procedia. 2010; 9: 279-282. doi:10.1016/j. phpro.2010.11.062.

5. Chen Z., Yin J.J., Zhou Y.T., Zhang Y., Song L., Song M., Hu S., Gu N. Dual enzyme like activities of iron oxide NPs and their implication for diminishing cytotoxicity. ACS Nano, 2012; 6 (5): 4001-4012. doi: 10.1021/nn300291r.

6. Matta R., Hanna K., Chiron S. Fenton-like oxidation of 2,4,6-trinitrotoluene using different iron minerals. Science of the Total Environment, 2007; 385: 242251. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.06.030.

7. Teremova M.I., Petrakovskaya E.A., Roman-chenko A.S., Tuzikov F.V., Gurevich Yu.L., Tsibina O.V., Yakubailik E.K., Abhilash. Ferritization of industrial waste water and microbial synthesis of iron-based magnetic nanomaterials from sediments. Environmental

Progress and Sustainable Energy. 2016. 35 (5): 14071414. doi: 10.1002/ep.12368.

8. Шадрин КВ., Пахомова В.Г., Крюкова О.В., Рупенко А.П. Устройство и способ определения скорости потребления кислорода изолированной пер-фузируемой печенью крысы // Медицинская техника. 2017; 1(301): 38-40.

9. Шадрин КВ., Пахомова В.Г., Рупенко А.П., Моргулис И.И. Влияние условий подготовки и проведения эксперимента на показатели функционирования изолированной перфузируемой печени крысы. Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2013; 3: 96-102.

10. Макарская Г.В., Тарских С.В., Турицына Е.Г. Люминол- и люцигенинзависимая хемилюминес-ценция клеток цельной крови кур в постнатальном онтогенезе // Российская сельскохозяйственная наука. 2011; 3: 46-48.

11. Нефедов В.П., Самойлов В.А., Гареев Р.А., Ким Т.Д. Управление функциональной активностью органов при перфузии. - Новосибирск: Наука. 1981. - 206 c.

12. Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В. Свободные радикалы и клеточная хемилюминесценция // Успехи биологической химии. 2009; 49: 341-388.

13. Реммель Н.Н., Кратасюк В.А., Мазняк О.М., Инжеваткин Е.В., Нефедов В.П. Биолюминесцентный контроль интенсивности патологических окислительных процессов в клетках перфузируемой печени крыс после гипертермического воздействия // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2003; 135(1): 52-54.

Сведения об авторах

Пахомова Вера Геннадьевна, инженер-исследователь Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН); Россия, Красноярский край г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, 660036; тел. сот.+7 908 208 2436; e-mail: vgpakhomova@mail.ru;

Шадрин Константин Викторович, младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН); старший преподаватель кафедры медицинской кибернетики Красноярского государственного медицинского университета имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого МЗ РФ; Россия, 660036, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, тел. сот. +7908 213 0673; e-mail: kvsh_buffon@mail.ru;

Макарская Галина Владимировна, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН), к.б.н., Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, 660036; тел. сот.+7 908 200 0844; e-mail:makgalvla@ yandex.ru;

Тарских Светлана Вениаминовна, ведущий инженер Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН); Россия, Красноярский край, г. Красноярск ул. Академгородок д 50, 660036; тел. сот. +7 904 894 0040; e-mail: s.tarskikh@inbox.ru;

Рупенко Александр Петрович, научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН); Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, 660036; тел. сот. +7 902 947 5370;

Крюкова Ольга Витальевна, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ КНЦ СО РАН), к.б.н.; Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, 660036; тел. сот. +7 913 171 4063; e-mail: marta913@mail.ru;

Гуревич Юрий Леонидович, главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»; доктор физико-математических наук; Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50, 660036. Тел. сот. +7 902 915 9940; e-mail:btchem@mail.ru.

© Коллектив авторов, 2017 г doi: 10.5281/zenodo.817837

Удк 613.2:614.31

К.М. Сабирова12, Л.В. Кислицина2, П.Ф. Кику1

оценка риска для здоровья населения приморского края от воздействия мышьяка в продуктах питания

1 Дальневосточный Федеральный университет, Школа биомедицины, г. Владивосток

2 ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Приморском крае», г. Владивосток

Представлены результаты сравнительного анализа и оценки риска для здоровья населения, обусловленного потреблением контаминированных мышьяком продуктов питания, реализуемых на территории Приморского края, за период 2011-2016 гг. На основании полученных данных о среднесуточных дозах поступления мышьяка в организм при потреблении основных продуктов питания были определены риски для здоровья населения. Проведена Оценка хронической экспозиции и риска развития неканцерогенных эффектов при действии мышьяка, потребляемого с пищевыми продуктами. Установлено, что для населения Приморского края существует потенциальный риск здоровью от загрязнения продуктов питания мышьяком, как местных, так и импортных. По величине коэффициента опасности мышьяк - наиболее приоритетный загрязнитель пищевых продуктов, потребляемых населением Приморского края. Риск здоровью, в основном, обусловлен контаминацией рыбы, нерыбных объектов промысла, плодоовощной продукции, молока и молочных продуктов.

Ключевые слова: мышьяк, контаминация, продукты питания, оценка риска, здоровье населения, неканцерогенный риск, критические органы и системы организма.

K.M.Sabirova1'2, L. B. Kislitsina2, P. F. Kiku1

RISK ASSESSMENT FoR HEALTH oF PoPULATioN of PRIMoRSKY KRAI

from exposure to arsenic in foods

1 Far Eastern Federal University, School of biomedicine, Vladivostok, Russia

2 FBUZ «Center of hygiene and epidemiology in Primorye Territory», Vladivostok, Russia

Presents the results of a comparative analysis and assessment of the public health risk caused by the consumption of food contaminated with arsenic realized in Primorye territory during the period 2011-2016. On the basis of the obtained data about the average-daily doses of the entering of arsenic into the organism during the consumption of the basic products of nourishment were determined the risks for the health of population. Assessment of chronic exposure and risk of development of non-carcinogenic effects in the action of arsenic consumed with food products is carried out in accordance with Guideline 2.1.10.1920-04. It is established that for the population of Primorye territory there is a potential risk to health from contamination of food products with arsenic, both local and imported. By the value of the hazard factor arsenic is the most priority pollutant of food products consumed by the population of Primorye territory. The health risk is mainly caused by contamination of fish, non-fish fisheries, fruits and vegetables, milk and dairy products.

Keywords: arsenic, contamination, food, risk assessment, public health, non-carcinogenic risk, critical organs and body systems.

Введение. Оценка риска здоровью населения при воздействии химических, физических и биологических факторов - неотъемлемая часть законодательства в сфере обеспечения безопасности продукции и защиты здоровья населения государств - членов Таможенного союза и остального мирового сообщества [1, 3, 9].

Благодаря антропогенной деятельности человека в биосфере образуется множество веществ-загрязнителей (ксенобиотиков), обладающих высокой токсичностью и канцерогенностью, способных легко проникать из окружающей среды в организм человека по пищевым цепям.

HEALTH. MEDiCAL ECOLOGY. SCiENCE 3 (70) - 2017 139