toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0869-7922-2024-32-2-99-107gaxxbytoxreview-819Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВлияние оксида мышьяка на митохондриальное дыхание клеток человека в эксперименте in vitroEffect of arsenic oxide on mitochondrial respiration of human cells in an in vitro experimenthttps://orcid.org/0000-0003-1159-6527ГрибоваЮлия ВитальевнаGribovaYulia V.

Врач клинической лабораторной диагностики НПО Лабораторно-диагностических технологий ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург, Россия

е-mail: gribova@ymrc.ru

Doctor of clinical laboratory diagnostics, NPO Laboratory and Diagnostic Technologies, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620014, Yekaterinburg, Russian Federation

e-mail: gribova@ymrc.ru

gribova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5872-2001БушуеваТатьяна ВикторовнаBushuevaTatyana V.

Кандидат мед. наук, заведующая НПО Лабораторно-диагностических технологий ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620000, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: bushueva@ymrc.ru

Candidate of Medical Sciences, Head of the Research and Production Association of Laboratory and Diagnostic Technologies of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620014, Yekaterinburg, Russian Federation, 620000, Ekaterinburg, Russian Federation

e-mail: bushhueva@ymrc.ru

bushueva@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0125-0063КарповаЕлизавета ПавловнаKarpovaElizaveta P.

Младший научный сотрудник НПО Лабораторно-диагностических технологий ФБУН ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: karpovaep@ymrc.ru

Junior researcher at the NPO Laboratory and Diagnostic Technologies, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620014, Yekaterinburg, Russian Federation

e-mail: karpovaep@ymrc.ru

karpovaep@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8517-2607ЛабзоваАлла КонстантиновнаLabzovaAlla K.

Научный сотрудник НПО Лабораторно-диагностических технологий ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: labzovaak@ymrc.ru

Researcher at the NPO Laboratory and Diagnostic Technologies of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620014, Yekaterinburg, Russian Federation, 620014, Ekaterinburg, Russian Federation

e-mail: labzovaak@ymrc.ru

labzovaak@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2726-9259СахаутдиноваРената РашидовнаSakhautdinovaRenata R.

Кандидат мед. наук, заведующая диагностическим лабораторным отделением НПО Лабораторно-диагностических технологий ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620000, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: sahautdinova@ymrc.ru

Candidate of Medical Sciences, Head of the Diagnostic Laboratory Department of the Research and Production Association of Laboratory Diagnostic Technologies of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620000, Yekaterinburg, Russian Federation

e-mail: sahautdinova@ymrc.ru

sahautdinova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6475-7753ГурвичВладимир БорисовичGurvichVladimir B.

Доктор мед. наук, научный руководитель ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: gurvich@ymrc.ru

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

e-mail: gurvich@ymrc.ru

gurvich@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМарина ПетровнаSutunkovaMarina P.

Доктор мед. наук, директор ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург, Россия

e-mail: sutunkova@ymrc.ru

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

e-mail: sutunkova@ymrc.ru

sutunkova@ymrc.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» РоспотребнадзораРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersRussian Federation20242704202432299107Copyright © Грибова Ю.В., Бушуева Т.В., Карпова Е.П., Лабзова А.К., Сахаутдинова Р.Р., Гурвич В.Б., Сутункова М.П., 20242024Грибова Ю.В., Бушуева Т.В., Карпова Е.П., Лабзова А.К., Сахаутдинова Р.Р., Гурвич В.Б., Сутункова М.П.Gribova Y.V., Bushueva T.V., Karpova E.P., Labzova A.K., Sakhautdinova R.R., Gurvich V.B., Sutunkova M.P.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/819Введение

Введение. В данной статье рассматривается проблема воздействия оксида мышьяка (As2O3) на митохондриальное дыхание двух типов клеточных культур. Несмотря на то, что многое достигнуто в изучении окислительного стресса, индуцированного соединениями мышьяка в живом организме, остается ряд пробелов в понимании механизмов повреждения мышьяком митохондрий в клетках разных морфологических типов. Проведен сравнительный анализ параметров митохондриального дыхания в эпителиальных клетках и фибробластах, экспонированных к разным дозам As2O3.

Цель исследования — изучить влияние As2O3 на митохондриальное дыхание 2 типов клеток с применением метода внеклеточного потока.

Материал и методы

Материал и методы. Эксперимент проведен на 2 типах клеток человека: фибробластоподобные и эпителиоподобные. Дизайн включал 2 этапа: 1-й этап — подбор дозы по показателям МТТ-теста и цитоморфометрии, 2-й этап — воздействие добавок, подавляющих или стимулирующих митохондриальное дыхание и определение его параметров в клетках, экспонированных к разным концентрациям As2O3.

Результаты

Результаты. Культуры фибробластов и эпителия мочевого пузыря обладают разной потребностью в кислороде и биоэнергетическим потенциалом, а также разной чувствительностью к воздействию мышьяка. На основании расчета индекса биоэнергетического здоровья выявлено дозозависимое изменение митохондриального дыхания: наибольшее угнетение на средней дозе для культуры фибробластов и на минимальной для эпителия мочевого пузыря. Обе культуры клеток под влиянием максимальной дозы демонстрируют повышение индекса, близкое к значениям контрольных клеток.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Для оценки воздействия As2O3 на клеточные культуры использовали расчетные показатели, вычисляемые из одного измеренного параметра биоэнергетической функции (скорость потребления кислорода). При проведении исследования необходимо учитывать энергетическую емкость разных типов клеток.

Заключение

Заключение. Реакция отдельных звеньев дыхательной цепи митохондрий при экспозиции к мышьяку зависит от типа клеток и воздействующей дозы. Критические изменения митохондриального дыхания в культуре эпителия мочевого пузыря получены при экспозиции к минимальной дозе, а в культуре фибробластов — к средней.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике и иных документов.

Участие авторов

Участие авторов:Грибова Ю.В. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, статистический анализ, написание текста, редактирование;Бушуева Т.В. — концепция и дизайн исследования, анализ и интерпретация результатов, статистический анализ, написание текста, редактирование;Карпова Е.П. — сбор и обработка материала, написание текста;Лабзова А.К. — сбор и обработка материала, редактирование;Сахаутдинова Р.Р. — написание текста;Гурвич В.Б., 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.

Поступила в редакцию

Поступила в редакцию: 18.07.2023 / Поступила после доработки: 11.11.2023 / Принята в печать: 10.03.2024 / Опубликована: 27.04.2024

Introduction

Introduction. This article discusses the problem of the effect of As2O3 on mitochondrial respiration in two types of cell cultures. Despite the fact that much has been achieved in the study of oxidative stress induced by arsenic compounds in a living organism, a number of gaps remain in understanding the mechanisms of arsenic damage to mitochondria in cells of different morphological types. In this work, a comparative analysis of the parameters of mitochondrial respiration in epithelial cells and fibroblasts exposed to different doses of As2O3 is carried out.

The purpose

The purpose: to study the effect of As2O3 on mitochondrial respiration of 2 types of cells using the extracellular flow method.

Material and methods

Material and methods. The experiment was carried out on 2 types of human cells: fibroblast and epithelial cells. The design included 2 stages: stage 1 — dose selection according to the MTT test and cytomorphometry, stage 2 — the effect of additives that suppress or stimulate mitochondrial respiration and determine its parameters in cells exposed to different concentrations of As2O3.

Results

Results. Cultures of fibroblasts and bladder epithelium differ in oxygen demand and bioenergy potential as well as in sensitivity to arsenic exposure. The calculated Bioenergetic Health Index helped reveal a dose-dependent change in mitochondrial respiration with the greatest inhibition observed at the mean dose for the fibroblast culture and at the minimum dose for bladder epithelium. The maximum dose caused an increase in the Index close to that of the control cells in both tissue cultures.

Limitations

Limitations. To assess the effect of As2O3 on cell cultures, estimates calculated from one measured parameter of the bioenergetic function (oxygen consumption rate) were used. When conducting research, it is necessary to take into account the energy capacity of different types of cells.

Conclusion

Conclusion. The response of individual links of the mitochondrial respiratory chain upon exposure to arsenic depends on the cell type and the acting dose. Critical changes in mitochondrial respiration in the culture of the bladder epithelium were obtained with exposure to the minimum dose, and in the culture of fibroblasts — to the average.

Compliance with ethical standards. The study does not require the presentation of the conclusion of the biomedical ethics committee and other documents.

Authors contribution

Authors contribution:Gribova Y.V. — concept and design of the study, collection and processing of material, statistical analysis, writing the text, editing;Bushueva T.V. — concept and design of the study, analysis and interpretation of results, statistical analysis, writing the text, editing;Karpova E.P. — collection and processing of material, writing the text;Labzova A.K. — collection and processing of material, editing;Sakhautdinova R.R. — editing;Gurvich V.B. — concept and design of the study, editing;Sutunkova M.P. — concept and design of the study, editing.All co-authors — approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Funding

Funding. The study had no sponsorship.

Received

Received: Jule 18, 2023 / Revised: November 11, 2023 / Accepted: March 10, 2024 / Published: April 27, 2024

митохондрииоксид мышьякаокислительный стрессскорость потребления кислородаАТФmitochondriaarsenic oxideoxidative stressoxygen consumption rateATPReferencesТурбинский В.В., Бортникова С.Б. О соотношении мышьяка и сурьмы в биогеохимических провинциях как факторов риска здоровью. Анализ риска здоровью. 2018; 3: 136–42. https://doi.org/10.21668/health.risk/2018.3.15Turbinskij V.V., Bortnikova S.B. On the ratio of arsenic and antimony in biogeochemical provinces as risk factors. Analiz riska zdorov`yu. 2018; 3: 136–42. https://doi.org/10.21668/health.risk/2018.3.15 (in Russian)Кольдибекова Ю.В., Землянова М.А., Пустовалова О.В., Пескова Е.В. Влияние повышенного содержания мышьяка в питьевой воде на изменения биохимических показателей негативных эффектов у детей, проживающих на территории природной геохимической провинции. Гигиена и санитария. 2020; 8(99): 834–40. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-8-834-840Koldibekova Yu.V., Zemlyanova M.A., Pustovalova O.V., Peskova E.V. The influence of the increased mouse content in drinking water on changes in biochemical indicators of negative effects in children living in the territory of the natural geochemical province. Gigiena i sanitariya. 2020; 8(99): 834–40. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-8-834-840 (in Russian)Zhao F., et al. Arsenic exposure induces the Warburg effect in cultured human cells. Toxicology and applied pharmacology. 2013; 271(1): 72–7. https://doi.org/10.1016/j.taap.2013.04.020Zhao F., et al. Arsenic exposure induces the Warburg effect in cultured human cells. Toxicology and applied pharmacology. 2013; 271(1): 72–7. https://doi.org/10.1016/j.taap.2013.04.020Lee C.H., Yu H.S. Role of mitochondria, ROS, and DNA damage in arsenic induced carcinogenesis. Front Biosci (Schol Ed). 2016 Jun 1; 8(2): 312–20. https://doi.org/10.2741/s465Lee C.H., Yu H.S. Role of mitochondria, ROS, and DNA damage in arsenic induced carcinogenesis. Front Biosci (Schol Ed). 2016 Jun 1; 8(2): 312–20. https://doi.org/10.2741/s465Altintas M.M., et al. Metabolic changes in peripheral blood mononuclear cells isolated from patients with end stage renal disease. Frontiers in endocrinology. 2021; 12: 629239. https//doi.org/10.3389/fendo.2021.629239Altintas M.M., et al. Metabolic changes in peripheral blood mononuclear cells isolated from patients with end stage renal disease. Frontiers in endocrinology. 2021; 12: 629239. https//doi.org/10.3389/fendo.2021.629239Hill B.G., et al. Integration of cellular bioenergetics with mitochondrial quality control and autophagy. Biological chemistry. 2012; 393(12): 1485–512.Hill B.G., et al. Integration of cellular bioenergetics with mitochondrial quality control and autophagy. Biological chemistry. 2012; 393(12): 1485–512.Chacko B.K., et al. The Bioenergetic Health Index: a new concept in mitochondrial translational research. Clinical science. 2014; 127(6): 367–73.Chacko B.K., et al. The Bioenergetic Health Index: a new concept in mitochondrial translational research. Clinical science. 2014; 127(6): 367–73.Jastroch M., et al. Mitochondrial proton and electron leaks. Essays in biochemistry. 2010; 47: 53–67. https://doi.org/10.1042/bse0470053Jastroch M., et al. Mitochondrial proton and electron leaks. Essays in biochemistry. 2010; 47: 53–67. https://doi.org/10.1042/bse0470053Lanza I.R., Nair K.S. Functional assessment of isolated mitochondria in vitro. Methods in enzymology. 2009; 457: 349–72. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(09)05020-4Lanza I.R., Nair K.S. Functional assessment of isolated mitochondria in vitro. Methods in enzymology. 2009; 457: 349–72. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(09)05020-4Chacko B.K., et al. Methods for defining distinct bioenergetic profiles in platelets, lymphocytes, monocytes, and neutrophils, and the oxidative burst from human blood. Laboratory investigation. 2013; 93(6): 690–700.Chacko B.K., et al. Methods for defining distinct bioenergetic profiles in platelets, lymphocytes, monocytes, and neutrophils, and the oxidative burst from human blood. Laboratory investigation. 2013; 93(6): 690–700.Dodson M., et al. Low-level arsenic causes proteotoxic stress and not oxidative stress. Toxicology and applied pharmacology. 2018; 341: 106–13. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.01.014Dodson M., et al. Low-level arsenic causes proteotoxic stress and not oxidative stress. Toxicology and applied pharmacology. 2018; 341: 106–13. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.01.014Hu Y., et al. The role of reactive oxygen species in arsenic toxicity. Biomolecules. 2020; 10(2): 240. https://doi.org/10.3390/biom10020240Hu Y., et al. The role of reactive oxygen species in arsenic toxicity. Biomolecules. 2020; 10(2): 240. https://doi.org/10.3390/biom10020240

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