Написати автору Дослідження токсичної дії наночастинок міді: вплив на електроповерхневі та біохімічні показники бактеріальних клітин
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.03.372
Анотація
Дане дослідження спрямовано на вивчення електроповерхневих і біохімічних показників бактеріальних клітин B.cereus B4368, L.plantarum, E.coli К-А, P.fluorescens B5040 при дії міді в іонній і колоїдній формі з метою встановлення природи та рівня їхнього токсичного впливу на бактерії. Використано наночастинки міді, синтезовані у водному розчині за допомогою NaBH4 і стабілізовані декстраном. Зміни в показниках мембранного транспорту оцінювали за величиною АТФазної активності; зміни трансмембранного потенціалу оцінювали методом проникаючих катіонів тетрафенілфосфонію (TPP+); порушення цілісності бактерій оцінювали методом спектроскопії клітинних метаболітів в УФ-діапазоні. Встановлено концентраційно-залежне пригнічення мембранної АТФазної реакції і дисипацію трансмембранного потенціалу під дією обох форм міді, причому у випадку наночастинок інгібуючий вплив виявився в середньому на 20 % вищим порівняно з іонною формою. В результаті гетерокоагуляції стабілізованих декстраном наночастинок міді і бактерій відмічене зменшення значень негативного ξ - потенціалу бактерій, яке під дією наночастинок міді було на 40 % ефективніше, порівняно з іонами Cu2+. Найбільш суттєві зміни мембранних показників спостерігалися в інтервалі концентрацій міді 10–60 мкМ. На прикладі клітин В. cereus B4368 встановлено порушення бар’єрної функції їхньої клітинної оболонки під впливом обох препаратів міді. У випадку наночастинок міді зафіксований витік нуклеїнових кислот із цитоплазми бактерій, що підтверджено смугою поглинання при 260 нм. Отримані результати свідчать про високий рівень чутливості досліджених електроповерхневих та біохімічних параметрів бактеріальних клітин до впливу іонів та наночастинок міді, що дозволяє використовувати їх як індикатори токсичності наночастинок металів при розробці металовмісних пробіотичних препаратів.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Zhang N., Xiong G., Liu Z. Toxicity of metal-based nanoparticles: challenges in the nano era. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022. 10: 1001572. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.1001572
Mu Y., Wu F., Zhao Q., Ji R., Qie Y., Yue Z., Hu Y., Pang C., Hristozov D., Giesy J.P., Xing B. Predicting toxic potencies of metal oxide nanoparticles by means of nano-QSARs. Nanotoxicology. 2016. 10(9): 12074. https://doi.org/10.1080/17435390.2016.1202352
Cao, Y., Li, S., Chen, J. Modeling better in vitro models for the prediction of nanoparticle toxicity: a review. Toxicol. Mech. Methods. 2021. 31(1): 1. https://doi.org/10.1080/15376516.2020.1828521
Yang W., Wan L., Mettenbrin, E.M., DeAngelis P.L., Wilhelm S. Nanoparticle toxicology. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2021. 61: 269. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-032320-110338
Ulberg Z.R., Gruzina T.G., Pertsov N.V. Colloidal and Chemical Properties of Biological Nanosystems. In: Colloidal and Chemical Fundamentals of Nanoscience. (Kyiv: Academperiodyka, 2005). [in Russian].
Aljerf L., AlMasri N.A. Gateway to metal resistance: bacterial response to heavy metal toxicity in the biological environment. Annals of Advances in Chemistry. 2018. 2(1): 032. https://doi.org/10.29328/journal.aac.1001012
Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell. 4th edn. (New York: Garland Science, 2002).
Bradberry S.M. Metals (cobalt, copper, lead, mercury). Medicine. 2016. 44(3): 182. https://doi.org/10.1016/j.mpmed.2015.12.008
Chekman I.S., Ulberg Z.R., Malanchuk V.O., Gorchakova N.O., Zupanets I.A. Nanoscience, Nanobiology, Nanopharmacy. (Kyiv: Polygraph plus, 2012). [in Ukrainian].
Ermini M.L., Voliani V. Antimicrobial nano-agents: the copper age. Review. ACS Nano. 2021. 15(4): 6008. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10756
Studer A.M., Limbach L.K., Van Duc L., Krumeich F., Athanassiou E.K., Gerber L.C., Moch H., Stark W.J. Nanoparticle cytotoxicity depends on intracellular solubility: comparison of stabilized copper metal and degradable copper oxide nanoparticle. Toxicol. Lett. 2010. 197(3): 169. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2010.05.012
Nikolova M.P., Chavali M.S. Metal oxide nanoparticles as biomedical materials. Biomimetics. 2020. 5(2): 27. https://doi.org/10.3390/biomimetics5020027
Zhou Y., Wei F., Zhang W., Guo Z., Zhang L. Copper bioaccumulation and biokinetic modeling in marine herbivorous fish Siganus oramin. Aquat. Toxicol. 2018. 196: 61. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2018.01.009
Ahamed M., Alhadlaq H.A., Majeed Khan M.A., Karuppiah P. Synthesis, characterization, and antimicrobial activity of copper oxide nanoparticles. J. Nanomaterials. 2014. 3: 1. https://doi.org/10.1155/2014/637858
Rubilar O., Rai M., Tortella G., Diez M.C., Seabra A.B., Durán N. Biogenic nanoparticles: copper, copper oxides, copper sulphides, complex copper nanostructures and their applications. Biotechnol. Lett. 2013. 35(9): 1365. https://doi.org/10.1007/s10529-013-1239-x
De Man J.C., Rogosa M., Sharpe M.E. A medium for the cultivation of lactobacilli. J. Appl. Bacteriol. 1960. 23(1): 130. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.1960.tb00188.x
Dukhin S.S., Deryagin B.V. Electrophoresis. (Moscow: Nauka, 1976). [in Russian].
Kompanets I.V. Methodological Recommendations for a Special Course and a special Workshop. Determination of the Structure and Functions of Biological Membranes. (Electronic manual www.biol.univ.ua, 2013). [in Ukrainian].
Ostapchenko L.I., Mykhailyk I.V. Biological Membranes: Methods of Structure and Function Research: Study Guide. (Kyiv: Publishing and printing center "Kyiv University", 2006). [in Ukrainian].
Grinius L.L. Daugelavichius R.Yu., Alkimavichius G.A. Investigation of membrane potential of Bacillus subtilis and Escherichia coli cells by penetrating ion method. Biochemistry. 1980. 45(9): 1609. [in Russian].
Ogurtsov A.N., Blyzniuk O.N., Antropova L.A. Physicochemical Fundamentals of Biotechnology. Practical Guidance. Tutorial. (Kharkov: Publishing Center NTU "KhPU", 2014).
Kouhkan M., Ahagar P., Babaganjeh L.A., Allahuari-Devin M. Biosynthesis of copper oxide nanoparticles using Lactobacillus casei Subsp. Casei and its anticancer and antibacterial activities. Curr. Nanosci. 2020. 16(1): 101. https://doi.org/10.2174/1573413715666190318155801
Golovko A.M., Reznichenko L.S., Roman'ko M.E., Gruzina T.G., Dybkova S.M., Ulberg Z.R. Evaluation and control of biological safety of nanomaterials in veterinary medicine. Bulletin of agrarian science. 2011. 5: 24. [in Ukrainian].
Alizadeh S., Seyedalipour B., Shafieyan S., Kheime A., Mohammadi P., Aghdami N. Copper nanoparticles promote rapid wound healing in acute full thickness defectvia acceleration of skin cell migration, proliferation, and neovascularization. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2019. 517(4): 684. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2019.07.110
Jayaramudu T., Varaprasad K., Reddy K.K., Pyarasani R.D., Akbari-Fakhrabad A., Amalraj J. Chitosan-pluronic based Cu nanocomposite hydrogels for prototype antimicrobial applications. Int. J. Biol. Macromol. 2020. 143: 825. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.09.143
Qiu H., Pu F., Liu Z., Liu X., Dong K., Liu C., Ren J., Qu X. Hydrogel-based artificial enzyme for combating bacteria and accelerating wound healing. Nano Res. 2020. 13(2): 496. https://doi.org/10.1007/s12274-020-2636-9
Albright L.J., Wilson E.M. Sub-lethal effects of several metallic salts-organic compounds combinations upon the heterotrophic microflora of a natural water. Water Res. 1974. 8: 101. https://doi.org/10.1016/0043-1354(74)90133-X
Dybkova S.M. The DNA-comet method in assessing the safety of metal nanoparticles for biotechnological and medical purpose. Bulletin of Biology and Medicine Problems. 2014. 3(3): 279. [in Ukrainian].
Simonov P.V. Investigation of acute toxicity of copper nanoparticles by intragastric injection to mice. Pharmacology and drug toxicology. 2015. 4-5: 79. [in Ukrainian].
Simonov P.V. Effect of copper nanoparticles on hemodynamic parameters of rabbits in an acute experiment. Pharmaceutical Journal. 2015. 4: 96. [in Ukrainian].
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp14.03.372
Copyright (©) 2023 T. G. Gruzina, L. S. Rieznichenko, L. M. Yakubenko, V. I. Podolska, N. I. Grishchenko, Z. R. Ulberg, S. M. Dybkova
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.