Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2024. Том 69. № 4
DOI:10.33266/1024-6177-2024-69-4-13-19
Д.Т. Петросова1, Д.В. Ускалова1, О.В. Кузьмичева1, В.О. Сабуров3,
Е.И. Сарапульцева1,2
УСИЛЕНИЕ НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА ЦИТОТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ПРОТОНАМИ В ОПЫТАХ IN VIVO
1 Обнинский институт атомной энергетики, Обнинск
2 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва
3 Медицинский радиологический научный центр им. А.Ф. Цыба Минздрава России, Обнинск
Контактное лицо: Диана Тиграновна Петросова, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
РЕФЕРАТ
Цель: Оценить биоэффективность и биобезопасность совместного применения в биомедицине и возможного воздействия на окружающую среду облучения протонами и наночастиц золота (AuНЧ) на модели высшего беспозвоночного животного из подотряда ракообразные Daphnia magna в опытах in vivo.
Материал и методы: Синтез AuНЧ осуществляли одностадийным методом фемтосекундной лазерной аблации. В качестве модельного тест-организма использовали лабораторную культуру Daphnia magna. Культивировали животных в оптимальных условиях климатостата (модель Р2). Биологические показатели (выживаемость, плодовитость и цитотоксичность) оценивали в двух последовательных поколениях (F0) и (F1). Острому облучению подвергали только животных родительского поколения (F0) на протонном комплексе «Прометеус» сканирующим пучком протонов (энергия 150 МэВ). Выживаемость и плодовитость D. magna оценивали в 21-суточном эксперименте на ежедневной основе. Всего было проанализировано от 10 до 60 особей в контрольных и экспериментальных группах. Цитотоксичность анализировали модифицированным для исследования эффекта на беспозвоночных животных в опытах in vivo МТТ-тестом на планшетном иммуноферментном анализаторе StatFax 2100 (США, VIS-модель). На цитотоксичность проанализировано от 11 до 97 образцов. В каждом образце было по 20 десятисуточных животных. Результаты обработаны методами математической статистики с поправкой на множественное сравнение.
Результаты: Облучение в дозах 10 и 30 Гр вызывало снижение выживаемости животных, которое усиливалось AuНЧ в 1,35 раза. Нарушение репродуктивной функции обнаружено как в облученном, так и в первом поколении животных. Применение НЧ не вызывало оксидативный стресс у D. magna, однако усиливало цитотоксическое действие облучения протонами. Вклад в цитотоксический эффект вносили AuНЧ.
Выводы: Поскольку полученные результаты согласуются с данными, опубликованными в цитируемых работах на позвоночных животных, можно предположить универсальный механизм цитотоксического действия облучения протонами в сочетании с AuНЧ как на беспозвоночных, так и позвоночных животных, включая человека и возможность применения AuНЧ в качестве радиосенсибилизаторов для усиления эффекта облучения в бинарных технологиях протонной терапии.
Ключевые слова: Daphnia magna, протоны, наночастицы золота, жизнеспособность, плодовитость, цитотоксический эффект, трансгенерационный эффект
Для цитирования: Петросова Д.Т., Ускалова Д.В., Кузьмичева О.В., Сабуров В.О., Сарапульцева Е.И. Усиление наночастицами золота цитотоксического действия облучения протонами в опытах in vivo // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2024. Т. 69. № 4. С. 13–19. DOI:10.33266/1024-6177-2024-69-4-13-19
Список литературы
1. Бушманов А.Ю., Шейно И.Н., Липенгольц А.А., Соловьев А.Н., Корякин С.Н. Перспективы применения комбинированных технологий в протонной терапии злокачественных новообразований // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2019. Т. 64, № 3. С. 11–18 [Bushmanov АYu, Sheino IN, Lipengolts АА, Soloviev AN, Koryakin SN. Prospects of Proton Therapy Combined Technologies in the Treatment of Cancer. Medical Radiology and Radiation Safety. 2019;64(3):11–18 (In Russ.)]. DOI: 10.12737/article_5cf237bf846b67.57514871
2. Peukert D, Kempson I, Douglass M, Bezak E. Gold Nanoparticle Enhanced Proton Therapy: a Monte Carlo Simulation of the Effects of Proton Energy, Nanoparticle Size, Coating Material, and Coating Thickness on Dose and Radiolysis Yield. Med Phys. 2020; 47(2):651-661. DOI: 10.1002/mp.13923. PMID: 31725910
3. Benn TM, Westerhoff P. Nanoparticle Silver Released into Water from Commercially Available Sock Fabrics. Environ Sci Technol. 2008;42(11):4133-9. Erratum in: Environ Sci Technol. 2008; 42(18):7025-6. DOI: 10.1021/es7032718. PMID: 18589977
4. Petersen EJ, Pinto RA, Mai DJ, Landrum PF, Weber WJ Jr. Influence of Polyethyleneimine Graftings of Multi-Walled Carbon Nanotubes on their Accumulation and Elimination by and Toxicity to Daphnia Magna. Environ Sci Technol. 2011;45(3):1133-8. DOI: 10.1021/es1030239. PMID: 21182278.
5. Baun A, Hartmann NB, Grieger K, Kusk KO. Ecotoxicity of Engineered Nanoparticles to Aquatic Invertebrates: a Brief Review and Recommendations for Future Toxicity Testing. Ecotoxicology. 2008;17(5):387-95. DOI: 10.1007/s10646-008-0208-y. PMID: 18425578
6. Fuller N., Lerebours A., Smith J.T., Ford A.T. The Biological Effects of Ionising Radiation on Crustaceans: a Review. Aquat. Toxicol. 2015;167:55–67. http://dx.doi. org/10.1016/j.aquatox.2015.07.013
7. Feswick A, Griffitt RJ, Siebein K, Barber DS. Uptake, Retention and Internalization of Quantum Dots in Daphnia is Influenced by Particle Surface Functionalization. Aquat Toxicol. 2013;130-131:210-8. DOI: 10.1016/j.aquatox.2013.01.002. PMID: 23419536.
8. Liu A, Ye B. Application of Gold Nanoparticles in Biomedical Researches and Diagnosis. Clin Lab. 2013;59(1-2):23-36. PMID: 23505903.
9. Финогенова Ю.А., Липенгольц А.А., Скрибицкий В.А., Шпакова К.Е., Смирнова А.В., Скрибицкая А.В., Сычева Н.Н., Григорьева Е.Ю. Металлсодержащие наноразмерные радиосенсибилизаторы для лучевой терапии злокачественных новообразований // Медицинская физика, 2023.
№ 3. С 70-86 [Finogenova YA, Lipengolts AA, Skribitskiy VA, Shpakova KE, Smirnova AV, Skribitskaya AV, Sycheva NN, Grigorieva EY. Metal Nanoparticles as Radiosensitizers for Cancer Radiotherapy in Vivo. Meditsinskaya Fizika = Medical Physics, 2023;3:70-86 (In Russ.)]. DOI: 10.52775/1810-200x-2023-99-3-70-86
10. Скрибицкий В.А., Позднякова Н.В., Липенгольц А.А., Попов А.А., Тихоновский Г.В., Финогенова Ю.А., Смирнова А.В., Григорьева Е.Ю. Спектрофотометрический метод оценки размера и концентрации лазерно-аблированных золотых наночастиц // Биофизика. 2022. Т. 67, № 1. С. 30–36 [Skribitskiy VA, Pozdnyakova NV, Lipengolts AA, Popov AA, Tikhonovskiy GV, Finogenova YuA, Smirnova AV, Grigorieva EYu. A Spectrophotometric Method for Evaluation of Size and Concentration of Laser Ablated Gold Nanoparticles. Biofizika = Biophisics. 67(1):30–36 (In Russ.)]. DOI: 10.31857/S0006302922010045.
11. Test Guideline. Daphnia Magna Reproduction Test. OECD Guideline for the Testing of Chemicals. Paris, OECD Publ., 2012. No. 211. P. 26. http://dx.doi.org/10.1787/20745761.
12. Cancer Cell Culture. Methods and Protocols / Ed. I.A.Cree. New York, Dordrecht, Heidelberg, London, Springer, Human Press, 2011. P. 237-244.
13. Gorfine M, Schlesinger M, Hsu L. K-Sample Omnibus Non-Proportional Hazards Tests Based on Right-Censored Data. Stat Methods Med Res. 2020;29(10):2830-2850. doi: 10.1177/0962280220907355
14. Li S, Penninckx S, Karmani L, Heuskin AC, Watillon K, Marega R, Zola J, Corvaglia V, Genard G, Gallez B, Feron O, Martinive P, Bonifazi D, Michiels C, Lucas S. LET-Dependent Radiosensitization Effects of Gold Nanoparticles for Proton Irradiation. Nanotechnology. 2016;27(45):455101. Epub 2016 Oct 3. DOI: 10.1088/0957-4484/27/45/455101. PMID: 27694702
15. Kim JK, Seo SJ, Kim HT, Kim KH, Chung MH, Kim KR, et al. Enhanced Proton Treatment in Mouse Tumors Through Proton Irradiated Nanoradiator Effects on Metallic Nanoparticles. Phys Med Biol. 2012;57(24):8309-23. DOI: 10.1088/0031-9155/57/24/8309
16. Cunningham C, de Kock M, Engelbrecht M, Miles X, Slabbert J, Vandevoorde C. Radiosensitization Effect of Gold Nanoparticles in Proton Therapy. Front Public Health. 2021;9:699822. DOI: 10.3389/fpubh.2021.699822. PMID: 34395371; PMCID: PMC8358148
17. Sarapultseva EI, Dubrova YE. The Long-Term Effects of Acute Exposure to Ionising Radiation on Survival and Fertility in Daphnia Magna. Environ Res. 2016;150:138-143. doi: 10.1016/j.envres.2016.05.046. PMID: 27288911.
18. Nakamori T, Yoshida S, Kubota Y, Ban-nai T, Kaneko N, Hasegawa M, Itoh R. Effects of Acute Gamma Irradiation on Folsomia Candida (Collembola) in a Standard Test. Ecotoxicol Environ Saf. 2008;71(2):590-6. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2007.10.029. PMID: 18155145
19. Won EJ, Lee JS. Gamma Radiation Induces Growth Retardation, Impaired Egg Production, and Oxidative Stress in the Marine Copepod Paracyclopina Nana. Aquat Toxicol. 2014;150:17-26. DOI: 10.1016/j.aquatox.2014.02.010. PMID: 24632311
20. Jönsson K.I. Radiation Tolerance in Tardigrades: Current Knowledge and Potential Applications in Medicine. Cancers 2019;11(9):1333; https://doi.org/10.3390/cancers11091333.
21. Dubrova YE, Sarapultseva EI. Radiation-Induced Transgenerational Effects in Animals. Int J Radiat Biol. 2022;98(6):1047-1053. DOI: 10.1080/09553002.2020.1793027. PMID: 32658553.
22. Min H, Sung M, Son M, Kawasaki I, Shim YH. Transgenerational Effects of Proton Beam Irradiation on Caenorhabditis Elegans Germline Apoptosis. Biochem Biophys Res Commun. 2017;490(3):608-615. DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.06.085. PMID: 28630005.
23. Hoppe BS, Harris S, Rhoton-Vlasak A, Bryant C, Morris CG, Dagan R, Nichols RC, Mendenhall WM, Henderson RH, Li Z, Mendenhall NP. Sperm Preservation and Neutron Contamination Following Proton Therapy for Prostate Cancer Study. Acta Oncol. 2017;56(1):17-20. DOI: 10.1080/0284186X.2016.1205219. PMID: 27420031
24. Wo JY, Viswanathan AN. The Impact of Radiotherapy on Fertility, Pregnancy, and Neonatal Outcomes in Female Cancer Patients. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2009;73:1304–1312. doi: 10.1016/j.ijrobp.2008.12.016.
25. Streffer C, Shore R, Konermann G, Meadows A, Uma Devi P, Preston Withers J, Holm LE, Stather J, Mabuchi K, H R. Biological Effects after Prenatal Irradiation (Embryo and Fetus). A Report of the International Commission on Radiological Protection. Ann ICRP. 2003;33(1-2):5-206. PMID: 12963090.
26. Falk M. Nanodiamonds and Nanoparticles as Tumor Cell Radiosensitizers-Promising Results but an Obscure Mechanism of Action. Ann Transl Med. 2017;5(1):18. DOI: 10.21037/atm.2016.12.62. PMID: 28164103; PMCID: PMC5253274
27. Hainfeld JF, Dilmanian FA, Zhong Z, Slatkin DN, Kalef-Ezra JA, Smilowitz HM. Gold Nanoparticles Enhance the Radiation Therapy of a Murine Squamous Cell Carcinoma. Phys Med Biol. 2010;55(11):3045-59. DOI: 10.1088/0031-9155/55/11/004. PMID: 20463371
28. Ates M, Danabas D, Ertit Tastan B, Unal I, Cicek Cimen IC, Aksu O, Kutlu B, Arslan Z. Assessment of Oxidative Stress on Artemia salina and Daphnia magna After Exposure to Zn and ZnO Nanoparticles. Bull Environ Contam Toxicol. 2020; 104(2):206-214. doi: 10.1007/s00128-019-02751-6. PMID: 31748865.
PDF (RUS) Полная версия статьи
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 23-24-10041. Облучение осуществлено на оборудовании ЦКП «Радиологические и клеточные технологии» ФГБУ «НМИЦ радиология» Минздрава России.
Участие авторов. Cтатья подготовлена с равным участием авторов.
Поступила: 20.03.2024. Принята к публикации: 25.04.2024.