Роль биологически активных средств в повышении устойчивости организма к токсическому действию наночастиц (обзор литературы)

Введение. Необходимость повышения устойчивости организма человека к токсическому действию наночастиц (НЧ) обусловлена их широким распространением. Контакт человека с НЧ не ограничивается производственной деятельностью: он может произойти из-за загрязнения окружающей среды, либо ввиду их целенаправленного применения (например, в медицине и косметологии). Полное устранение экспозиции к НЧ и вредного действия на организм человека, обусловленного ею на данном этапе технологического развития, представляется невозможным, что делает проблему актуальной. 

Цель исследования — изучить возможности биологически активных средств (витаминов, макро- и микроэлементов, флавоноидов и др.) повышать устойчивость организма к действию НЧ. 

Материал и методы. Проведён анализ и обобщение современных научных исследований. Поиск публикаций проводился по базам данных PubMed, Web of Science, GoogleScholar, а также российским научным электронным библиотекам eLibrary.ru и CyberLeninka. Отбор статей осуществлялся по принципу наличия в них сведений о негативном влиянии на организм НЧ (1–100 нм) и о снижении их токсичности с помощью биопротекторов, а объектом исследования являлись лабораторные животные. Было проанализировано более 70 статей, в результате из них отобран 31 полнотекстовой материал. 

Результаты. Показана возможность биологически активных средств повышать устойчивость живого организма, в том числе теплокровных млекопитающих, к воздействию наночастиц. Обнаружено защитное действие витамина Е от нефротоксического действия НЧ золота (Au), токсического действия НЧ серебра (Ag); витамина С против гепатотоксического действия НЧ оксида титана (IV) (TiO₂), репротоксичности НЧ никеля (Ni); витаминов группы В от токсичности, индуцированной НЧ оксида цинка (ZnO). В исследованиях показано протекторное действие селена от НЧ Ag, в том числе отмечены кардиопротекторные эффекты. Защитные эффекты от нефро-, нейро- и гепатотоксичности наночастиц показали флавоноиды (гесперидин, кверцетин). Кроме того, отмечена их положительная роль в восстановлении митохондриальной дисфункции. Аминокислота L-аргинин также проявила способность благотворно влиять на организм при интоксикации, индуцированной НЧ Au.

Ограничения исследования. В обзор вошли материалы из открытых источников, опубликованных на русском и/или английском языках.

Заключение. Представленный обзор литературы позволяет выявить наиболее эффективные способы повышения устойчивости живого организма к действию НЧ.

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

Участие авторов:
Рябова Ю.В. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование;
Шабардина Л.В. — сбор и обработка материала.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи. 

Конфликт интересов. авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт бюджета ФБУН «Екатеринбургский медицинский – научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора.

Поступила в редакцию: 20 января 2023 / Принята в печать: 02 февраля 2023 / Опубликована: 30 апреля 2023 

1. Manke A., Wang L., Rojanasakul Y. Mechanisms of nanoparticle-induced oxidative stress and toxicity. Biomed Res Int. 2013; 2013: 942916. https://doi.org/10.1155/2013/942916

2. Hedayati S.A., Farsani H.G., Naserabad S.S., Hoseinifar S.H., Van Doan H. Protective effect of dietary vitamin E on immunological and biochemical induction through silver nanoparticles (AgNPs) inclusion in diet and silver salt (AgNO3) exposure on Zebrafish (Danio rerio). Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2019; 222: 100–7. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2019.04.004

3. Bakr M.M., Al-Ankily M.M., Shogaa S.M., Shamel M. Attenuating Effect of Vitamin E against Silver Nano Particles Toxicity in Submandibular Salivary Glands. Bioengineering (Basel). 2021; 8(12): 219. https://doi.org/10.3390/bioengineering8120219

4. Abdelhalim M.A.K., Qaid H.A., Al-Mohy Y.H., Ghannam M.M. The Protective Roles of Vitamin E and α-Lipoic Acid Against Nephrotoxicity, Lipid Peroxidation, and Inflammatory Damage Induced by Gold Nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2020; 15: 729–34. https://doi.org/10.2147/IJN.S192740

5. Baky N.A., Faddah L.M., Al-Rasheed N.M., Al-Rasheed N.M., Fatani A.J. Induction of inflammation, DNA damage and apoptosis in rat heart after oral exposure to zinc oxide nanoparticles and the cardioprotective role of α-lipoic acid and vitamin E. Drug Res (Stuttg). 2013; 63(5): 228–36. https://doi.org/10.1055/s-0033-1334923

6. Kalender S., Kalender Y., Ogutcu A., Uzunhisarcikli M., Durak D., Açikgoz F. Endosulfan-induced cardiotoxicity and free radical metabolism in rats: the protective effect of vitamin E. Toxicology. 2004; 202(3): 227–35. https://doi.org/10.1016/j.tox.2004.05.010

7. Hajirezaee S., Mohammadi G., Naserabad S.S. The protective effects of vitamin C on common carp (Cyprinus carpio) exposed to titanium oxide nanoparticles (TiO2-NPs). Aquaculture. 2020; 518: 734734. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2019.734734

8. Taghyan S.A., Messiry H.E., Zainy M.A.E. Evaluation of the toxic effect of silver nanoparticles and the possible protective effect of ascorbic acid on the parotid glands of albino rats: аn in vivo study. Toxicol Ind Health. 2020; 36(6): 446–53. https://doi.org/10.1177/0748233720933071

9. Kong L., Hu W., Lu C., Cheng K., Tang M.. Mechanisms underlying nickel nanoparticle induced reproductive toxicity and chemo-protective effects of vitamin C in male rats. Chemosphere. 2019; 218: 259–65. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.11.128

10. Hafez A.A., Naserzadeh P., Ashtari K., Mortazavian A.M., Salimi A. Protection of manganese oxide nanoparticles-induced liver and kidney damage by vitamin D. Regul Toxicol Pharmacol. 2018; 98: 240–4. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2018.08.005

11. Yousef J.M., Mohamed A.M. Prophylactic role of B vitamins against bulk and zinc oxide nano-particles toxicity induced oxidative DNA damage and apoptosis in rat livers. Pak J Pharm Sci. 2015; 28(1): 175–84.

12. Ansar S., Abudawood M., Hamed S.S., Aleem M.M. Sodium selenite protects against silver nanoparticle-induced testicular toxicity and inflammation. Biol Trace Elem Res. 2017; 175(1): 161–8. https://doi.org/10.1007/s12011-016-0759-3

13. Ansar S., Alshehri S.M., Abudawood M., Hamed S.S., Ahamad T. Antioxidant and hepatoprotective role of selenium against silver nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2017; 12: 7789–97. https://doi.org/10.2147/IJN.S136748

14. Ma W., He S., Ma H., Jiang H., Yan N., Zhu L., Bang J.J., Li P.A., Jia S. Silver nanoparticle exposure causes pulmonary structural damage and mitochondrial dynamic imbalance in the rat: protective effects of sodium selenite. Int J Nanomedicine. 2020; 15: 633–45. https://doi.org/10.2147/IJN.S232986

15. Ma W., He S., Xu Y., Qi G., Ma H., Bang J.J., Li P.A. Ameliorative effect of sodium selenite on silver nanoparticles-induced myocardiocyte structural alterations in rats. Int J Nanomedicine. 2020; 15: 8281–92. https://doi.org/10.2147/IJN.S271457

16. Abdelhalim M.A.K., Moussa S.A.A., Qaid H.A.Y. The protective role of quercetin and arginine on gold nanoparticles induced hepatotoxicity in rats. Int J Nanomedicine. 2018; 13: 2821–5. https://doi.org/10.2147/IJN.S160995

17. Abdelhalim M.A.K., Qaid H.A., Al-Mohy Y., Al-Ayed M.S. Effects of quercetin and arginine on the nephrotoxicity and lipid peroxidation induced by gold nanoparticles in vivo. Int J Nanomedicine. 2018; 13: 7765–70. https://doi.org/10.2147/IJN.S183281

18. Fadda L.M., Hagar H., Mohamed A.M., Ali H.M. Quercetin and idebenone ameliorate oxidative stress, inflammation, DNA damage, and apoptosis induced by titanium dioxide nanoparticles in rat liver. Dose Response. 2018; 16(4). https://doi.org/10.1177/1559325818812188

19. Al-Rasheed N.M., Faddah L.M., Mohamed A.M., Abdel Baky N.A., Al-Rasheed N.M., Mohammad R.A. Potential impact of quercetin and idebenone against immuno- inflammatory and oxidative renal damage induced in rats by titanium dioxide nanoparticles toxicity. J Oleo Sci. 2013; 62(11): 961–71. https://doi.org/10.5650/jos.62.961

20. Waseem M., Kaushik P., Dutta S., Chakraborty R., Hassan M.I., Parvez S. Modulatory role of quercetin in mitochondrial dysfunction in titanium dioxide nanoparticle-induced hepatotoxicity. ACS Omega. 2022; 7(4): 3192–202. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c04740

21. Dora M.F., Taha N.M., Lebda M.A., Hashem A.E., Elfeky M.S., El-Sayed Y.S., Jaouni S.A., El-Far A.H. Quercetin Attenuates Brain Oxidative Alterations Induced by Iron Oxide Nanoparticles in Rats. Int J Mol Sci. 2021; 22(8): 3829. https://doi.org/10.3390/ijms22083829

22. Noshy P.A., Khalaf A.A.A., Ibrahim M.A., Mekkawy A.M., Abdelrahman R.E., Farghali A., Tammam A.A., Zaki A.R. Alterations in reproductive parameters and steroid biosynthesis induced by nickel oxide nanoparticles in male rats: The ameliorative effect of hesperidin. Toxicology. 2022; 473: 153208. https://doi.org/10.1016/j.tox.2022.153208

23. Tammam A.A.-E., Khalaf A.A.А., Zaki A.R., Khalifa M.M., Ibrahim M.A., Mekkawy A.M., Abdelrahman R.E., Farghali A., Noshy P.A. Hesperidin protects rats’ liver and kidney from oxidative damage and physiological disruption induced by nickel oxide nanoparticles. Front Physiol. 2022; 13: 912625. https://doi.org/10.3389/fphys.2022.912625

24. Ansar S., Abudawood M., Alaraj A.S.A., Hamed S.S. Hesperidin alleviates zinc oxide nanoparticle induced hepatotoxicity and oxidative stress. BMC Pharmacol Toxicol. 2018; 19(1): 65. https://doi.org/10.1186/s40360-018-0256-8

25. Privalova L.I., Sutunkova M.P., Minigaliyeva I.A., Klinova S.V., Ryabova Iu.V., Solovyova S.N., Bushueva T.V., Fröhlich E., Shur V.Ya., Zubarev I.V., Makeyev O.H., Valamina I.E., Panov V.G., Shishkina E.V., Gurvich V.B., Katsnelson B.A. Experimental assessments of metallic and metal oxide nanoparticles’ toxicity. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019; 699: 012037. https://doi.org/10.1088/1757-899X/699/1/012037

26. Привалова Л.И., Рябова Ю.В., Сутункова М.П., Гурвич В.Б., Минигалиева И.А., Бушуева Т.В., Тажигулова А.В., Соловьева С.Н., Кацнельсон Б.А. Профилактика комбинированного цитотоксического действия наночастиц оксидов селена и меди в эксперименте. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2022; (9): 43–4. https://doi.org/10.35627/2219-5238/2022-30-9-43-48

27. Abdelazeim S.A., Shehata N.I., Aly H.F., Shams S.G.E. Amelioration of oxidative stress-mediated apoptosis in copper oxide nanoparticles-induced liver injury in rats by potent antioxidants. Sci Rep. 2020; 10(1): 10812. https://doi.org/10.1038/s41598-020-67784-y

28. Faddah L.M., Abdel Baky N.A., Al-Rasheed N.M., Al-Rasheed N.M., Fatani A.J., Atteya M. Role of quercetin and arginine in ameliorating nano zinc oxide-induced nephrotoxicity in rats. BMC Complement Altern Med. 2012; 12: 60. https://doi.org/10.1186/1472-6882-12-60

29. Moradi A., Ziamajidi N., Ghafourikhosroshahi A., Abbasalipourkabir R. Effects of vitamin A and vitamin E on attenuation of titanium dioxide nanoparticles-induced toxicity in the liver of male Wistar rats. Mol Biol Rep. 2019; 46(3): 2919–32. https://doi.org/10.1007/s11033-019-04752-4

30. Afshari-Kaveh M., Abbasalipourkabir R., Nourian A., Ziamajidi N. The protective effects of vitamins a and e on titanium dioxide nanoparticles (nTiO2)-induced oxidative stress in the spleen tissues of male Wistar rats. Biol Trace Elem Res. 2021; 199(10): 3677–87. https://doi.org/10.1007/s12011-020-02487-z

31. Abdelazim A.M., Saadeldin I.M., Swelum A.A., Afifi M.M., Alkaladi A. Oxidative stress in the muscles of the fish nile tilapia caused by zinc oxide nanoparticles and its modulation by vitamins C and E. Oxid Med Cell Longev. 2018; 2018: 6926712. https://doi.org/10.1155/2018/6926712

32. Alkaladi A. Vitamins E and C ameliorate the oxidative stresses induced by zinc oxide nanoparticles on liver and gills of Oreochromis niloticus. Saudi J Biol Sci. 2019; 26(2): 357–62. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2018.07.001

33. Abdelhalim M.A.K., Moussa S.A.A., Qaid H.A., Al-Ayed M.S. Potential effects of different natural antioxidants on inflammatory damage and oxidative-mediated hepatotoxicity induced by gold nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2018; 13: 7931–8. https://doi.org/10.2147/IJN.S171931

34. Al-Rasheed N.M., Al-Rasheed N.M., Abdel Baky N.A., Faddah L.M., Fatani A.J., Hasan I.H., Mohamad R.A. Prophylactic role of α-lipoic acid and vitamin E against zinc oxide nanoparticles induced metabolic and immune disorders in rat’s liver. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2014; 18(12): 1813–28.

35. Abdelkarem H.M., Fadda L.H., El-Sayed E.M., Radwan O.K. Potential role of L-arginine and vitamin E against bone loss induced by nano-zinc oxide in rats. J Diet Suppl. 2018; 15(3): 300–10. https://doi.org/10.1080/19390211.2017.1343889

36. Mohamed A.S., Soliman H.A., Ghannam H.E. Ameliorative effect of vitamins (E and C) on biochemical alterations induced by sublethal concentrations of zinc oxide bulk and nanoparticles in Oreochromis niloticus. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2021; 242: 108952. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2020.108952