Влияние наночастиц оксида свинца на экспрессию генов антиоксидантной системы и апоптоза в хроническом эксперименте

Введение. Наночастицы оксида свинца (НЧ PbO) попадают в окружающую среду и загрязняют её в результате технологических процессов на промышленных предприятиях. Их негативное влияние на здоровье населения вызывает всё большую обеспокоенность исследователей и необходимость в изучении потенциальных рисков для здоровья от их воздействия. Изучение влияния НЧ PbO на молекулярном уровне у лабораторных животных является первой ступенью в установлении механизмов токсического действия на различные ткани и органы.

Цель исследования — изучить влияние наночастиц оксида свинца (НЧ PbO) на изменение уровня экспрессии генов антиоксидантной системы и апоптоза в хроническом эксперименте.

Материалы и методы. Белых самок крыс породы Wistar разделили на 2 группы, по 10 животных в каждой. НЧ PbO подавались в экспозиционную башню для ингаляции в установке по типу «только нос», где в специальных рестрейнерах опытная группа животных подвергалась хроническому воздействию НЧ PbO в концентрации 0,215 мг/м³ 4 часа в день 5 раз в неделю в течение 8 месяцев. По окончании экспериментального периода проводили полную декапитацию животных и фиксировали фрагменты обонятельной луковицы, гиппокампа, лёгкого и печени, из которых затем выделяли тотальную РНК и синтезировали кДНК. Уровень экспрессии генов GSTP1, GSTM1, SOD2, P53 BAX, BCL-2 определяли с помощью количественной ПЦР. Для статистической обработки данных применяли непараметрический критерий Манна–Уитни.

Результаты. Результаты исследования не выявили статистически значимых различий между уровнями экспрессии всех анализируемых генов в печени крыс. Уровень экспрессии гена GSTP1 в обонятельной луковице опытной группы был достоверно выше, а в тканях гиппокампа и лёгкого был значительно снижен по сравнению с контрольной группой. Уровни экспрессии генов P53 и BCL-2 в обонятельной луковице опытной группы были достоверно ниже, а соотношение BAX/BCL-2 значительно увеличилось по сравнению с контрольной группой.

Ограничения исследования. Данное исследование было проведено на самках крыс линии Wistar и не рассматривает возможные межполовые различия.

Заключение. При хронической ингаляционной экспозиции НЧ PbO в концентрации 0,215 мг/м³ 4 часа в день 5 раз в неделю в течение 8 месяцев были выявлены изменения экспрессии генов в структурах головного мозга и лёгкого, но не в печени крыс. Увеличение соотношения BAX/BCL-2 свидетельствует об апоптотических процессах в ткани обонятельной луковицы. Для уточнения механизмов токсического действия НЧ PbO на молекулярном уровне необходимы дальнейшие исследования.

Этика. Заключение локального этического комитета ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора: содержание, питание, уход за животными и выведение их из эксперимента осуществляли в соответствии с рекомендациями ARRIVE guidelines. Исследования были одобрены локальным этическим комитетом ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора (протокол № 4 от 12.07.2022 г.).

Участие авторов:
Кикоть А.М. — концепция и дизайн исследования, сбор материала и обработка данных, написание текста;
Берёза И.А. — концепция и дизайн исследования, сбор материала и обработка данных, написание текста;
Шаихова Д.Р. — концепция и дизайн исследования, сбор материала и обработка данных, написание текста;
Рябова Ю.В. — сбор материала и обработка данных, редактирование;
Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования, редактирование;
Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

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

Дата поступления: 25.04.2024 / Дата принятия к печати: 07.05.2024 / Дата публикации: 20.06.2024

1. Yang W., Wang L., Mettenbrink E.M., DeAngelis P.L., Wilhelm S. Nanoparticle toxicology. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2021; 61: 269–89. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-032320-110338

2. Sengul A.B., Asmatulu E. Toxicity of metal and metal oxide nanoparticles: A review. Environ. Chem. Lett. 2020; 18: 1659–83. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01033-6

3. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Minigalieva I.A., Gurvich V.B., Shur V.Y., 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. Nanomedicine and Nanotoxicology. Springer, Singapore; 2017: 259–319. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5864-6_11

4. Dabour K., Al Naggar Y., Masry S., Naiem E., Giesy J.P. Cellular alterations in midgut cells of honey bee workers (Apis millefera L.) exposed to sublethal concentrations of CdO or PbO nanoparticles or their binary mixture. Sci Total Environ. 2019; 15(651): 1356–1367. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.311

5. Dumková J., Smutná T., Vrlíková L., Le Coustumer P., Večeřa Z., Dočekal B., et al. Sub-chronic inhalation of lead oxide nanoparticles revealed their broad distribution and tissue-specific subcellular localization in target organs. Part. Fibre Toxicol. 2017; 14(1): 55. https://doi.org/10.1186/s12989-017-0236-y

6. Khalaf A.A., Hassanen E.I., Azouz R.A., Zaki A.R., Ibrahim M.A., Farroh K.Y., et al. Ameliorative effect of zinc oxide nanoparticles against dermal toxicity induced by lead oxide in rats. Int. J. Nanomedicine. 2019; 14: 7729–41. https://doi.org/10.2147/IJN.S220572

7. Wang Y., Ding L., Yao C., Li C., Xing X., Huang Y., et al. Toxic effects of metal oxide nanoparticles and their underlying mechanisms. Sci. China Mater. 2017; 60: 93–108. https://doi.org/10.1007/s40843-016-5157-0

8. El-Shetry E.S., Mohamed A.A., Khater S.I., Metwally M.M.M., Nassan M.A., Shalaby S., et al. Synergistically enhanced apoptotic and oxidative DNA damaging pathways in the rat brain with lead and/or aluminum metals toxicity: Expression pattern of genes OGG1 and P53. J. Trace Elem. Med. Biol. 2021; 68: 126860. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2021.126860

9. Redza-Dutordoir M., Averill-Bates D.A. Activation of apoptosis signalling pathways by reactive oxygen species. Biochim. Biophys. Acta. 2016; 1863(12): 2977–92. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2016.09.012

10. Tee J.K., Ong C.N., Bay B.H., Ho H.K., Leong D.T. Oxidative stress by inorganic nanoparticles. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 2016; 8(3): 414–38. https://doi.org/10.1002/wnan.1374

11. Ghooshchian M., Khodarahmi P., Tafvizi F. Apoptosis-mediated neurotoxicity and altered gene expression induced by silver nanoparticles. Toxicol. Ind. Health. 2017; 33(10): 757–64. https://doi.org/10.1177/0748233717719195

12. Zhang W., Gao J., Lu L., Bold T., Li X., Wang S., et al. Intracellular GSH/GST antioxidants system change as an earlier biomarker for toxicity evaluation of iron oxide nanoparticles. NanoImpact. 2021; 23: 100338. https://doi.org/10.1016/j.impact.2021.100338

13. Nebert D.W., Vasiliou V. Analysis of the gluthianone-S-transferase (GST) gene family. Hum. Genom. 2004; 1(6): 460–4. https://doi.org/10.1186/1479-7364-1-6-460

14. Setyawati M.I., Tay C.Y., Leong D.T. Effect of zinc oxide nanomaterials-induced oxidative stress on the p53 pathway. Biomaterials. 2013; 34(38): 10133–42. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.09.024

15. Alarifi S., Ali H., Alkahtani S., Alessia M.S. Regulation of apoptosis through BCL-2/BAX proteins expression and DNA damage by nano-sized gadolinium oxide. Int. J. Nanomedicine. 2017; 12: 4541–51. https://doi.org/10.2147/IJN.S139326

16. Bai J., Meng Z. Expression of apoptosis-related genes in livers from rats exposed to sulfur dioxide. Toxicology. 2005; 216(2–3): 253–60. https://doi.org/10.1016/j.tox.2005.08.016

17. Sadi G., Baloğlu M.C., Pektaş M.B. Differential gene expression in liver tissues of streptozotocin-induced diabetic rats in response to resveratrol treatment. PLoS One. 2015; 10(4): e0124968. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0124968

18. Živančević K., Baralić K., Jorgovanović D., Djordjević A.B., Ćurčić M., Miljaković E.A., et al. Elucidating the influence of environmentally relevant toxic metal mixture on molecular mechanisms involved in the development of neurodegenerative diseases: In silico toxicogenomic data-mining. Environ. Res. 2021; 194: 110727. https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.110727

19. Huynh H., Upadhyay P., Lopez C.H., Miyashiro M.K., Van Winkle L.S., Thomasy S.M., et al. Inhalation of silver silicate nanoparticles leads to transient and differential microglial activation in the rodent olfactory bulb. Toxicol. Pathol. 2022; 50(6): 763–75. https://doi.org/10.1177/01926233221107607

20. Hu Q., Wang H., He C., Jin Y., Fu Z. Polystyrene nanoparticles trigger the activation of p38 MAPK and apoptosis via inducing oxidative stress in zebrafish and macrophage cells. Environ. Pollut. 2021; 269: 116075. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116075

21. Al-Zahaby S.A., Farag M.R., Alagawany M., Taha H.S.A., Varoni M.V., Crescenzo G., et al. Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) induce cytotoxicity in the zebrafish olfactory organs via activating oxidative stress and apoptosis at the ultrastructure and genetic levels. Animals (Basel). 2023; 13(18): 2867. https://doi.org/10.3390/ani13182867

22. Zhang G.J., Kimijima I., Onda M., Kanno M., Sato H., Watanabe T., et al. Tamoxifen-induced apoptosis in breast cancer cells relates to down regulation of bcl-2, but not bax and bcl-X(L), without alteration of p53 protein levels. Clin. Cancer Res. 1999; 5(10): 2971–7.

23. Ogundele O.M., Sanya O.J. BAX modulates neuronal survival while p53 is unaltered after cytochrome C induced oxidative stress in the adult olfactory bulb in vivo. Ann. Neurosci. 2015; 22(1): 19–25. https://doi.org/10.5214/ans.0972.7531.220105

24. Dumková J., Smutná T., Vrlíková L., Kotasová H., Dočekal B., Čapka L., et al. Variability in the clearance of lead oxide nanoparticles is associated with alteration of specific membrane transporters. ACS Nano. 2020; 14(3): 3096–120. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b08143