Механизмы защиты клеток от наноструктурированных материалов

DOI: https://doi.org/10.29296/24999490-2023-03-01

О.В. Морозова(1–3)
1-ФГБУ Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины
им. Ю.М. Лопухина Федерального медико-биологического агентства России,
Российская Федерация, 119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1а;
2-ФГБУ «Научно-исследовательский центр эпидемиологии
и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России,
Российская Федерация, 123098, Москва, ул. Гамалеи, д. 16;
3-АНО ВО Университет «Сириус», Центр генетики и наук о жизни,
Российская Федерация, 354349 г. Сочи, Олимпийский проспект, д. 1

Введение. Проникновение неорганических и органических наноматериалов через органы дыхания, кожу и пищеварительную систему повышает риски иммунозависимых, наследственных и онкологических заболеваний. Локализация и стабильность наночастиц определяются механизмами межклеточного и внутриклеточного везикулярного транспорта. Цель: изучение проникновения, направленного внутриклеточного транспорта, деградации и секреции наноструктурированных материалов с использованием механизмов везикулярного транспорта, доиммунной неспецифической резистентности и адаптивного иммунитета. Результаты. Физико-химические свойства наноматериалов обуславливают их высокую реакционную способность и экономичность, проникновение в организмы с преодолением всех защитных барьеров и в любые клетки посредством эндоцитоза, макропиноцитоза и фагоцитоза. Развитие нанотехнологий вызывает опасения в связи с рисками: 1) цитотоксичности наноматериалов, продуктов их внутриклеточного метаболизма и доставляемых веществ; 2) иммунозависимых заболеваний, связанных с нарушениями иммунного статуса, хроническими воспалениями, аллергическими и аутоиммунными осложнениями. Эндоцитоз и фагоцитоз наноматериалов приводят к деградации чужеродных веществ в лизосомах и секреции как свободных наночастиц, так и внеклеточных везикул и лизосом, содержащих наночастицы. Для межклеточного обмена наноструктурами образуются туннельные нанотрубки. Нейтрофильные внеклеточные ловушки обеспечивают барьеры для депонирования наноструктур. Защитные реакции организма состоят в фагоцитозе наноматериалов макрофагами, детоксикации в печени и селезенке с последующим выведением из организма, и неспецифической доиммунной резистентности с индукцией экспрессии генов цитокинов. Заключение. Естественные механизмы защиты клеток основаны на деградации наночастиц в лизосомах, секреции чужеродных материалов в свободном виде, в составе внеклеточных везикул или лизосом, в образовании туннельных нанотрубок и нейтрофильных внеклеточных ловушек. Помимо этого, презентация антигенов иммунной системе приводит к экспрессии генов цитокинов, определяющих развитие защитных реакций организма.
Ключевые слова: 
наноструктурированные материалы, эндоцитоз, экзоцитоз, внеклеточные везикулы, туннельные нанотрубки, нейтрофильные внеклеточные ловушки, цитокины
Для цитирования: 
Морозова О.В. Механизмы защиты клеток от наноструктурированных материалов . Молекулярная медицина, 2023; (3): 3-11https://doi.org/10.29296/24999490-2023-03-01
Список литературы: 
  1. Ottonelli I., Caraffi R., Tosi G., Vandelli M.A., Duskey J.T., Ruozi B. Tunneling Nanotubes: A New Target for Nanomedicine? Int. J. Mol. Sci. 2022; 23: 2237. DOI: 10.3390/ijms23042237.
  2. https://www.cdc.gov/niosh/docs/2009-125/pdfs/2009-125.pdf.
  3. Morozova O.V. Silver Nanostructures: Limited Sensitivity of Detection, Toxicity and Anti-Inflammation Effects. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22 (18): 9928. DOI: 10.3390/ijms22189928.
  4. Bobo D., Robinson K.J., Islam J., Thurecht K.J., Corrie S.R., Nanoparticle-based medicines: a review of FDA-approved materials and clinical trials to date, Pharm. Res. 2016; 33: 2373–87. DOI: 10.1007/s11095-016-1958-5.
  5. Anselmo A.C., Mitragotri S. Nanoparticles in the clinic: an update, Bioeng. Transl. Med. 2019; 4: 1–16. DOI: 10.1002/btm2.10143.
  6. Qin N., Hemmes P., Mitchen K. Characterization of the Silver Nanoparticles in the Sovereign Silver® and Argentyn 23®, Bio-Active Silver Hydrosol™ Products. International J. of Nanomedicine. 2022; 17: 983–6. DOI: 10.2147/IJN.S355084.
  7. Masyutin A.G., Bagrov D.V., Vlasova I.I., Nikishin I.I., Klinov D.V., Sychevskaya K.A., Onishchenko G.E., Erokhina M.V. Wall Thickness of Industrial Multi-Walled Carbon Nanotubes Is Not a Crucial Factor for Their Degradation by Sodium Hypochlorite. Nanomaterials (Basel). 2018; 8 (9): 715. DOI: 10.3390/nano8090715.
  8. Liang X.W., Xu Z.P., Grice J., Zvyagin A.V., Roberts M.S., Liu X. Penetration of nanoparticles into human skin. Curr Pharm Des. 2013; 19 (35): 6353–66. DOI: 10.2174/1381612811319350011.
  9. Parmar P.K., Wadhawan J., Bansal A.K. Pharmaceutical nanocrystals: A promising approach for improved topical drug delivery. Drug Discov Today. 2021; 26 (10): 2329–49. DOI: 10.1016/j.drudis.2021.07.010.
  10. Oh N., Park J.-H. Endocytosis and exocytosis of nanoparticles in mammalian cells. Int. J. Nanomedicine. 2014; 9: 51–63. DOI: 10.2147/IJN.S26592.
  11. Ge C., Du J., Zhao L., Wang L,, Liu Y., Li D., Yang Y., Zhou R., Zhao Y., Chai Z., Chen C. Binding of blood proteins to carbon nanotubes reduces cytotoxicity. Proc Natl Acad Sci USA. 2011; 108 (41): 16968–73. DOI: 10.1073/pnas.1105270108.
  12. Милякова М.Н., Пономарева Ю.В., Лайков А.В., Лимарева Л.В. Необратимая адсорбция белков на поверхности протезов для герниопластики – особенности и потенциальная роль в биосовместимости. Молекулярная медицина. 2018; 16 (3): 46–9. DOI: 10.29296/24999490-2018-03-09. [Milyakova M.N., Ponomareva YU.V., Lajkov A.V., Limareva L.V. Irreversible adsorption of proteins on the surface of hernioplasty prostheses – features and potential role in biocompatibility. Molekulyarnaya medicina. 2018; 16 (3): 46–9. DOI: 10.29296/24999490-2018-03-09 (in Russian)].
  13. Sebak A.A., Gomaa I.E.O., ElMeshad A.N., Farag M.H., Breitinger U., Breitinger H.-G., AbdelKader M.H. Distinct proteins in protein corona of nanoparticles represent a promising venue for endogenous targeting – Part II: In vitro and in vivo Kinetics Study. Int. J. Nanomed. 2020; 15: 9539–56. DOI: 10.2147/ijn.s273721.
  14. Duan J., Liang S., Feng L., Yu Y., Sun Z. Silica nanoparticles trigger hepatic lipid-metabolism disorder in vivo and in vitro, Int. J. Nanomedicine. 2018; 13: 7303–18. DOI: 10.2147/IJN.S185348.
  15. Guo C., Wang J., Jing L., Ma R., Liu X., Gao L., Cao L., Duan J., Zhou X., Li Y., Sun Z. Mitochondrial dysfunction, perturbations of mitochondrial dynamics and biogenesis involved in endothelial injury induced by silica nanoparticles, Environ. Pollut. 2018; 236: 926–36. DOI: 10.1016/j.envpol.2017.10.060.
  16. Camisasca A., Giordani S. Carbon nano-onions in biomedical applications: promising theranostic agents, Inorganica Chim. Acta. 2017; 468: 67–76. DOI: 10.1016/j.ica.2017.06.009.
  17. Foroozandeh P., Aziz A.A. Insight into cellular uptake and intracellular trafficking of nanoparticles. Nanoscale Res. Lett. 2018; 13: 339. DOI: 10.1186/s11671-018-2728-6.
  18. Wu Y., Xu M., Wang P., Syeda A.K. R., Huang P. , Dong X.-P. Lysosomal potassium channels. Cell Calcium. 2022; 102: 102536. DOI: 10.1016/j.ceca.2022.102536.
  19. Rickman A.D., Hilyard A., Heckmann B.L. Dying by fire: noncanonical functions of autophagy proteins in neuroinflammation and neurodegeneration. Neural. Regen. Res. 2022; 17 (2): 246–50. DOI: 10.4103/1673-5374.317958.
  20. Zhang X., Soldati T. Detecting, Visualizing and Quantitating the Generation of Reactive Oxygen Species in an Amoeba Model System. J. Vis. Exp. 2013; 81: e50717. DOI: 10.3791/50717.
  21. Morozova O.V., Sokolova A.I., Pavlova E.R., Isaeva E.I, Obraztsova E.A., Ivleva E.A., Klinov D.V. Protein nanoparticles: cellular uptake, intracellular distribution, biodegradation and induction of cytokine gene expression Nanomedicine. 2020. DOI: 10.1016/j.nano.2020.102293.
  22. Morozova O.V., Volosneva O.N. , Levchenko O.A., Barinov N.A. and Klinov D.V. Protein corona on gold and silver nanoparticles. Materials Science Forum. 2018; 936: 42–6. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.936.42.
  23. Chen K., Liang J., Qin T., Zhang Y., Chen X. and Wang Z. The Role of Extracellular Vesicles in Embryo Implantation. Front. Endocrinol. 2022; 13: 809596. DOI: 10.3389/fendo.2022.809596.
  24. Rudraprasad D., Rawat A., Joseph J. Exosomes, extracellular vesicles and the eye. Exp. Eye Res. 2022; 214: 108892. DOI: 10.1016/j.exer.2021.108892.
  25. Zhang Y., Bi J., Huang J., Tang Y., Du S., Li P. Exosome: A Review of Its Classification, Isolation Techniques, Storage, Diagnostic and Targeted Therapy Applications. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 6917–34. DOI: 10.2147/IJN.S264498.
  26. Rustom A., Saffrich R., Markovic I. , Walther P., Gerdes H.-H. Nanotubular Highways for Intercellular Organelle Transport. Science. 2004; 303 (5660): 1007–10. DOI: 10.1126/science.1093133.
  27. Brinkmann V., Reichard U., Goosmann C., Fauler B., Uhlemann Y., Weiss D.S., Weinrauch Y., Zychlinsky A. Neutrophil Extracellular Traps Kill Bacteria. Science. 2004; 303: 1532–5. DOI: 10.1126/science.1092385.
  28. Wang C. , Liu X. , Han Z., Zhang X. , Wang J. ,Wang K. , Yang Z. , Wei Z. Nanosilver induces the formation of neutrophil extracellular traps in mouse neutrophil granulocytes. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2019; 183: 109508. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2019.109508.
  29. Zeng Q., Ma X., Song Y., Chen Q., Jiao Q. and Zhou L. Targeting regulated cell death in tumor nanomedicines Theranostics. 2022; 12 (2): 817–41. DOI: 10.7150/thno.67932.