Skip to Content

Оценка окислительного стресса при воздействии наночастиц селена на эритроциты крови

ID: 2021-09-27-A-19627
Оригинальная статья (свободная структура)
ФГБОУ ВО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского» Минздрава России, Кафедра гистологии, эмбриологии, цитологии

Резюме

В данной работе исследована концентрационно-зависимая гемотоксичность наночастиц элементарного селена (НЧSe) в отношении эритроцитов крови белых беспородных крыс. Показано, что токсический эффект, проявляющийся в увеличении продукции супероксиддисмутазы и каталазы в ответ на повышение в эритроцитах уровня супероксидного анион-радикала и перекиси водорода, в значительной степени зависит от концентрации раствора НЧSe и их размера. В частности, исследуемые в данной работе НЧSe наименьшего размера демонстрировали большую способность вызывать окислительный стресс, чем те же наночастицы большего размера.

Ключевые слова

наночастицы, селен, окислительный стресс, эритроциты

Статья

Введение.

Ceлен (Se) – важнейший микроэлемент, демонстрирующий фундаментальную значимость для здоровья человека. Являясь составной частью многих селенопротеинов, он выполняет ряд таких физиологических функций, как защита от окислительного стресса, участие в транспорте кальция в клетке и фолдинге белков, регулирование углеводного обмена и т.д. (1). Показано, что неоптимальный статус селена в организме может приводить к снижению иммунитета, повышению риска развития сердечно-сосудистых заболеваний (2), нарушениям развития нервной системы (3) и нейродегенеративным заболеваниям (4). Особый интерес во время пандемии COVID-19 представляет значение селена для устойчивости к РНК-вирусам и хроническим воспалительным состояниям (5).

Токсичный уровень селена отличается от необходимого всего на один порядок, что делает этот микроэлемент не похожим ни на один другой. Примечательно, что изучение биологических свойств селена в форме наночастиц показало заметно сниженные показатели токсичности, в отличие от иных форм селено-содержащих соединений (6). Именно по этой причине, в литературе широко обсуждаются перспективы использования таких наночастиц для различного рода биомедицинских применений.  

Кровь – важнейшая жидкая составляющая внутренней среды организма, которая прямо или косвенно сталкивается с наночастицами при их попадании в организм. Несмотря на активные исследования НЧSe, их гемотоксичность и гемосовместимость остаются в значительной степени неизвестными. Исходя из этого, крайне необходимо изучить нанотоксичность НЧSe для крови, особенно для эритроцитов. В частности, недостаточно изучен вопрос риска развития окислительных реакций, приводящих к деструкции жизненно важных форменных элементов крови – эритроцитов, что подчеркивает значимость и актуальность данной работы.

Цель работы: определить уровень окислительного стресса в эритроцитах крови белых беспородных крыс при воздействии НЧSe различной концентрации.

Задачи:

1. Получить препараты НЧSe с конечными концентрациями 5, 10 и 20 мкг/мл.

2. С помощью методов динамического светорассеяния (ДРС) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) оценить морфологию, однородность и распределение по размерам полученных НЧSe.

3. Определить биохимические показатели активности супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы в гемолизате эритроцитов крови белых беспородных крыс при воздействии НЧSe различной концентрации.

Материалы и методы.

Для получения препаратов НЧSe использовали метод на основе восстановления селенистой кислоты в водной среде с образованием красно-оранжевого раствора наночастиц элементарного Se (9). Путем последовательного повышения концентрации используемых веществ, готовили растворы НЧSe с конечными концентрациями 5, 10 и 20 мкг/мл. Методом динамического светорассеяния (ДРС) определяли распределение по размерам образованных в результате восстановления селенистой кислоты наноструктур. С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) определяли морфологию и степень однородности НЧSe. Биохимические показатели активности супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы определяли в гемолизате эритроцитов крови белых беспородных крыс. Кровь собирали в пробирки с 1,8% раствором цитрата натрия и центрифугировали при 1500 об/мин в течение 10 мин. Полученный осадок эритроцитов ресуспендировали в 10,0 мл охлажденного 0,9% раствора NaCl, далее образцы осаждали путем центрифугирования при 1500 об/мин в течение 10 мин. Плотный осадок эритроцитов трижды отмывали раствором 0,9% NaCl и использовали для получения гемолизата. 1% гемолизат эритроцитов получали путем лизирования дистиллированной водой в соотношении 1:100, активно встряхивали и инкубировали при + 40С в течение 30 минут. Активность СОД и каталазы определяли спектрофотометрическими методами (7, 8). Для непосредственной оценки уровня ферментов готовили инкубационную взвесь: к 1 мл гемолизата при постоянном перемешивании добавляли 1 мл раствора исследуемых НЧSe в концентрациях 5, 10 и 20 мкг/мл. Полученные взвеси инкубировали при 37 °C при постоянном перемешивании (140 об./мин.). В качестве контроля готовили образцы гемолизата с добавлением эквивалентного объема физиологического раствора (ФР). Математическую обработку полученных результатов осуществляли, используя методы вариационной статистики, с помощью программ статистического анализа Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение.

Хорошо известно, что токсичность соединений селена снижается при переходе от его ионных форм к органическим соединениям и минимальна для элементарного селена в нулевой степени окисления. Также, считается, что вещества в наноразмерном диапозоне обладают способностью проникать через биологические барьеры организма, такие как стенка капилляров, клеточные мембраны и т.д. Выше сказанное определяет актуальность создания и изучения нанокомпозитов, имеющих в своем составе селен в степени окисления 0, например как исследуемые нами НЧSe. В данной работе было проведено исследование гемотоксичности НЧSe различной концентрации в отношении эритроцитов крови, выражающееся в виде возможного оксидативного стресса. Первоначально готовили препараты НЧSe с конечными концентрациями 5, 10 и 20 мкг/мл. Метод ПЭМ показал, что НЧSe, полученные в результате восстановления селенистой кислоты, имеют сферическую форму, достаточно однородные, без каких-либо признаков агрегации. На основании данных метода ДРС были выявлены средние диаметры НЧSe в растворах с концентрациями 5, 10 и 20 мкг/мл, которые составили ≈ 25-30, 47-50 и 100 нм, соответственно. Дзета-потенциал исследуемых НЧSe варьировал в диапозоне -20,5 – -24,3 мВ, что говорит об их достаточной устойчивости к агрегации. В качестве маркеров окислительного стресса в эритроцитах были выбраны такие ферменты, как СОД и каталаза. Широко известно, что каталаза в эритроцитах находится в функциональном комплексе с СОД (10). Внутриклеточное антиоксидантное действие данных ферментов выражается в снижении высоких концентраций супероксидного анион-радикала и перекиси водорода, что обеспечивает организму человека защиту от окислительного стресса. Активность СОД и каталазы в эритроцитах зависела от концентрации раствора НЧSe и их размера. При воздействии НЧSe в концентрации 5 мкг/мл активность ферментов достигала высокого уровня, в то время как она была ниже при воздействии раствора частиц с концентрациями 10 и 20 мкг/мл. Очевидно, что наблюдаемый эффект связан с активизацией процессов образования активных форм кислорода в эритроцитах, что и приводит к увеличению продукции антиоксидантных ферментов. Эритроциты, обработанные раствором НЧSe в концентрации 20 мкг/мл не демонстрировали значительного увеличения активности СОД и каталазы по сравнению с контролем, как представлено в Таблице 1. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что большую токсичность, проявляющуюся в увеличении продукции антиоксидантных ферментов эритроцитами, проявляют частицы меньшего размера, содержащиеся в растворе с конечной концентрацией 5 мкг/мл. Окислительный стресс, индуцированный НЧSe меньшего размера, можно объяснить прямым взаимодействием частиц с эритроцитами, что приводит к нежелательным явлениям (11). В целом, результаты показывают, что размер и концентрация НЧSe – критический фактор, влияющий на взаимодействие между частицами и форменными элементами крови, в частности эритроцитами.

Заключение.

Таким образом, в данной работе успешно исследована концентрационно-зависимая гемотоксичность НЧSe в отношении эритроцитов крови белых беспородных крыс. Воздействие НЧSe в концентрации 5 мкг/мл приводит к увеличению в эритроцитах содержания супероксидного анион-радикала и перекиси водорода, что неизбежно ведет к повышению уровня ферментов СОД и каталазы, стремящихся нивелировать вызываемый окислительный стресс. Полученные в данной работе результаты позволяют сделать вывод, что размер и концентрация частиц являются одними из критических факторов, влияющих на взаимодействие между НЧSe и эритроцитами крови.

Литература

1. Rayman M. P. The importance of selenium to human health // The lancet. 2000. V. 356. N. 9225. P. 233-241.

2. Selenium status in the body and cardiovascular disease: a systematic review and meta-analysis / Kuria A. [et al.] // Critical reviews in food science and nutrition. 2020. P. 1-10.

3. Impact of maternal selenium status on infant outcome during the first 6 months of life / Varsi K. [et al.] // Nutrients. 2017. V. 9. N. 5. P. 486.

4. Treatment strategies in Alzheimer’s disease: a review with focus on selenium supplementation / Aaseth J. [et al.] // Biometals. 2016. V. 29. N. 5. P. 827-839.

5. Early nutritional interventions with zinc, selenium and vitamin D for raising anti-viral resistance against progressive COVID-19 / Alexander J. [et al.] // Nutrients. 2020. V. 12. N. 8. P. 2358.

6. Wang H., Zhang J., Yu H. Elemental selenium at nano size possesses lower toxicity without compromising the fundamental effect on selenoenzymes: comparison with selenomethionine in mice // Free Radical Biology and Medicine. 2007. V. 42. N. 10. P. 1524-1533.

7. Сирота Т.В. Новый подход в исследовании процесса аутоокисления адреналина и его использование для измерения активности супероксиддисмутазы // Вопросы медицинской химии. 1999. № 3. С. 263-272.

8. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарев В.Е. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. 1988. № 1. С. 16-19.

9. Валуева С.В., Суханова Т.Е., Боровикова Л.Н., Вылегжанина М.Э., Матвеева Н.А., Гельфонд М.Л. Самоорганизация и структура селенсодержащих биологически активных наносистем // Электронный журнал «Структура и динамика молекулярных систем». 2011. № 10. С. 3-11.

10. Карбышев М.С., Абдуллаев Ш.П. Биохимия оксидативного стресса: учебно-методическое пособие. ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова Минздрава России, М.: Издательство ХХ, 2018. 60 с.

11. Материалы, производимые по нанотехнологиям: потенциальный риск при получении и использовании / Андреев Г.Б. [и др.] // Российский химический журнал. 2008. Т. 52. №. 5. С. 32-38.

Таблицы

Таблица 1. Активность СОД и каталазы в эритроцитах крови при воздействии НЧSe различной концентрации

Концентрация НЧSe в растворе

(мкг/мл)

СОД, эритроциты

(у.е./мг Hb)

Каталаза, эритроциты

(ммоль/мин/г Hb)

5

2,88±0,01*

36,7±1,5*

10

1,87±0,02

33,8±1,1

20

1,22±0,04

31,9±1,6

Контроль

(эквивалентный объем ФР)

1,02±0,02*

30,5±1,7*

Примечание. * – достоверность (р<0,05) различий с контролем;

0
Ваша оценка: Нет



Яндекс.Метрика