toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erismantoxreview-557Research ArticleСтатьиЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЖИДКОСТИ, ПОЛУЧАЕМОЙ ПРИ БРОНХО- АЛЬВЕОЛЯРНОМ ЛАВАЖЕ У КРЫС ПОСЛЕ ИНТРАТРАХЕАЛЬНОГО ВВЕДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МЕДНООКСИДНЫХ ЧАСТИЦCYTOLOGICAL AND BIOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF BRONCHOALVEOLAR LAVAGE FLUID IN RATS AFTER INTRATRACHEAL INSTILLATION OF COPPER OXIDE NANO-SCALE PARTICLESПриваловаЛариса И.PrivalovaLarisa Ivanovna

Доктор медицинских наук, профессор, заведующая лабораторией научных основ биопрофилактики ФБУН  МНЦПОЗРПП. 620014, г. Екатеринбург

e-mail: privalovali@yahoo.com

noemail@neicon.ruКацнельсонБорис АлександровичKatsnelsonBoris Aleksandrovich

Доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом токсикологии и биопрофилактики ФБУН ЕМНЦПОЗРПП. 620014, г. Екатеринбург

e-mail: bkaznelson@etel.ru

noemail@neicon.ruЛогиноваНадежда ВладимировнаLoginovaNadezhda Vladimirovna

Научный сотрудник лаборатории научных основа биопрофилактики ФБУН ЕМНЦПОЗРПП. 620142, г. Екатеринбург,

e-mail: loginovan@ymrc.ru

noemail@neicon.ruГурвичВладимир БорисовичGurvichVladimir Borisovich

Доктор медицинских наук, директор ФБУН ЕМНЦПОЗРПП; 620014, г. Екатеринбург.

e-mail: gurvich@ymrc.ru

noemail@neicon.ruШурВладимир ЯковлевичShurVladimir Yakovlevich

Доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии», 620000, г. Екатеринбург

e-mail: vladimir.shur@usu.ru

noemail@neicon.ruБейкинЯков БорисовичBeikinYakov Borisovich

Доктор медицинских наук, профессор, директор МУ «Клинико-диагностический центр», 620142, г. Екатеринбург

e-mail: kdc_boss@mail.ru

noemail@neicon.ruСутунковаМарина ПетровнаSutunkovaMarina Petrovna

Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отдела токсикологии и биопрофилактики ФБУН ЕМНЦПОЗРПП, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: sutunkova@ymrc.ru

noemail@neicon.ruМинигалиеваИльзира АмировнаMinigalievaIlzira Amirovna

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела токсикологии и биопрофилактики ФБУН ЕМНЦПОЗРПП, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

noemail@neicon.ruШишкинаЕкатерина ВладимировнаShishkinaEkaterina Vladimirovna

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Центра коллективного пользования «Современные нано технологии», 620000, г. Екатеринбург

e-mail: ekaterina.shishkina@labfer.usu.ru

noemail@neicon.ruПичуговаСветлана ВладимировнаPichugovaSvetlana Vladimirovna

Специалист лаборатории электронной микроскопии «Клинико-диагностический центр», 620142, г. Екатеринбург

e-mail: ekb-lem@mail.ru

noemail@neicon.ruТулакинаЛюдмила ГеннадьевнаTulakinaLudmila Gennadevna

Кандидат медицинских наук, заведующий лабораторией электронной микроскопии «Клинико-диагностический центр», 620142, г. Екатеринбург

e-mail: tulakina@inbox.ru

noemail@neicon.ruБеляеваСветлана ВалентиновнаBeljayevaSvetlana Valentinovna

Кандидат биологических наук, заведующий биохимической лабораторией МУ «Клинико-диагностический центр», 620142, г. Екатеринбург

e-mail: kdc_boss@mail.ru

noemail@neicon.ruРузаковВадим ОлеговичRusakovVadim Olegovich

Аспирант ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: ruzakov_vo@66.rospotrebnadzor.ru

noemail@neicon.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» РоспотребнадзораРоссияEkaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial WorkersRussian FederationЦентр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Уральского федерального университетаРоссияThe Centre for collective use «Modern Nanotechnologies», Ural Federal UniversityRussian FederationМУ «Клинико-диагностический центр»РоссияThe City Clinical Diagnostics CentreRussian Federation20141012202105815Copyright © Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., Логинова Н.В., Гурвич В.Б., Шур В.Я., Бейкин Я.Б., Сутункова М.П., Минигалиева И.А., Шишкина Е.В., Пичугова С.В., Тулакина Л.Г., Беляева С.В., Рузаков В.О., 20212021Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., Логинова Н.В., Гурвич В.Б., Шур В.Я., Бейкин Я.Б., Сутункова М.П., Минигалиева И.А., Шишкина Е.В., Пичугова С.В., Тулакина Л.Г., Беляева С.В., Рузаков В.О.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Beikin Y.B., Sutunkova M.P., Minigalieva I.A., Shishkina E.V., Pichugova S.V., Tulakina L.G., Beljayeva S.V., Rusakov V.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.toxreview.ru/jour/article/view/557

Стабильные водные суспензии частиц оксида меди диаметром 20 нм и меднооксидных-медных частиц диаметром 340 нм были введены крысам интратрахеально в дозе 0,5 мг (1 мл), и через 24 часа был проведен бронхо-альвеолярный лаваж, охарактеризованный с помощью оптической, просвечивающей электронной и полуконтактной атомно-силовой микроскопии и ряда биохимических показателей. Найдено, что обе фракции оказывают выраженное токсическое действие на лёгкие, однако наночастицы существенно токсичнее, чем субмикронные частицы крупнее 100 нм, но в то же время их отложение вызывает более выраженную защитную реакцию мобилизации альвеолярных макрофагов и особенно нейтрофильных лейкоцитов при более высокой фагоцитарной активности этих клеток. Полученные результаты в сопоставлении с литературными данными свидетельствуют о том, что причинами высокой цитотоксичности действия меднооксидных частиц нанометровой размерности является как внутриклеточный релиз ионов меди при их растворении, так и прямой контакт персистирующих частиц с клеточными органеллами (в первую очередь митохотндриями) и их повреждение.

Stable water suspensions of copper oxide particles with the mean diameter of 20 nm and copper oxide-copper ones with the mean diameter of 340 nm were used to assess the rats pulmonary phagocytosis response to a single intratracheal instillation of 0.5 mg(1 ml) of these suspensions followed by the bronchoalveolar lavage after 24 hours with the help of optical, transmission electron, and semi-contact atomic force microscopy and a number of biochemical indices measured in the bronchoalveolar lavage fluid. It was found out that the two fractions produce an expressed toxic effect on lungs but nanoparticles appear significantly more toxic than sub-micron particles greater than 100 nm in size while the former evokes a more pronounced defense recruitment of alveolar macrophages and especially of neutrophil leukocytes at a higher phagocytosis activity of these cells. Results obtained compared to literature data show that a high cytotoxic action of nanometer copper oxide particles may be caused both by a copper ions intracellular release at solubilization and direct contact of persistent particles internalized by phagocytes with cell organelles (primarily, mitochondria) and their injuryas well.

ультратонкие медьсодержащие частицыбронхоальвеолярный лаважцитотоксичностьultrafine copper-containing particlesbronchoalveolar lavagecytotoxicityReferencesWarheit D.B., Reed K.L., Sayes C.M. A role of surface reactivity in TiO2 and quartz-related nanoparticle pulmonary toxicity. Nanotoxicology. 2009; 3: 181–187.Warheit D.B., Reed K.L., Sayes C.M. A role of surface reactivity in TiO2 and quartz-related nanoparticle pulmonary toxicity. Nanotoxicology. 2009; 3: 181–187.Donaldson K., Stone V., Tran C.K., Kreyling W., Borm P.J. Nanotoxicology (editorial). Occup Environ Med. 2004; 61: 727–728.Donaldson K., Stone V., Tran C.K., Kreyling W., Borm P.J. Nanotoxicology (editorial). Occup Environ Med. 2004; 61: 727–728.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S., Minigalieva I.A., Kireyeva E.P., Khodos M.Y., Kozitsina A.N. et al. Some peculiarities of pulmonary clearance mechanisms in rats after intratracheal instillation of magnetite (Fe3O4) suspensions with different particle sizes in the nanometer and micrometer ranges: Are we defenseless against nanoparticles? Int. J. Occup. Environ. Health. 2010; 16: 508–524.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S., Minigalieva I.A., Kireyeva E.P., Khodos M.Y., Kozitsina A.N. et al. Some peculiarities of pulmonary clearance mechanisms in rats after intratracheal instillation of magnetite (Fe3O4) suspensions with different particle sizes in the nanometer and micrometer ranges: Are we defenseless against nanoparticles? Int. J. Occup. Environ. Health. 2010; 16: 508–524.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S., Minigalieva I.A., KireyevaE.P., Kozitsina A.N., Malakhova N.A., Glazyrina J.A. et al. Experimental estimates of the toxicity of iron oxide Fe3O4 (magnetite) nanoparticles. Cent. Eur. J. Occup. Environ. Med. 2010; 16: 47–63.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S., Minigalieva I.A., KireyevaE.P., Kozitsina A.N., Malakhova N.A., Glazyrina J.A. et al. Experimental estimates of the toxicity of iron oxide Fe3O4 (magnetite) nanoparticles. Cent. Eur. J. Occup. Environ. Med. 2010; 16: 47–63.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Tulakina L.G., Pichugova S.V., Beikin J.B., Khodos M.Y. The «in vivo» interaction between iron oxide Fe3О4 nanoparticles and alveolar macrophages. Bull. Exp. Biol. Med. 2012; 152: 627–631.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Tulakina L.G., Pichugova S.V., Beikin J.B., Khodos M.Y. The «in vivo» interaction between iron oxide Fe3О4 nanoparticles and alveolar macrophages. Bull. Exp. Biol. Med. 2012; 152: 627–631.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Makeyev O.H., Shur V.Y., Beikin J.B., Sutunkova M.P., Kireyeva E.P., Minigalieva I.A., Loginova N.V. et al. Comparative in vivo assessment of some adverse bio-effects of equidimensional gold and silver nanoparticles and the attenuation of nanosilver’s effects with a complex of innocuous bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2013; 14: 2449–2483.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Makeyev O.H., Shur V.Y., Beikin J.B., Sutunkova M.P., Kireyeva E.P., Minigalieva I.A., Loginova N.V. et al. Comparative in vivo assessment of some adverse bio-effects of equidimensional gold and silver nanoparticles and the attenuation of nanosilver’s effects with a complex of innocuous bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2013; 14: 2449–2483.Bastus N.G., Casals E., Socorro V.-C., Puntes V. Reactivity of engineered inorganic nanoparticles and carbon nanostructures in biological media. Nanotoxicology. 2008; 2: 99–112.Bastus N.G., Casals E., Socorro V.-C., Puntes V. Reactivity of engineered inorganic nanoparticles and carbon nanostructures in biological media. Nanotoxicology. 2008; 2: 99–112.Karlsson H.L., Cronholm P., Gustafsson J., Möller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: A comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chem. Res. Toxicol. 2008; 21: 1726–1732.Karlsson H.L., Cronholm P., Gustafsson J., Möller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: A comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chem. Res. Toxicol. 2008; 21: 1726–1732.Xu J., Li Z., Xu P., Xiao L., Yang Z. Nanosized copper oxide induces apoptosis through oxidative stress in podocytes. Arch. Toxicol. 2013; 87: 1067–1073.Xu J., Li Z., Xu P., Xiao L., Yang Z. Nanosized copper oxide induces apoptosis through oxidative stress in podocytes. Arch. Toxicol. 2013; 87: 1067–1073.Bondarenko O., Ivask A., Käkinen A., Kahru A. Subtoxic effects of CuO nanoparticles on bacteria: kinetics, role of Cu ions and possible mechanisms of action. Environ. Pollut. 2012; 169: 81–89.Bondarenko O., Ivask A., Käkinen A., Kahru A. Subtoxic effects of CuO nanoparticles on bacteria: kinetics, role of Cu ions and possible mechanisms of action. Environ. Pollut. 2012; 169: 81–89.Pang C., Selck H., Misra S.K., Berhanu D., Dybowska A., Valsami-Jones E., Forbes V.E. Effects of sediment-associated copper to the deposit-feeding snail, Potamopyrgus antipodarum:A comparison of Cu added in aqueous form or as nano- and micro-CuO particles. Aquat. Toxicol. 2012; 15: 114–122.Pang C., Selck H., Misra S.K., Berhanu D., Dybowska A., Valsami-Jones E., Forbes V.E. Effects of sediment-associated copper to the deposit-feeding snail, Potamopyrgus antipodarum:A comparison of Cu added in aqueous form or as nano- and micro-CuO particles. Aquat. Toxicol. 2012; 15: 114–122.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 nanoparticles. Toxicol. Lett. 2010; 1: 169–174.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 nanoparticles. Toxicol. Lett. 2010; 1: 169–174.Cronholm P., Karlsson H.L., Hedberg J., Lowe T.A., Winnberg L., Elihn K., Wallinder I.O., Möller L. Intracellular uptake and toxicity of Ag and CuO nanoparticles: A comparison between nanoparticles and their corresponding metal ions. Small. 2013; 8: 970–982.Cronholm P., Karlsson H.L., Hedberg J., Lowe T.A., Winnberg L., Elihn K., Wallinder I.O., Möller L. Intracellular uptake and toxicity of Ag and CuO nanoparticles: A comparison between nanoparticles and their corresponding metal ions. Small. 2013; 8: 970–982.Cuillel M., Chevallet M., Charbonnier P., Fauquant C., Pignot-Paintrand I., Arnaud J., Cassio D., MichaudSoret I., Mintz E. Interference of CuO nanoparticles with metal homeostasis in hepatocytes under sub-toxic conditions. Nanoscale. 2014; 16: 1707–1715.Cuillel M., Chevallet M., Charbonnier P., Fauquant C., Pignot-Paintrand I., Arnaud J., Cassio D., MichaudSoret I., Mintz E. Interference of CuO nanoparticles with metal homeostasis in hepatocytes under sub-toxic conditions. Nanoscale. 2014; 16: 1707–1715.Chen Z., Meng H., Xing G., Chen C., Zhao Y., Jia G., Wang T., Yuan H., Ye C., Zhao F. et al. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. Toxicol. Lett. 2006; 25: 109–120.Chen Z., Meng H., Xing G., Chen C., Zhao Y., Jia G., Wang T., Yuan H., Ye C., Zhao F. et al. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. Toxicol. Lett. 2006; 25: 109–120.Limbach L.K., Studer A.M., Van Duc L. et al. Nanoparticle cytotoxicity depends on intracellular solubility: comparison of stabilized copper metal and degradable copper oxide nanoparticles. Toxicol. Lett. 2010; 197(3): 169–174.Limbach L.K., Studer A.M., Van Duc L. et al. Nanoparticle cytotoxicity depends on intracellular solubility: comparison of stabilized copper metal and degradable copper oxide nanoparticles. Toxicol. Lett. 2010; 197(3): 169–174.Alarifi S., Ali D., Verma A., Alakhtani S., Ali B.A. Cytotoxicity and genotoxicity of copper oxide nanoparticles in human skin keratinocytes cells. Int. J. Toxicol. 2013; 32: 296–307.Alarifi S., Ali D., Verma A., Alakhtani S., Ali B.A. Cytotoxicity and genotoxicity of copper oxide nanoparticles in human skin keratinocytes cells. Int. J. Toxicol. 2013; 32: 296–307.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E. et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int J Mol Sci. 2014;15:12379–12406.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E. et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int J Mol Sci. 2014;15:12379–12406.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Osipenko A.B., Yushkov B.H., Babushkina L.G. Response of a phagocyte cell system to products of macrophage breakdown as a probable mechanism of alveolar phagocytosis adaptation to deposition of particles of different cytotoxicity. Environm. Health Perspect.1980; 35: 205–218.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Osipenko A.B., Yushkov B.H., Babushkina L.G. Response of a phagocyte cell system to products of macrophage breakdown as a probable mechanism of alveolar phagocytosis adaptation to deposition of particles of different cytotoxicity. Environm. Health Perspect.1980; 35: 205–218.Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles. Environ Health Perspect.1984; 55: 313–325.Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles. Environ Health Perspect.1984; 55: 313–325.Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Privalova L.Y., Sharapova N.Y. Quartz dust retention in rat lungs under chronic exposure simulated by a multicompartmental model: Further evidence of the key role of the cytotoxicity of quartz particles. Inhalat Toxicol. 1997; 9:703–715.Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Privalova L.Y., Sharapova N.Y. Quartz dust retention in rat lungs under chronic exposure simulated by a multicompartmental model: Further evidence of the key role of the cytotoxicity of quartz particles. Inhalat Toxicol. 1997; 9:703–715.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Sharapova N.Y., Kislitsina N.S. On the relationship between activation and the breakdown of macrophages in pathogenesis of silicosis. Med. Lav. 1995; 86: 511–521.Privalova L.I., Katsnelson B.A., Sharapova N.Y., Kislitsina N.S. On the relationship between activation and the breakdown of macrophages in pathogenesis of silicosis. Med. Lav. 1995; 86: 511–521.Fröhlich E. Cellular targets and mechanisms in the cytotoxic action of non-biodegradable engineered nanoparticles. J. Curr. Drug. Metab. 2013; 14: 976–988.Fröhlich E. Cellular targets and mechanisms in the cytotoxic action of non-biodegradable engineered nanoparticles. J. Curr. Drug. Metab. 2013; 14: 976–988.Donaldson K., Bolton R., Jones E.A., Brown G. M., Robertson M.D., Slight J., Cowie H., Davis J. M. G. Kinetics of the bronchoalveolar leucocyte response in rats during exposure to equal airborne mass concentrations of quartz, chrysotile asbestos, or titanium dioxide.Thorax. 1988;43: 525–533.Donaldson K., Bolton R., Jones E.A., Brown G. M., Robertson M.D., Slight J., Cowie H., Davis J. M. G. Kinetics of the bronchoalveolar leucocyte response in rats during exposure to equal airborne mass concentrations of quartz, chrysotile asbestos, or titanium dioxide.Thorax. 1988;43: 525–533.Zhang Q., Yukinori K., Sato K., Nakakuki K., Koyahama N., Domaldson K. Differences in the extent of inflammation caused by intratracheal exposure to three ultrafine metals: role of free radicals. J. Toxicol. and Environmental Health. 1998; 53: 423–438.Zhang Q., Yukinori K., Sato K., Nakakuki K., Koyahama N., Domaldson K. Differences in the extent of inflammation caused by intratracheal exposure to three ultrafine metals: role of free radicals. J. Toxicol. and Environmental Health. 1998; 53: 423–438.Zhang Q., Yukinori K., Zhu X., Sato K., Mo Y., Kluz T., Donaldson K. Comparative toxicity of standard nickel and ultrafine nickel after intratracheal instillation. J. Occip. Health. 2003; 45: 23–30.Zhang Q., Yukinori K., Zhu X., Sato K., Mo Y., Kluz T., Donaldson K. Comparative toxicity of standard nickel and ultrafine nickel after intratracheal instillation. J. Occip. Health. 2003; 45: 23–30.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.