toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0869-7922-2023-31-6-392-398pcvuwftoxreview-786Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESИзменение митохондриальной функции фибробластоподобных клеток под воздействием наночастиц оксида медиChanges in the mitochondrial function of fibroblast-like cells exposed to copper oxide nanoparticleshttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479РябоваЮлия ВладимировнаRyabovaYuliya V.

Заведующая лабораторией научных основ биологической профилактики ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург, Россия

e-mail: ryabovaiuvl@gmail.com

Head of the Laboratory of Scientific Foundations of Biological Prophylaxis, Department of Toxicology and Bioprophylaxis, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation

e-mail: ryabovaiuvl@gmail.com

ryabova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5872-2001БушуеваТатьяна ВикторовнаBushuevaTatiana V.

Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, заведующая НПО лабораторно-диагностических технологий ФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург, Россия

e-mail: bushueva@ymrc.ru

Candidate of Medical Sciences, Senior Researcher, Head of Research and Production Association of Laboratory Diagnostic Technologies, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation

e-mail: bushueva@ymrc.ru

bushueva@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0097-7845МинигалиеваИльзира АмировнаMinigalievaIlzira A.

Доктор биологических наук, заведующая отделом токсикологии и биопрофилкатики, заведующий лабораторией промышленной токсикологии ФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

Doctor of Biological Sciences, Head of the Department of Toxicology and Bioprophylaxis, Head of the Laboratory of Industrial Toxicology, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

ilzira-minigalieva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0125-0063КарповаЕлизавета ПавловнаKarpovaElizaveta P.

Младший научный сотрудник НПО лабораторно-диагностических технологий ФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: karpovaep@ymrc.ru  

Junior Researcher, Research and Production Association of Laboratory Diagnostic Technologies, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation

e-mail karpovaep@ymrc.ru

karpovaep@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМарина ПетровнаSutunkovaMarina Р.

Доктор медицинских наук, директор ФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Российская Федерация

e-mail: sutunkova@ymrc.ru  

MD, director of Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation

e-mail: sutunkova@ymrc.ru

sutunkova@ymrc.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человекаРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection of Industrial WorkersRussian Federation202315012024316392398Copyright © Рябова Ю.В., Бушуева Т.В., Минигалиева И.А., Карпова Е.П., Сутункова М.П., 20242024Рябова Ю.В., Бушуева Т.В., Минигалиева И.А., Карпова Е.П., Сутункова М.П.Ryabova Y.V., Bushueva T.V., Minigalieva I.A., Karpova E.P., Sutunkova M.Р.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/786Введение

Введение. Митохондрии являются мишенью практически для всех типов повреждающих агентов, включая токсины и оксидативный стресс. При всесторонней оценке токсического действия не вызывает сомнений необходимость учитывать возможные митохондриальные эффекты.

Цель исследования — оценка изменений митохондриальной функции in vitro под воздействием наночастиц оксида меди.

Материал и методы

Материал и методы. На монослойную культуру фибробластоподобных клеток человека линии ФЛЭЧ-104 воздействовали наночастицами оксида меди размером 21 ± 4 нм, конечная концентрация которых в среде составляла 25, 50 и 100 мкг/мл. Измеряли скорость потребления кислорода клетками и фиксировали ее изменение под воздействием модуляторов – олигомицина, карбонилцианид-4-(трифторметокси) фенилгидразона, ротенона в комбинации с антимицином А. Рассчитывали параметры митохондриальной функции и биоэнергетический индекс.

Результаты

Результаты. НЧ CuO при концентрации в инкубационной среде, равной 100 мкг/мл, вызывают в культуре фибробластоподобных клеток изменения, затрудняющие дальнейшую оценку митохондриальной функции. При концентрации НЧ CuO, равной 25 и 50 мкг/мл, наблюдалась дозозависимая тенденция к снижению АТФ-связанного дыхания и биоэнергетического индекса. НЧ CuO в концентрации 25 мкг/мл увеличивали максимальную и резервную дыхательную способность клеток, что, вероятно, связанно с двойственными свойствами меди как токсиканта и биомикроэлемента.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование проведено с использованием только одной клеточной линии и 3 концентраций суспензии наночастиц в культуральной среде.

Заключение

Заключение. Установлено, что наночастицы оксида меди при добавлении в инкубационную среду неоднозначно влияют на митохондриальную функцию фибробластоподобных клеток, что может быть связано с биотическими свойствами меди.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует заключения этического комитета.

Участие авторов

Участие авторов:Рябова Ю.В. — сбор и обработка материала, подготовка иллюстраций, написание текста;Бушуева Т.В. — сбор и обработка материала, написание текста;Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования, написание текста;Карпова Е.П. — сбор и обработка материала;Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования, редактирование.Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Дата поступления

Дата поступления: 31 октября 2023 / Дата принятия к печати: 03 декабря 2023 / Дата публикации: 29 декабря 2023

Introduction

Introduction. Mitochondria are targets for almost all types of damaging agents, including toxins and oxidative stress. There is no doubt that possible effects on mitochondria should be taken into account in a comprehensive assessment of metal toxicity. Our objective was to establish changes in the mitochondrial function under the effect of copper oxide nanoparticles in vitro.

Material and methods

Material and methods. A monolayer culture of human lung fibroblast-like cells of the FLECH-104 line were exposed to copper oxide nanoparticles (CuO NPs) 21±4 nm in size, final concentrations of which in the media were 25, 50, and 100 µg/mL. We measured the rate of oxygen consumption by the cells and its changes under the influence of modulators, such as oligomycin, carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone, and rotenone combined with antimycin A. We estimated parameters of mitochondrial function and the bioenergetics index.

Results

Results. At the concentration of 100 µg/mL in the incubation medium, CuO NPs induced changes in the culture of fibroblast-like cells that impeded further assessment of the mitochondrial function. At the lower concentrations of 25 and 50 µg/mL, we observed a dose-dependent trend toward a decrease in ATP-related respiration and bioenergetics index. It is noteworthy that the concentration of 25 µg/mL increased the maximum and reserve respiratory capacity of the cells, which was probably related to the dual effect of copper as a toxicant and an essential element.

Limitations of the study

Limitations of the study. The study was conducted using only one cell line and three concentrations of CuO nanoparticles suspended in the culture medium.

Conclusion

Conclusion. We established that copper oxide nanoparticles, when added to the incubation medium, have a multidirectional effect on the mitochondrial function of fibroblast-like cells potentially attributed to biotic properties of this metal.

Compliance with ethical standards. The study does not require the opinion of an ethics committee.

Contribution of the authors:Ryabova Yu.V. — data collection and analysis, draft manuscript preparation;Bushueva T.V. — data collection and analysis, draft manuscript preparation;Minigalieva I.A. — study conception and design, draft manuscript preparation;Karpova E.P. — data collection and analysis;Sutunkova M.P. — study conception and design, editing.All co-authors — approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Conflict of interests

Conflict of interests. Authors declare no conflict of interest.

Funding

Funding. The study had no sponsorship.

Date of receipt

Date of receipt: October 31, 2023 / Date of acceptance for printing: December 3, 2023 / Date of publication: December 29, 2023

митохондриимитохондриальная токсичностьнаночастицымедьmitochondriamitochondrial toxicitynanoparticlescopperReferencesSantana-Román M.E., Maycotte P., Uribe-Carvajal S., Uribe-Alvarez C., Alvarado-Medina N., Khan M., et al. Monitoring mitochondrial function in Aedes albopictus C6/36 cell line during dengue virus infection. Insects. 2021; 12 (10): 934. https://doi.org/10.3390/insects12100934Santana-Román M.E., Maycotte P., Uribe-Carvajal S., Uribe-Alvarez C., Alvarado-Medina N., Khan M., et al. Monitoring mitochondrial function in Aedes albopictus C6/36 cell line during dengue virus infection. Insects. 2021; 12 (10): 934. https://doi.org/10.3390/insects12100934Altintas M.M., DiBartolo S., Tadros L., Samelko B., Wasse H. Metabolic changes in peripheral blood mononuclear cells isolated from patients with end stage renal disease. Front. Endocrinol. (Lausanne). 2021; 12: 629239. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.629239Altintas M.M., DiBartolo S., Tadros L., Samelko B., Wasse H. Metabolic changes in peripheral blood mononuclear cells isolated from patients with end stage renal disease. Front. Endocrinol. (Lausanne). 2021; 12: 629239. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.629239Fahmy H.M., Ebrahim N.M., Gaber M.H. In-vitro evaluation of copper/copper oxide nanoparticles cytotoxicity and genotoxicity in normal and cancer lung cell lines. J. Trace Elem. Med. Biol. 2020; 60: 126481. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2020.126481Fahmy H.M., Ebrahim N.M., Gaber M.H. In-vitro evaluation of copper/copper oxide nanoparticles cytotoxicity and genotoxicity in normal and cancer lung cell lines. J. Trace Elem. Med. Biol. 2020; 60: 126481. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2020.126481Na I., Kennedy D.C. Size-specific copper nanoparticle cytotoxicity varies between human cell lines. Int. J. Mol. Sci. 2021; 22 (4): 1548. https://doi.org/10.3390/ijms22041548Na I., Kennedy D.C. Size-specific copper nanoparticle cytotoxicity varies between human cell lines. Int. J. Mol. Sci. 2021; 22 (4): 1548. https://doi.org/10.3390/ijms22041548Zhang J., Zou Z., Wang B., Xu G., Wu Q., Zhang Y. et al. Lysosomal deposition of copper oxide nanoparticles triggers HUVEC cells death. Biomaterials. 2018; 161: 228-39. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.01.048Zhang J., Zou Z., Wang B., Xu G., Wu Q., Zhang Y. et al. Lysosomal deposition of copper oxide nanoparticles triggers HUVEC cells death. Biomaterials. 2018; 161: 228-39. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.01.048Siddiqui M.A., Alhadlaq H.A., Ahmad J., Al-Khedhairy A.A., Musarrat J., Ahamed M. Copper oxide nanoparticles induced mitochondria mediated apoptosis in human hepatocarcinoma cells. PloS One. 2013; 8 (8): e69534. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069534Siddiqui M.A., Alhadlaq H.A., Ahmad J., Al-Khedhairy A.A., Musarrat J., Ahamed M. Copper oxide nanoparticles induced mitochondria mediated apoptosis in human hepatocarcinoma cells. PloS One. 2013; 8 (8): e69534. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0069534Nicholls D.G. Spare respiratory capacity, oxidative stress and excitotoxicity. Biochem. Soc. Trans. 2009; 37 (Pt 6): 1385–8. https://doi.org/10.1042/bst0371385Nicholls D.G. Spare respiratory capacity, oxidative stress and excitotoxicity. Biochem. Soc. Trans. 2009; 37 (Pt 6): 1385–8. https://doi.org/10.1042/bst0371385Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem. J. 2011; 435 (2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162Brand M.D., Nicholls D.G. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem. J. 2011; 435 (2): 297–312. https://doi.org/10.1042/BJ20110162Prabhu B.M., Ali S.F., Murdock R.C., Hussain S.M., Srivatsan M. Copper nanoparticles exert size and concentration dependent toxicity on somatosensory neurons of rat. Nanotoxicology. 2010; 4 (2): 150–60. https://doi.org/10.3109/17435390903337693Prabhu B.M., Ali S.F., Murdock R.C., Hussain S.M., Srivatsan M. Copper nanoparticles exert size and concentration dependent toxicity on somatosensory neurons of rat. Nanotoxicology. 2010; 4 (2): 150–60. https://doi.org/10.3109/17435390903337693Sukhanova A., Bozrova S., Sokolov P., Berestovoy M., Karaulov A., Nabiev I. Dependence of nanoparticle toxicity on their physical and chemical properties. Nanoscale Res. Lett. 2018; 13 (1): 44. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-xSukhanova A., Bozrova S., Sokolov P., Berestovoy M., Karaulov A., Nabiev I. Dependence of nanoparticle toxicity on their physical and chemical properties. Nanoscale Res. Lett. 2018; 13 (1): 44. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-x

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