ИЗУЧЕНИЕ  IN  VITRO  ПОТЕНЦИАЛЬНОГО  ДЕЙСТВИЯ  НА  ИММУНИТЕТ  НАНОЧАСТИЦ  ОКИСЛОВ  МЕТАЛЛОВ  Cu  и  Fe

Руссу  Леонид  Иванович

научный  сотрудник  лаборатории  культур  тканей  ФГБУ  НИИ  вирусологии  МЗ  РФ,  г.  Москва

E-mail:  plano77@bk.ru

Суетина  Ирина  Александровна

канд.  биол.  наук,  ведущий  научный  сотрудник  лаборатории  культур  тканей  ФГБУ  НИИ  вирусологии  МЗ  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

Потапова  Людмила  Анатольевна

канд.  мед.  наук,  научный  сотрудник  лаборатории  культур  тканей  ФГБУ  НИИ  вирусологии  МЗ  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

Остроумов  Сергей  Андреевич

д-р  биол.  наук,  проф.  МГУ  им.  М.В.  Ломоносова,  г.  Москва

E-mail:  ar55@yandex.ru

Мезенцева  Марина  Владимировна

д-р  биол.  наук,  зав.  лабораторией  культур  тканей  ФГБУ  НИИ  вирусологии  МЗ  РФ,  г.  Москва

E-mail: 

IN  VITRO  STUDY  OF  THE  POTENTIAL  ACTION  ON  IMMUNITY  BY  METAL  OXIDE  NANOPARTICLES

Leonid  Russu

research  scientist  of  the  laboratory  of  Cell  cultures  D.I.  Ivanovsky  Institute  of  Virology,  Moscow

Irina  Suetina

candidate  of  biological  science,  Research  scientist  of  the  laboratory  of  Cell  cultures  D.I.  Ivanovsky  Institute  of  Virology,  Moscow

Ludmila  Potapova

candidate  of  medical  science,  Research  scientist  of  the  laboratory  of  Cell  cultures  D.I.  Ivanovsky  Institute  of  Virology,  Moscow

Sergey  Ostroumov

doctor  of  biological  science,  professor,  Moscow  State  University

Marina  Mezentseva

D  octor  of  biological  science,  Head  of  the  laboratory  of  Cell  cultures  D.I.  Ivanovsky  Institute  of  Virology,  Moscow

АННОТАЦИЯ

Исследование  in  vitro  проводили  для  изучения  потенциального  влияния  наночастиц  окислов  металлов  Cu  и  Fe  на  синтез  цитокинов.  Исследование  in  vitro  воздействия  наночастиц  металлов  на  синтез  цитокинов  проводили  на  перевиваемой  линии  клеток  фибробластов  эмбриона  человека  (ФЭЧ)  с  использованием  методов  обратной  транскрипции  и  полимеразной  цепной  реакции.  Наши  исследования  являются  первыми  шагами,  показывающими  перспективность  использования  препаратов  на  основе  наночастиц  окислов  Cu  и  Fe  для  коррекции  иммунопатологических  состояний  при  разных  формах  патологии.

ABSTRACT

In  vitro  studies  were  carried  out  to  investigate  the  potential  impacts  of  nanoparticles  of  metal  oxides  Cu  and  Fe  on  the  synthesis  of  cytokines.  In  vitro  studies  of  the  impact  of  nanoparticles  on  the  synthesis  of  cytokines  were  carried  out  on  the  endothelial  cell  line  human  embryo  fibroblasts  (HEF)  using  the  methods  of  reverse  transcription  and  polymerase  chain  reaction.  Our  research  are  the  first  steps,  showing  prospects  of  the  use  of  preparations  on  the  basis  of  nanoparticles  oxides  Cu  and  Fe  for  correction  of  immunopathological  conditions  various  forms  of  pathology.

Ключевые  слова:  наночастицы  окислов  металлов  Cu  и  Fe,  фибробласты  эмбриона  человека,  цитокины

Keywords:  metal  oxide  nanoparticles,  human  embryo  fibroblasts,  cytokines

В  настоящее  время  одним  из  приоритетных  направлений  стало  создание  наноконструкций,  способных  управлять  биосистемами  на  молекулярном  уровне  [7].  Многими  учеными  изучается  возможность  применения  наночастиц  металлов  для  борьбы  с  бактериями  и  вирусами.  Обсуждается  вопрос  использования  их  при  опухолевых  процессах  [1,  2,  4,  5,  9].

Целью  нашего  исследования  было  изучение  потенциального  влияния  наночастиц  окислов  металлов  Cu  и  Fe  на  синтез  цитокинов  in  vitro  для  прогнозирования  их  воздействия  на  параметры  иммунитета.

Материалы  и  методы.  Было  проведено  исследование  синтеза  цитокинов  на  уровне  их  транскрипции  in  vitro  в  клеточной  культуре  перевиваемых  клеток  фибробластов  эмбриона  человека  (ФЭЧ,  получены  из  музея  клеточных  культур  ФГБУ  НИИ  вирусологии  им.  Д.И.Ивановского  МЗ  РФ)  через  48  часов  после  введения  наночастиц  Cu  (CuO;  Los  Alamos,  NM,  USA,  <  50  nm)  в  разведениях  1/4000  и  1/16000  и  Fe  (Fe₂O₃  alpha;  Los  Alamos,  NM,  USA,  20—50  нм)  в  разведениях  1/32  и  1/1000.  Экспрессия  генов  интерлейкина  (ИЛ)-1β,  ИЛ-2,  ИЛ-4,  ИЛ-6,  ИЛ-8,  ИЛ-10,  ИЛ-12,  ИЛ-17,  ИЛ-18,  фактора  некроза  опухолей  (ФНО)-a,  интерферона  (ИФН)-a,  ИФН-β,  ИФН-g,  ИФН-λ1,  ИФН-λ2,  ИФН-λ3  оценивалась  по  активности  их  мРНК  цитокинов.  Определение  активности  мРНК  цитокинов  в  клетках  проводили  с  использованием  методов  обратной  транскрипции  и  полимеразной  цепной  реакции  (ОТ-ПЦР).  В  качестве  положительного  контроля  использовали  β-актин.  Регистрацию  результатов  ПЦР  осуществляли  электрофоретически  в  2,5  %  агарозном  геле,  окрашенном  бромистым  этидием.  Для  идентификации  нуклеотидных  последовательностей  использовали  маркер  для  электрофореза  фирмы  Ргоmegа  (G  1758)  [10].

Для  определения  цитотоксичности  препарата  ОУНТ  с  помощью  МТТ-метода  [3]  на  культуре  клеток  ФЭЧ  изучаемые  препараты  раститровывали  после  образования  клеточного  монослоя  в  двукратных  разведениях  от  1/2  до  1/1024  с  помощью  внесения  его  по  100  мкл  в  лунку  96-луночной  плашки  с  2-мя  повторами  на  точку  и  инкубировали  в  течение  24  часов  в  СО2  термостате  при  37  ºС.  Учет  опыта  проводился  через  24  часа  после  внесения  препаратов.

Результаты  и  обсуждение.  Определение  влияния  наночастиц  CuO  и  Fe₂O₃  alpha  на  ростовую  активность  клеток  ФЭЧ  с  помощью  МТТ-метода  показало,  что  препараты  не  вызывали  угнетение  ростовой  активности  и  жизнеспособности  клеток  в  разведениях  1/16000—1/4000.

Показано,  что  в  клетках  человека  под  действием  наночастиц  окислов  металлов  CuO  и  Fe₂O₃  alpha  не  происходило  активации  экспрессии  генов  ИФН-α,  ИФН-β,  ИФН-λ1,  ИФН-λ2,  ИЛ-4,  ИЛ-12,  ИЛ-17  а  также  не  изменялась  активность  конститутивно  присутствующей  мРНК  ИЛ-8.

Отмечено,  что  наночастицы  CuO  в  концентрации  1/4000,  но  не  1/16000,  подавляли  экспрессию  гена  ИФН-λ3  (ИФН  III-типа,  схожий  по  антивирусным  свойствам  с  ИФН-α  [14]).  При  этом  препарат  в  концентрации  1/4000  способствовал  активации  транскрипции  ИЛ-18,  в  условиях  организма,  продуцируемого  моноцитами/макрофагами,  участвующего  в  синтезе  ИФН-γ.  При  разведении  препарата  до  1/16000  в  клетках  была  отмечена  активация  экспрессии  генов  ИЛ-2,  ИЛ-6  и  ФНО-α,  в  условиях  организма  являющихся  показателями  функциональной  активности  Th1  и  Th17  [12].

Таблица  1. 

Изменение  экспрессии  генов  цитокинов  под  действием  наночастиц  CuO  и  Fe₂O₃

Показано,  что  наночастицы  Fe₂O₃  alfa  в  концентрации  1/16000  в  клетках  активировали  ИФН-γ  и  ИЛ-2,  обусловливающих  в  организме  человека  и  животных  клеточный  иммунитет,  а  также  —  ИЛ-1β,  ИЛ-6,  ИЛ-10  и  ФНО-α.  Следует  отметить,  что  ИЛ-10  является  антивоспалительным  цитокином,  участвующим  в  организме  человека  и  животных  в  выработке  антител  и  продуцируемым  Treg  лимфоцитами.  Эти  клетки  в  организме  экспрессируют  FOXP3  —  транскрипционный  фактор,  регулирующий  транскрипцию  генов,  ответственных  за  дифференцировку  Т-клеток  и  экспрессию  цитокинов  и  других  факторов,  участвующих  в  супрессии  иммунного  ответа.  Для  регуляции  иммуного  ответа  Тreg  клетки  выделяют  цитокины  ИФН-γ,  ИЛ-10,  TGF-β,  ИЛ-35  [13].

Известно,  что  Т-хелперы  (Th0)  могут  дифференцироваться  в  направлении  Th17  под  воздействием  ИЛ1β,  ИЛ-6,  TGFβ,  ИЛ-23.  Эти  цитокины  активируют  экспрессию  транскрипционного  фактора  ROR-γ,  выполняющего  ключевую  роль  в  реализации  программы  дифференциации  Th17,  хотя  и  другие  транскрипционные  факторы  STAT3,  IRF4  и  BATF  также  играют  важную  роль  в  поддержании  функций  Th17.  Эти  клетки  характеризуются  экспрессией  ИЛ-6,  ФНО-α,  ИЛ-17,  ИЛ-22  и  принимают  участие  в  защите  от  внеклеточных  патогенов,  в  регуляции  противоопухолевого  иммунитета.  Также  Th17  ассоциированны  с  различными  аутоиммунными  процессами,  в  том  числе  с  аллергическими  реакциями  [6,  8,  11,  15].  В  наших  экспериментах  показано,  что  наночастицы  Fe₂O₃  активировали  транскрипцию  ИЛ1β,  ИЛ-6  и  ФНО-α,  участвующих  в  синтезе  ИЛ-17.  При  этом  мРНК  ИЛ-17  не  экспрессировалась  в  клетках.  Возможно,  этот  процесс  происходил  позднее  срока  наблюдения..

Т.  о.  исходя  из  данных,  полученных  in  vitro,  можно  предположить,  что  наночастицы  Fe₂O₃  alfa  в  условиях  организма  будут  способны  активировать  Th1,  Th17  и  Treg  лимфоциты.  А  наночастицы  CuO,  вероятно,  можно  будет  использовать  для  регуляции  функции  макрофагального  звена  иммунитета,  а  также  Th1  и  Th17.  Это  может  свидетельствовать  об  усилении  противоинфекционного  иммунитета  под  действием  наночастиц  окислов  железа  и  меди  в  условиях  организма.  Наши  исследования  являются  первыми  шагами,  показывающими  перспективность  использования  препаратов  на  основе  наночастиц  окислов  Cu  и  Fe  для  коррекции  иммунопатологических  состояний  при  разных  формах  патологии.

Список  литературы

1.Анисимова  Н.Ю.,  Сенатов  Ф.C.,  Миляева  С.И.,  Киселевский  М.В.  Исследование  сорбционных  свойств  ферримагнитных  наночастиц  //  Фундаментальные  исследования,  —  2011.  —  №  11  (часть  2):  —  с.  263-65

2.Бабушкина  И.В.,  Бородулин  В.Б.,  Коршунов  Г.В.,  Пучиньян  Д.М.  Изучение  антибактериального  действия  наночастиц  меди  и  железа  на  клинические  штаммы  Staphylococcus  aureus  //  Саратовский  научно-медицинский  журнал,  —  2010.  —  №  6  (1):  —  с.  11—14. 

3.Хабриев  Р.У.  Руководство  по  экспериментальному  (доклиническому)  изучению  новых  фармакологических  веществ.  //  М.:Медицина,  2005,  —  832  с.

4.Шалашная  Е.В.,  Горошинская  И.А.,  Качесова  П.С.,  Жукова  Г.В.,  Евстратова  О.Ф.,  Бартенева  Т.А.,  Нескубина  И.В.,  Бородулин  В.  Структурно-функциональные  и  биохимические  изменения  в  органах  иммунной  системы  при  противоопухолевом  действии  наночастиц  меди  в  эксперименте  //  БЭБиМ,  —  2011  г.  —  №  152(11):  —  с.  552-57.

5.Яновский  Ю.Г.  Сравнительные  исследования  сорбционной  эффективности  и  структуры  поверхности  нано-  и  микроразмерных  магнитоуправляемых  частиц  для  их  использования  в  медицине  и  биологии  //  Технологии  живых  систем,  —  2007.  —  №  4  (5—6):  —  с.  73—84.

6.Bettelli  E,  Korn  T,  Kuchroo  VK.  Th17:  the  third  member  of  the  effector  T  cell  trilogy.  Curr.  Opin.  Immunol.,  2007.-19  (6):  652–7.

7.Ernest  H.,  Shetty  R.  Impact  of  nanotechnology  on  biomedical  sciences:  Review  of  current  concepts  on  convergence  of  nanotechnology  with  biology  //  J.  of  Nanobiotechnol.  2005.  [Электронный  ресурс].  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.azonano.com/oars.asp

8.Harrington  LE,  Hatton  RD,  Mangan  PR,  Turner  H,  Murphy  TL,  Murphy  KM,  Weaver  CT.  Interleukin  17-producing  CD4+  effector  T  cells  develop  via  a  lineage  distinct  from  the  T  helper  type  1  and  2  lineages  //  Nat.  Immunol.,  —  2005.  —  №  6  (11):  1123–32.

9.Kulacki  KJ,  Cardinale  BJ,  Keller  AA,  Bier  R,  Dickson  H.  How  do  stream  organisms  respond  to,  and  influence,  the  concentration  of  titanium  dioxide  nanoparticles?  A  mesocosm  study  with  algae  and  herbivores  //  Environ  Toxicol  Chem.,  —  2012.  —  №  31(10):2414-22.

10.Mezentseva  M.V.,  Suetina  I.А.,  Russu  L.I.,  Firsova  E.L.,  Gushhina  Е.А.  Effect  of  Single-walled  Carbon  Nanotubes  on  the  Biological  Properties  of  the  Cell  Cultures  of  Human  Embryonic  Fibroblasts.  3rd  International  Scientific  and  Practical  Conference  "Science  and  Society"  ISPC,  —  2013.  —  V.  3.  —  Р.  175—84.

11.Reiner  SL.  Development  in  motion:  helper  T  cells  at  work.  Cell,  2007.-129  (1):  33–6.

12.Stockinger  B,  Veldhoen  M.  Differentiation  and  function  of  Th17  T  cells.  Curr.  Opin.  Immunol.,  2007.-19  (3):  281–6.

13.Tang  Q,  Bluestone  JA.The  Foxp3+  regulatory  T  cell:  a  jack  of  all  trades,  master  of  regulation.  Nat  Immunol.,  —  2008.  —  №  9(3):239-44.

14.Vilcek  J.  Novel  interferons.  Nat.  Immunol.,  —  2003.  —  №  4  (1):  8–9.

15.Weaver  CT,  Harrington  LE,  Mangan  PR,  Gavrieli  M,  Murphy  KM.  Th17:  an  effector  CD4  T  cell  lineage  with  regulatory  T  cell  ties  //  Immunity,  —  2006.  —  №  24  (6):  677–88.