Вплив потенційного нанозабруднювача фулерену C60 на фізіолого-біохімічні відповіді у ссавців


  • V. S. Nedzvetsky Bingöl University, Bingöl, Turkey
  • V. Y. Gasso Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine
  • S. V. Yermolenko Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine
  • I. A. Hasso Oles Honchar Dnipro National University, Dnipro, Ukraine
Ключові слова: печінка, мозок, глюкоза, інсулін, інсулінорезистентність

Анотація

Прогресивний розвиток технологій у виготовленні та застосуванні наноматеріалів майже у всіх сферах життя людини обумовлює надходження в організм та акумуляцію наночасток в клітинах. Визначення ризиків використання наноматеріалів та механізмів їх цитотоксичності є надзвичайно актуальним питанням сучасності. Фулерен С60 є найбільш розповсюдженим наноматеріалом, що пропонується для використання з метою пригнічення пухлинного росту, мікробних інфекцій та цілеспрямованої доставки ліків. Однак існують суперечливі дані про цитотоксичні та/або цитопротекторні ефекти цього фулерену. У представленому дослідженні вивчено дію фулерену С60 на глюкозний метаболізм, склад мікробіоти кишечника та кислотно-відновний баланс у щурів. Показано, що розчинений у рослинній олії фулерен С60 (2 мг/кг/добу) індукує інсулінову резистентність, активує перекисне окиснення ліпідів у мозку тварин, але не в печінці, за умов хронічного впливу. До того ж, фулерен С60 індукував зміни складу таксонів мікробіоти кишечника. Визначені порушення можуть бути причиною зростання продукції інсуліну як адаптивної відповіді на потреби метаболічної енергії за умов локального окисного стресу у нервовій тканині. У той же час зростання резистентності до інсуліну може бути обумовлене неспецифічними молекулярними ушкодженнями біомембран і макромолекул, включаючи рецептори інсуліну. У зв’язку з цим пояснення молекулярного механізму індукованої фулереном С60 інсулінорезистентності разом з ефектом застосованої дози фулерену буде представляти особливий інтерес у майбутніх дослідженнях.

Посилання


  1. Ali S.S., Hardt J.I., Quick K.L., Kim-Han J.S., Erlanger B.F., Huang T.T., Epstein C.J., Dugan L.L. A biologically effective fullerene (C60) derivative with superoxide dismutase mimetic properties // Free Radical Biology and Medicine. 2004. 37(8). 1191–1202.

  2. Aschberger K., Johnston H.J., Stone V., Aitken R.J., Tran C.L., Hankin S.M., Peters S.A., Christensen F.M. Review of fullerene toxicity and exposure – appraisal of a human health risk assessment, based on open literature // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2010. 58(3). 455–473.

  3. Baati T., Bourasset F., Gharbi N., Njim L., Abderrabba M., Kerkeni A., Szwarc H., Moussa F. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene // Biomaterials. 2012. 33(19). 4936–4946.

  4. Bluher M., Michael M.D., Peroni O.D., Ueki K., Carter N., Kahn B.B., Kahn C.R. Adipose tissue selective insulin receptor knockout protects against obesity and obesity-related glucose intolerance // Developmental Cell. 2002. 3(1). 25–38.

  5. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Analytical Biochemistry. 1976. 72. 248–254.

  6. Braun T., Mark L., Ohmacht R., Sharma U. Olive oil as biocompatible solvent for pristine C60 // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2007. 15(4). 311–314.

  7. Cataldo F. Interaction of C(60) fullerene with lipids // Chemistry and Physics of Lipids. 2010. 163, 524–529.

  8. Cataldo F., Braun T. The solubility of C60 fullerene in long chain fatty acid esters // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2007. 15(5). 331–339.

  9. Demir E., Nedzvetsky V., Ağca C.A., Kirici M. Pristine C60 fullerene nanoparticles ameliorate hyperglycemia induced disturbances via modulation of apoptosis and autophagy flux // Neurochemical Research. 2020. 45. 2385–2397.

  10. Dugan L.L., Gabrielsen J.K., Yu S.P., Lin T.S., Choi D.W. Buckminsterfullerenol free radical scavengers reduce excitotoxic and apoptotic death of cultured cortical neurons // Neurobiology of Disease. 1996. 3(2). 129–135.

  11. Đurašević S., Nikolić G., Zaletel I., Grigorov I., Memon L., Mitić-Ćulafić D., Vujović P., Đorđević J., Todorović Z. Distinct effects of virgin coconut oil supplementation on the glucose and lipid homeostasis in non-diabetic and alloxan-induced diabetic rats // Journal of Functional Foods. 2020. 64. 103601.

  12. Gerard-Monnier D., Erdelmeier I., Regnard K., Moze-Henry N., Yadan J.C., Chaudiere J. Reactions of 1-methyl-2-phenylindole with malondialdehyde and 4-hydroxyalkenals. Analytical applications to a colorimetric assay of lipid peroxidation // Chemical Research in Toxicology. 1998. 11(10). 1176–1183.

  13. Gerst F., Wagner R., Kaiser G., Panse M., Heni M., Machann J., Bongers M.N., Sartorius T., Sipos B., Fend F., Thiel C., Nadalin S., Konigsrainer A., Stefan N., Fritsche A., Haring H.U., Ullrich S., Siegel-Axel D. Metabolic crosstalk between fatty pancreas and fatty liver: effects on local inflammation and insulin secretion // Diabetologia 2017. 60(11). 2240–2251.

  14. Gherna R., Woese C.R. A partial phylogenetic analysis of the «flavobacter-bacteroides» phylum: basis for taxonomic restructuring // Systematic and Applied Microbiology. 1992. 15(4). 513–521.

  15. Guldi D.M., Asmus K.D. Activity of water-soluble fullerenes towards OH-radicals and molecular oxygen // Radiation Physics and Chemistry. 1999. 56(4). 449–456.

  16. Halenova T., Raksha N., Vovk T., Savchuk O., Ostapchenko L., Prylutskyy Y., Kyzyma O., Ritter U., Scharff P. Effect of C60 fullerene nanoparticles on the diet induced obesity in rats // International Journal of Obesity. 2018. 42(12). 1987–1998.

  17. Halenova T.I., Vareniuk I.M., Roslova N.M., Dzerzhynsky M.E., Savchuk O.M., Ostapchenko L.I., Prylutskyy Y.I., Ritter U., Scharff P. Hepatoprotective effect of orally applied water-soluble pristine C60 fullerene against CCl4-induced acute liver injury in rats // RSC Advances. 2016. 6. 100046–100055.

  18. Harhaji L., Isakovic A., Raicevic N., Markovic Z., Todorovic-Markovic B., Nikolic N., Vranjes-Djuric S., Markovic I., Trajkovic V. Multiple mechanisms underlying the anticancer action of nanocrystalline fullerene // European Journal of Pharmacology. 2007. 568(1-3). 89–98.

  19. Jaworski K., Sarkadi-Nagy E., Duncan R.E., Ahmadian M., Sul H.S. Regulation of triglyceride metabolism. IV. Hormonal regulation of lipolysis in adipose tissue // American Journal of Physiology – Gastrointestinal and Liver Physiology. 2007. 293(1). G1–4.

  20. Johnson D.R., Methner M.M., Kennedy A.J., Steevens J.A. Potential for occupational exposure to engineered carbon-based nanomaterials in environmental laboratory studies // Environmental Health Perspectives. 2010. 118(1). 49–54.

  21. Konopelko L.A., Krilov A.N., Lopushanskaya E.M., Popov O.G. Adducts formation at fullerenes C60 and C70 dissolution in essential oils // Russian Journal of General Chemistry. 2014. 84. 205–208.

  22. Kovatcheva-Datchary P., Nilsson A., Akrami R., Lee Y.S., De Vadder F., Arora T., Hallen A., Martens E., Bjorck I., Backhed F. Dietary fiber-induced improvement in glucose metabolism is associated with increased abundance of Prevotella // Cell Metabolism. 2015. 22(6). 971–982.

  23. Krusic P.J., Wasserman E., Keizer P.N., Morton J.R., Preston K.F. Radical reactions of c60 // Science. 1991. 254(5035). 1183–1185.

  24. Larue-Achagiotis C., Le Magnen J. Effects of a diazoxide inhibition of insulin release on food intake of normal and hyperphagic hypothalamic rats // Pharmacology Biochemistry & Behavior // 1978. 9(6). 717–720.

  25. Ley R.E., Turnbaugh P.J., Klein S., Gordon J.I. Human gut microbes associated with obesity // Nature. 2006. 444(7122). 1022–1023.

  26. Lin C.M., Lu T.Y. C60 fullerene derivatized nanoparticles and their application to therapeutics // Recent Patents on Nanotechnology. 2012. 6(2). 105–113.

  27. Martin A.M., Yabut J.M., Choo J.M., Page A.J., Sun E.W., Jessup C.F., Wesselingh S.L., Khan W.I., Rogers G.B., Steinberg G.R., Keating D.J. The gut microbiome regulates host glucose homeostasis via peripheral serotonin // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2019. 116(40). 19802–19804.

  28. Mirkov S.M., Djordjevic A.N., Andric N.L., Andric S.A., Kostic T.S., Bogdanovic G.M., Vojinovic-Miloradov M.B., Kovacevic R.Z. Nitric oxide-scavenging activity of polyhydroxylated fullerenol, C60(OH)24 // Nitric Oxide. 2004. 11(2). 201–207.

  29. Nedzvetsky V., Andrievsky G., Chachibaia T., Tykhomyrov A. Differences in antioxidant/protective efficacy of hydrated C60 fullerene nanostructures in liver and brain of rats with streptozotocin-induced diabetes // Journal of Diabetes & Metabolism. 2012. 3(8). 1000215.

  30. Nielsen G.D., Roursgaard M., Jensen K.A., Poulsen S.S., Larsen S.T. In vivo biology and toxicology of fullerenes and their derivatives // Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology. 2008. 103(3). 197–208.

  31. Rutkowska J., Sadowska E.T., Cichon M., Bauchinger U. Increased fat catabolism sustains water balance during fasting in zebra finches // Journal of Experimental Biology. 2016. 219(Pt 17). 2623–2628.

  32. Sarasamma S., Audira G., Juniardi S., Sampurna B.P., Lai Y.H., Hao E., Chen J.R., Hsiao C.D. Evaluation of the effects of carbon 60 nanoparticle exposure to adult zebrafish: a behavioral and biochemical approach to elucidate the mechanism of toxicity // International Journal of Molecular Sciences. 2018. 19(12). 3853.

  33. Sayers B.C., Germolec D.R., Walker N.J., Shipkowski K.A., Stout M.D., Cesta M.F., Roycroft J.H., White K.L., Baker G.L., Dill J.A., Smith M.J. Respiratory toxicity and immunotoxicity evaluations of microparticle and nanoparticle C60 fullerene aggregates in mice and rats following nose-only inhalation for 13 weeks // Nanotoxicology. 2016. 10(10). 1458-1468.

  34. Sears B., Perry M. The role of fatty acids in insulin resistance // Lipids in Health and Disease. 2015. 14. 121.

  35. Trepanowski J.F., Mey J., Varady K.A. Fetuin-A: a novel link between obesity and related complications // International Journal of Obesity. 2015. 39(5). 734–741.

  36. Turabekova M., Rasulev B., Theodore M., Jackman J., Leszczynska D., Leszczynski J. Immunotoxicity of nanoparticles: a computational study suggests that CNTs and C60 fullerenes might be recognized as pathogens by Toll-like receptors // Nanoscale. 2014. 6(7). 3488-95.

  37. Wang I.C., Tai A.T., Lee D.D., Kanakamma P.P., Shen C.K., Luh T.Y., Cheng C.H., Hwang K.C. C60 and water-soluble fullerene derivatives as antioxidants against radical-initiated lipid peroxidation // Journal of Medicinal Chemistry. 1999. 42(22). 4614–4620.


Переглядів анотації: 53
Завантажень PDF: 36
Опубліковано
2021-11-12
Розділ
Articles