doi: 10.15389/agrobiology.2020.6.1171rus
УДК 615.9:546.77]:57.084.1
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 20-16-00078.
ТОКСИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ФОРМ
МЕТАЛЛОВ (Mo и MoO3) В ЭКСПЕРИМЕНТЕ in vivo
Е.В. ШЕЙДА 1, 2 ✉, Е.А. РУСАКОВА1, 2, О.Ю. СИПАЙЛОВА3,
Е.А. CИЗОВА1, 2, С.В. ЛЕБЕДЕВ1, 2
Несмотря на возрастающие объемы применения наночастиц (НЧ) в промышленности, существует серьезная нехватка информации относительно их воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Так, наноматериалы на основе молибдена привлекают внимание из-за сверхвысокой удельной площади поверхности и уникальных оптических, электронных, каталитических и механических свойств, однако, обладая высокой проникающей способностью, молибден может в избытке накапливаться в органах и тканях организма, влияя на их структурную целостность и функциональную активность. В настоящей работе у подопытных крыс впервые установлен гепатотропный эффект наночастиц Mo и MoO3 на основании оценки степени активации маркера апоптоза каспазы 3, отмечено снижение двигательной активности и подавление эмоционального состояния животных, а также зафиксировано снижение массы их тела и печени на фоне увеличения массы головного мозга при однократном внутрибрюшинном введении НЧ. Нашей целью было изучение общего воздействия наночастиц Mo и MoO3 на рост и развитие внутренних органов крыс, особенности изменения двигательной и эмоциональной активностей животных, а также оценка их гепатотропного эффекта на основании оценки степени активации маркера апоптоза каспазы 3 Биомедицинские исследования проводили на 30 белых крысах-самцах линии Wistar массой 110-180 г. В качестве источников микроэлементов использовали НЧ Mo и MoO3, полученные методом плазмохимического синтеза. Экспериментальные животные были разделены на пять групп (n = 6). Крысам I и II опытных групп однократно внутрибрюшинно вводили НЧ Mo в дозе 1,0 и 25,0 мг/кг; животным III и IV опытных групп — НЧ MoO3 в дозе 1,2 и 29,0 мг/кг. Особям из контрольной группы в течение эксперимента вводили изотонический раствор хлорида натрия (0,9 % NaCl) в эквивалентном объеме. По окончании эксперимента (на 14-е сут) крыс декапитировали под нембуталовым наркозом. Проводили анатомическую разделку и взвешивание внутренних органов (печень и головной мозг). В течение опыта ежесуточно контролировали рост всех особей посредством индивидуального взвешивания. Полученные данные были использованы для учета изменений абсолютной массы тела и расчета соотношения массы исследуемых органов к массе тела. Для выявления готовности клеток печени к запрограммированной клеточной гибели иммуногистохимически выявляли каспазу 3 («Biocare Medical, LLC», США) в цитоплазме и ядрах гепатоцитов при окрашивании срезов. Тест «открытое поле» использовали для оценки эмоциональной, двигательной активность и поведения экспериментальных животных. Эмоциональный фактор оценивали по степени тревожности и страха (числу фекальных болюсов), а также грумингу (число причесываний, умываний и прочих элементов ухода). Система Инфракрасный актиметр в комплекте с системой Панель с отверстиями (ACT-01, «Orchid Scientific & Innovative India Pvt. Ltd.», Индия) позволила оценить спонтанную двигательную активность (ДА) животных. Эксперименты выявили токсическое воздействие наночастиц Mo и MoO3 на функционирование некоторых систем организма, в частности было установлено снижение массы тела и печени крыс на фоне увеличения массы головного мозга. Максимальное снижение массы тела зафиксировали у животных, получавших 25,0 мг/кг Mo и 1,2 мг/кг МоО3. К достоверному снижению (p ≤ 0,05) массы печени приводило введение НЧ Mo как в низкой, так и в высокой дозе (соответственно на 14,3 и 16,1 %) и МоО3 в дозе 1,2 мг/кг (на 33,5 %). Введение Mo в дозе 1,0 мг/кг, 25 мг/кг и МоО3 в дозе 1,2 мг/кг вызывало достоверное (p ≤ 0,05) увеличение массы головного мозга соответственно на 10,9; 3,85 и 5,49 %. Увеличение массы головного мозга, возможно, за счет отечности органа, приводило к изменению поведенческих реакций и двигательной активностей крыс, что свидетельствовало о нейротоксическом действии НЧ Mo и MoO3, степень выраженности которого напрямую зависела от времени после введения и дозировки частиц. Было отмечено снижение ДА крыс на 1-е и 7-е сут после введения Mo, причем активность снижалась с увеличением дозировки (чем выше дозировка, тем ниже активность). Наименьшие показатели ДА были получены на 14-е сут после введения 29,0 мг/кг МоО3. Эмоциональная активность крыс снижалась при введении НЧ Mo и МоО3 во всех изученных дозировках, наибольший эффект был зафиксирован на 1-е и 7-е сут эксперимента.Иммуногистохимическая реакция с маркером апоптоза каспазой 3 выявила усиление экспрессии этого фермента в клетках печени самцов крыс линии Wistar при введении им наночастиц Mo и MoO3. Обнаруженная активация маркера зависела не только от дозы и времени после инъекции, но и от степени деструктивных изменений в органе на фоне введения НЧ. Более тяжелые поражения печени, наблюдаемые при введении НЧ, сопровождались более слабой активацией каспазы 3 по сравнению с контролем.
Ключевые слова: наночастицы, крысы, каспаза 3, апоптоз, внутренние органы, головной мозг, поведение, двигательная активность, эмоциональность.
TOXIC EFFECTS OF ULTRA-DISPERSED FORMS OF METALS (Mo AND MoO3) IN THE EXPERIMENT in vivo
E.V. Sheida1, 2 ✉, E.A. Rusakova1, 2, O.Yu. Sipaylova3,
E.A. Sizova1, 2, S.V. Lebedev1, 2
Despite the increasing use of nanoparticles (NPs) in industry, there is a serious lack of information regarding their impact on human health and the environment. Thus, nanomaterials based on molybdenum attract attention due to their ultra-high specific surface area and unique optical, electronic, catalytic and mechanical properties. However, having a high penetrating ability, molybdenum can accumulate in excess in organs and tissues of the body, affecting their structural integrity and functional activity. In the present work, the hepatotropic effect of Mo and MoO3 nanoparticles was first established in experimental rats based on an assessment of the degree of activation of the apoptosis marker, a decrease in the level of motor activity and suppression of the emotional state of animals. A decrease in the body weight of rats and liver weight was recorded as a result of a single intraperitoneal injection of NPs while an increase in brain weight occurred. Our goal was to investigate general effects of Mo and MoO3 nanoparticles on the growth and development of the internal organs of rats, the peculiarities of their motor and emotional activities, and the hepatotropic effect of the nanoparticles based on the assessment of the Caspase 3 (Cleaved) expression in the cytoplasm and nuclei of liver cells. Biomedical studies were carried out with 30 white Wistar male rats weighing 110-180 g. Mo and MoO3 NPs were produced by plasma-chemical synthesis. The experimental animals were divided into five groups (n = 6 each). For NPs administration, the rats of groups I and II were intraperitoneally once-injected with Mo at 1.0 and 25.0 mg/kg, respectively, and animals of experimental groups III and IV were once-injected with MoO3 at 1.2 and 29.0 mg/kg, respectively. Animals of the control group were injected with isotonic sodium chloride solution (0.9 % NaCl) in an equivalent volume. The growth of the experimental individuals was monitored daily by individual weighing. At the end of the experiment (day 14), the rats were decapitated under Nembutal anesthesia. Anatomical dissection and weighing of internal organs (liver and brain) were carried out. The absolute and average daily gains were calculated, as well as the weight ratio of the studied organs to the body. To reveal the readiness of liver cells for programmed cell death, expression of caspase 3 (Biocare Medical, LLC, USA) in the cytoplasm and nuclei of hepatocytes was detected immunohistochemically on the stained sections. The open field test was used to assess the emotional, motor activity and behavior of experimental animals. The emotional factor was assessed by the degree of anxiety and fear (the number of fecal boluses), as well as grooming (the number of brushing, washing, and other care elements). A system “Infrared actimeter” with “Panel with holes” (ACT-01, Orchid Scientific & Innovative India Pvt. Ltd., India) was use to assess spontaneous locomotor activity (LMA) of animals. It was shown that Mo and MoO3 NPs have a toxic effect on the normal functioning of some body systems. In particular, the body weight of rats and the weight of their liver decrease while the weight of the brain increases. It was found out that the maximum decrease in body weight occurs in animals that received Mo at a dose of 25.0 mg/kg and MoO3 at 1.2 mg/kg. Mo NPs in both low and high doses provoked a significant decrease in liver weight (by 14.3 and 16.1 %) (p ≤ 0.05), and MoO3 NPs at 1 mg/kg caused a 33.5 % decrease. The injections of Mo NPs at 1.0 mg/kg and 25 mg/kg, and MoO3 NPs at 1.2 mg/kg led to a significant (p ≤ 0.05) increase in brain weigh (by 10.9, 3.85, and 5.49 %, respectively). This increase is possibly due to edema of the organ, which affects behavioral reactions and motor activities in rats, indicating the neurotoxic effect of Mo and MoO3 NPs. Its severity directly depends on time of exposure and particle dosage. There was a decrease in LMA of rats on days 1 and 7 after Moadministration, and the higher the dosage, the lower the activity. The level of locomotor activity decreased to the lowest level on day 14 after administration of 29.0 mg/kg MoO3 NPs. The level of emotional activity was lower for all applied dosages of Mo and MoO3 NPs, and the effect was maximum on days 1 and 7. Evaluation of immunohistochemical expression of activated caspase 3 as a marker of apoptosis in the test with cleaved caspase 3 antibodies revealed an increase in endogenous levels of a larger fragment (p17) of the caspase 3 proenzyme in hepatocytes of male Wistar rats upon administration of Mo and MoO3 NPs. This confirms the hepatotropic properties of the Mo and MoO3 NPs. The detected caspase 3 activation depended not only on the dosage and time after injection of NPs, but also on the lesions caused by the NPs. More severe liver lesions occurred when caspase 3 activation was lower compared to control.
Keywords: nanoparticles, rats, caspase 3, apoptosis, internal organs, brain, behavior, locomotor activity, emotionality.
1ФГБОУ Оренбургский государственный университет, |
Поступила в редакцию |
