Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗА НА СОСТОЯНИЕ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В КРОВИ КРЫС С ФИБРОСАРКОМОЙ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ПРОТИВООПУХОЛЕВОМ ЭФФЕКТЕ

Горошинская И.А. 1 Качесова П.С. 1 Бородулин В.Б. 2 Немашкалова Л.А. 1
1 ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский институт» Министерства здравоохранения РФ
2 ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения РФ
Настоящая статья посвящена исследованию влияния железа в наноформе (дисперсность частиц 30–50 нм) на процессы свободнорадикального окисления липидов в крови здоровых животных и животных с саркомой 45. Показано, что восьмикратное введение наночастиц в разовой дозе 1,25 мг/кг массы тела вызывало регрессию или торможение роста опухоли в 66,6 % случаев (у 12 животных из 18), причем интратуморальное введение оказалось эффективнее внутрибрюшинного: у двух третей животных рост опухоли был снижен в 4–7 раз по сравнению с контрольной группой, а у остальных животных наблюдалась полная резорбция опухолевого очага. У животных без опухоли введение наночастиц железа в указанных дозах не приводило к существенному изменению процессов перекисного окисления липидов и антирадикальной защиты. У животных с саркомой-45 происходило увеличение концентрации малонового диальдегида (МДА), вторичного продукта ПОЛ: в эритроцитах на 66 % (р < 0,05), в плазме крови на 141 % (р < 0,05), что указывало на усиление окислительных процессов. В группе животных, в которой наблюдался противоопухолевый эффект после введения наночастиц, выявлены нормализация содержания МДА и восстановление баланса антиоксидантных ферментов в эритроцитах, в плазме была показана активация антиоксидантных механизмов крови – увеличение активности каталазы (р < 0,05). У животных без эффекта был выявлен дисбаланс оксидантно-антиоксидантной системы в крови, что проявлялось в увеличении содержания МДА в эритроцитах, снижении активности церулоплазмина и максимальном значении МДА в плазме. Таким образом, изменение интенсивности окислительных процессов в крови животных-опухоленосителей, может способствовать развитию антибластомного эффекта при введении наночастиц железа.
наночастицы железа
окисление липидов
антиоксидантные ферменты
саркома 45
противоопухолевый эффект
1. Арутюнян А.В., Дубинина Е.Е., Зыбина Н.Н. Методы оценки свободнорадикального окисления и антиоксидантной системы организма: методические рекомендации. – СПб.: ИКФ «Фолиант», 2000. – 104 с.
2. Глущенко H.H., Богословская O.A., Ольховская И.П. Физико-химические закономерности биологического действия высокодисперсных порошков металлов // Химическая физика. – 2002. Т. 21, № 4. – С. 79–85.
3. Горошинская И.А. Интенсивность хемилюминесценции, состояние антиоксидантной системы и окислительная модификация белков плазмы крови при развитии рецидива рака яичников / Горошинская И.А., Неродо Г.А., Сурикова  Е.И., Качесова П.С., Внуков В.В., Шалашная Е.В., Нескубина И.В., Немашкалова Л.А., Максимова Н.А., Сергеева  М.М. // Сибирский онкологический журнал. – 2013. Т. 26, № 4 (58). – С. 45–49.
4. Качесова П.С. Состояние свободнорадикальных процессов в эритроцитах больных сарком мягких тканей / Качесова П.С., Горошинская И.А., Андрейко Е.А., Аушева  Т.В., Шалашная Е.В., Сурикова Е.И., Немашкалова Л.А. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 4. – С. 67–70.
5. Новицкий В.В. Молекулярные нарушения мембран эритроцитов при патологии разного генеза являются типовыми реакциями организма: контуры проблемы / Новицкий  В.В., Рязанцев Н.В., Степовая Е.А., Федорова Т.С., Кравец Е.Б., Иванова В.В., Жаворонок Т.В., Часовских Н.Ю., Чудакова О.М., Бутусова В.Н., Яковлева Н.М. // Бюлл. сибирской медицины. – 2006. – № 2. – С. 62–69.
6. Патент РФ № 2506971. Способ подавления опухолевого роста в эксперименте / Кит О.И., Горошинская И.А., Качесова П.С., Светицкий П.В., Светицкий А.П. // Заявл. 21.09.2009.
7. Сазонтова Т.Г., Архипенко Ю.В. Значение баланса прооксидантов и антиоксидантов – равнозначных участников метаболизма // Пат. физиология и эксперим. терепия. – 2007. – № 3. – С. 2–18.
8. Borodulin V.B. Study of the Biological Effect of Iron Nanoparticles / Borodulin V.B., Goroshinskaya I.A., Kachesova  P.S., Babushkina I.V., Polozhentsev O.E., Durnova N.A., Vasiliadis R.A., Losev O.E., and Chesovskih Yu.S. / Nanotechnologies in Russia. – 2015. – Vol. 10. – № 3–4. – P. 268–277.
9. Cabigas E.B. Over-Expression of Catalase in Myeloid Cells / Cabigas E.B., Somasuntharam I., Brown M.E., Pao Lin Che., Pendergrass K.D., Chiang B., Taylor W.R., Davis M.E. // Int. J. Mol. Sci. 2014, 15, 9036-9050; doi:10.3390/ijms15059036.
10. Conde J., Doria G., Baptista P. Noble Metal Nanoparticles Applications in Cancer // J. of Drug Delivery. 2012. Vol. 2012. Article ID 751075. 12 pp. doi:10.1155/2012/751075
11. Frezza M. Novel metals and metal complexes as platforms for cancer therapy / Frezza M., Hindo S., Chen D., Davenport A., Schmitt S., Tomco D., Dou Q.P. // J. Current Pharmaceutical Design. – 2010. – Vol. 16 (16). – P. 1813–1825.
12. Usha Singh Gaharwar, Paulraj R. Iron Oxide Nanoparticles Induced Oxidative Damage in Peripheral Blood Cells of Rat // J. Biomedical Science and Engineering. 2015. Vol. 8. P. 274–286. doi.org/10.4236/jbise.2015.84026.
13. Wang J.M., Xiao B.L., Zheng J.W., Chen H.B., Zou  S.Q. Effect of targeted magnetic nanoparticles containing 5-FU on expression of bcl-2, bax and caspase 3 in nude mice with transplanted human liver cancer // World J. Gastroenterol. – 2007. – № 13. – P. 3171–3175.
14. Xiaowei D., Russell J.M. Nanomedicinal strategies to treat multidrug-resistant tumors: current progress // Nanomedicine (Lond). – 2010. – Vol. 5 (4). – P. 597–615. doi: 10.2217/nnm.10.35.
15. Yu M.K., Park J., Jon S. Targeting strategies for multifunctional nanoparticles in cancer imaging and therapy // Theranostics. – 2012. – Vol. 2 (1). – P. 3–44. doi: 10.7150/thno.3463.

Одно из основных направлений повышения эффективности лекарственной терапии рака связано с поиском новых противоопухолевых агентов, обладающих большей антибластической активностью (в том числе, по отношению к химиорезистентным опухолям), специфичностью и не оказывающих повреждающего действия на организм [14]. Большое внимание в области разработки новых противоопухолевых средств уделяется исследованию агентов на основе переходных d-металлов. Интерес к d-металлам определяется не только их способностью подавлять рост клеток, но и участием в разнообразных физиологических функциях, поскольку многие представители этой группы являются эссенциальными микроэлементами [11].

Развитие нанотехнологий и внедрение их в медицину приобрело большое значение для онкологии. Так, для таргетной терапии опухолей используются функционализированные различными лигандами наночастицы металлов, показана эффективность лечения рака печени с помощью нацеливания магнитных наночастиц, содержащих 5-фторурацил [15, 13]. Металлические наночастицы также используются в качестве контейнеров для доставки лекарственных средств к тканям-мишеням, проведения гипертермии, фотодинамической и радиотерапии [10]. В качестве самостоятельных лекарственных средств наночастицы переходных металлов пока не нашли применения, имеются лишь отдельные исследования по использованию наночастиц металлов в ветеринарии и экспериментальной онкологии [6]. На наш взгляд, использование различных наноконструкций d-металлов в качестве самостоятельных противоопухолевых средств может быть перспективным, поскольку в ультрадисперсной форме они обладают пролонгированным действием и меньшей токсичностью по сравнению с солями [2].

Поскольку к проявлениям биологической активности наночастиц относят их способность вызывать развитие окисидативного стресса, что может привести к гибели клеток [12], мы сочли интересным изучить изменение ряда показателей, характеризующих активность и регуляцию свободнорадикального окисления в крови животных-опухоленосителей, в зависимости от выраженности антибластомного эффекта наночастиц металлического железа.

В опытах in vivo нами изучено влияние наночастиц железа на рост перевиваемой фибросаркомы крыс (экспериментальная опухоль – саркома 45, получена из банка опухолевых штаммов Российского Онкологического Центра РАМН) и ряд показателей, отражающих состояние свободнорадикальных процессов в крови животных-опухоленосителей. Всего в исследовании было использовано 76 нелинейных крыс-самцов: 39 животных с саркомой 45 и 37 крыс без опухоли.

Использовали нанопорошки железа, полученные из крупнодисперсных порошков с помощью плазменной технологии, основанной на испарении сырья (крупнодисперсного порошка или прутка) в плазменном потоке с температурой 5000–6000 К и конденсации пара до ультрадисперсных частиц требуемого размера (дисперсность частиц 30–50 нм). Форма наночастиц была близка к сферической. Исследование структуры наночастиц и их растворов в 0,9 % NaCl методом рентгеновской спектроскопии на основе анализа тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в области края поглощения (XANES – X-ray absorption near edge spectroscopy) показало, что наночастицы представляли собой металлическое железо в оксидной оболочке и что в 0,9 % NaCl наночастицы не окислялись [8].

Наночастицы (НЧ) железа суспендировали в физиологическом растворе непосредственно перед использованием и вводили животным 8-кратно по 4 введения в неделю с 5-дневным перерывом после 4-го введения. Разовая доза НЧ составила 1,25 мг/кг массы, курсовая – 10 мг/кг. Использовали два способа введения наночастиц: локально в опухоль и внутрибрюшинно. В контрольной группе животным-опухоленосителям внутрибрюшинно вводили 0,9 %-й раствор хлорида натрия (по 0,3 мл). Введение наночастиц начинали при достижении размеров опухоли в среднем 1,24 ± 0,17 см3 (от 0,16 до 2,64 см3). Забой животных осуществляли на 23–26-е сутки после перевивки опухоли. Критериями оценки влияния НЧ железа на рост экспериментальных опухолей служили индекс эффективности и процент торможения роста опухоли – ТРО (по объему опухоли – Тv %, по массе опухоли – Тm %).

Для оценки влияния введения животным наночастиц железа на состояние окислительного метаболизма был исследован ряд показателей, характеризующих интенсивность перекисного окисления липидов и функционирование антиоксидантной системы крови. Интенсивность липопероксидации оценивали по накоплению в эритроцитах и плазме крови продуктов реакции с тиобарбитуровой кислотой в пересчете на концентрацию малонового диальдегида (МДА), как наиболее изученного продукта перекисного окисления липидов [1]. Для оценки состояния антиоксидантной системы в 1 % гемолизатах эритроцитов определяли активность супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы, в плазме крови определяли каталазную активность, а также оценивали оксидазную активность церулоплазмина [1]. Значения биохимических показаний, полученные у экспериментальных животных, как с введением, так и без введения (контрольная группа) наночастиц железа, сопоставлялись со значениями этих показателей у интактных крыс. Для оценки воздействия наночастиц на процессы окисления в организме здоровых животных в исследование была включена группа крыс без опухоли (группа сравнения), которая получала внутрибрюшинные инъекции взвеси наночастиц в указанных выше дозах по аналогичной схеме.

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием пакета статистических программ «Statistica 6.0». Различия считали статистически значимыми при p < 0,05 и более.

У животных с саркомой 45 регрессия или торможение роста опухоли при введении НЧ железа наблюдались в 66,6 % случаев (у 12 животных из 18): при интратуморальном введении НЧ – у всех животных, при внутрибрюшинном введении НЧ – у половины животных. Процент ТРО составил: по объёму опухоли (Тv %) – 49,3 % (р < 0,05), по массе опухолевого узла (Тm %) – 53,4 % (р < 0,05). Индекс эффективности воздействия наночастиц железа составил 2,15. Введение наноразмерного железа локально в опухоль оказалось более эффективным по сравнению с внутрибрюшинным введением. Так торможение роста опухоли при интратуморальном введении железа было почти втрое выше, чем при внутрибрюшинном введении, при этом у двух третей животных рост опухоли был снижен в 4–7 раз по сравнению с контрольной группой, а у остальных животных наблюдалась полная резорбция опухолевого очага.

Анализ полученных данных показал, что введение взвеси наночастиц металлического железа животным без опухоли в указанных дозах не приводило к существенному изменению изученных показателей антирадикальной защиты. Отмечалось лишь незначительное повышение каталазной активности в эритроцитах (на 22,0 %), которое, вероятнее всего, носило компенсаторный характер в ответ на стимуляцию окислительных процессов наночастицами [9]. В то же время мы не наблюдали развития выраженных проявлений оксидативного стресса, так как содержание МДА, промежуточного продукта ПОЛ, сохранялось на уровне нормативных величин (таблица).

Некоторые показатели состояния свободнорадикальных процессов в крови крыс с саркомой 45 при различной эффективности противоопухолевого действия НЧ железа (M ± m)

Показатели

Интактная

группа,

n = 27

Группа

сравнения,

n = 10

Контрольная группа,

n = 21

Введение наночастиц железа

без эффекта, n = 6

с эффектом, n = 12

СОД

Усл.ед.актив./мг, Hb

478,9 ± 27,2

451,1 ± 29,7

486,2 ± 27,5

452,0 ± 40,1

р2 < 0,05

384,8 ± 11,6

р < 0,05

р1 < 0,05

рк < 0,05

Каталаза эритр.,

МЕ/мг Hb

129,2 ± 5,1

157,6 ± 6,87

р < 0,05

115,25 ± 7,54

р1 < 0,05

82,84 ± 4,58

р < 0,001

р1 < 0,05

рк < 0,05

86,6 ± 2,54

р < 0,001

р1 < 0,05

рк < 0,001

МДА эритр.,нмоль/мг Hb

4,75 ± 0,43

4,21 ± 0,30

7,89 ± 0,74

р < 0,001

р1 < 0,05

6,54 ± 0,70

р < 0,05

р1 < 0,05 р2 < 0,05

5,05 ± 0,31

рк < 0,05

Каталаза плазма,

МЕ/л

45,04 ± 3,33

47,9 ± 6,55

59,46 ± 3,50

р < 0,01

51,32 ± 8,22

р2 < 0,05

73,75 ± 5,38

р < 0,001

р1 < 0,05

рк < 0,05

ЦП плазмы,

мкМ/л

1,973 ± 0,134

1,995 ± 0,070

2,203 ± 0,220

1,109 ± 0,077

р < 0,01

р1 < 0,05

рк < 0,01

1,770 ± 0,239

МДА плазмы,

нмоль/мл

3,59 ± 0,61

3,88 ± 0,81

8,65 ± 0,96

р < 0,001

р1 < 0,05

9,44 ± 1,71

р < 0,01

р1 < 0,05

8,82 ± 0,89

р < 0,001

р1 < 0,05

Примечание. р – статистическая значимость различий по сравнению с группой интактных животных; рк – статистическая значимость различий по сравнению с контрольной группой; р1 – статистическая значимость различий по сравнению с группой сравнения; р2 – статистическая значимость различий между группами без эффекта и с эффектом.

У животных с саркомой 45 отмечался рост активности каталазы в плазме на 32,0 % (таблицы). Несмотря на то, что мы не выявили существенных изменений показателей, отражающих напряжённость антиоксидантных процессов, увеличение концентрации МДА как в эритроцитах – на 66,1 %, так и в плазме крови – на 140,9 %, указывало на усиление оксидантных процессов. Таким образом, при опухолевом росте наблюдалась системная интенсификация процессов перекисного окисления липидов, свидетельствовавшая о несостоятельности регуляции процессов свободнорадикального окисления. Дисбаланс в системе антиоксидантной защиты характерен для злокачественных новообразований различной локализации [3, 4].

После введения наночастиц железа у животных-опухоленосителей наблюдались разнонаправленные изменения изучаемых процессов, которые были взаимосвязаны с полученным антибластомным эффектом. У крыс без эффекта (рост опухоли) наблюдалось уменьшение активности каталазы в эритроцитах, как по отношению к интактным животным, так и значениям в контрольной группе – на 35,9 % и 28,1 % соответственно (таблица). В плазме крови имело место снижение оксидазной активности церулоплазмина по отношению к интактной группе – на 43,8 %, по отношению к контрольной группе – на 49,7 %. Снижение защитных антирадикальных механизмов привело к накоплению МДА по отношению к нормативным значениям: в эритроцитах – на 37,7 %, в плазме более чем в 2,6 раза. Отметим, что у животных данной группы показатели МДА не отличались от значений в контроле. Следовательно, несмотря на дисбаланс в системе «оксидантные-антиоксидантные процессы», введение наночастиц металлического железа не вызывало дополнительного усиления процессов липопероксидации при опухолевом росте.

При развитии терапевтического эффекта (регрессия или торможение роста опухоли) в эритроцитах наблюдалось уменьшение активности СОД (на 19,6 %) и каталазы (на 33,0 %) по отношению к норме. Поскольку изучаемые ферменты являются индуцибельными [7], снижение напряженности в работе ферментативного каскада «СОД-каталаза» скорее всего, было связано с нормализацией оксидативных процессов, на что указывало уменьшение содержания продуктов ПОЛ в эритроцитах на 36,0 % относительно контрольной группы (таблица). Выявленное изменение окислительного метаболизма в эритроцитах отражает процесс снижения тканевой гипоксии и процессы восстановления дисбаланса окислительных процессов в организме [5], что может способствовать поддержанию неспецифической противоопухолевой резистентности. В плазме крови у животных данной группы интенсивность накопления продуктов липопероксидации не отличалась от таковой в группе животных без эффекта, однако повышение активности каталазы свидетельствовало об активации компенсаторных механизмов. Данный показатель превышал не только норму на 63,7 %, но и уровень у животных контрольной группы на 24,0 %.

Полученные результаты позволяют прийти к заключению о том, что применение наночастиц железа в указанных дозах не вызывает развития выраженного оксидативного стресса в организме животных. Введение наночастиц крысам с ростом саркомы 45 не приводит к дальнейшему повышению интенсивности ПОЛ, характерному для опухолевого роста, а регрессия опухоли под действием наночастиц сопровождается выраженным снижением оксидативных процессов в эритроцитах. Это может играть важную роль в реализации их противоопухолевого эффекта.

«Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-04-32046 мол_а».

Рецензенты:

Шихлярова А.И., д.б.н., профессор, руководитель лаборатории изыскания новых противоопухолевых средств и изучения механизмов их действия, ФГБУ «Ростовский научно-исследовательский онкологический институт» Минздрава России, г. Ростов-на-Дону;

Чистяков В.А., д.б.н., г.н.с. Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» Минобрнауки России, г. Ростов-на-Дону.


Библиографическая ссылка

Горошинская И.А., Качесова П.С., Бородулин В.Б., Немашкалова Л.А. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗА НА СОСТОЯНИЕ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В КРОВИ КРЫС С ФИБРОСАРКОМОЙ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ПРОТИВООПУХОЛЕВОМ ЭФФЕКТЕ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 7-1. – С. 9-13;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38716 (дата обращения: 22.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252