danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2019-63-1-72-78dan-587Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYМембранные эффекты воздействия наностержней и наночастиц оксида цинка на лимфоциты человекаMembrane effects of zinc oxide nanorods and nanoparticles in human lymphocytesГармазаЮ. М.HarmazaYu. M.

Гармаза Юлия Михайловна - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Harmaza Yuliya Mikhailovna - Ph. D. (Biology), Leading researcher.

27, Akade-micheskaya Str., 220072, Minsk

garmaza@yandex.ruТамашевскийА. В.TamashevskiA. V.

Тамашевский Александр Владимирович - кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Tamashevski Alexander Vladimirovich - Ph. D. (Biology), Leading researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

tayzoe@mail.ruСлобожанинаЕ. И.SlobozhaninaE. I.

Слобожанина Екатерина Ивановна - член-корреспондент, доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией.

Ул. Академическая, 27, 220072, Минск

Slobozhanina Ekaterina Ivanovna - Corresponding Member, D. Sc. (Biology), Professor, Head of Laboratory.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

slobozhanina@ibp.org.byИнститут биофизики и клеточной инженерии, Национальная академия наук БеларусиInstitute of Biophysics and Cell Engineering, National Academy of Sciences of Belarus2019120320196317278Copyright © Гармаза Ю.М., Тамашевский А.В., Слобожанина Е.И., 20192019Гармаза Ю.М., Тамашевский А.В., Слобожанина Е.И.Harmaza Y.M., Tamashevski A.V., Slobozhanina E.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/587

Выявлено снижение микровязкости в гидрофильной области и ее увеличение в гидрофобной области липидного бислоя (внешнего монослоя) мембраны лимфоцитов после воздействия наностержней оксида цинка (ZnO NRs). При этом не обнаружено статистически достоверных изменений исследуемых параметров при действии наночастиц оксида цинка (ZnO NPs). Изучение структурного состояния белкового компонента клеточных мембран выявило увеличение количества NH2-групп на поверхности мембран только после действия ZnO NRs. Установлено, что экспозиция клеток с ZnO NPs сопровождалась увеличением содержания SH-групп белков на поверхности мембран лимфоцитов, а взаимодействие ZnO NRs с клеткой приводило к окислению белковых сульфгидрильных групп. Согласно результатам сканирующей электронной микроскопии геометрические размеры наночастиц не превышали 30-100 нм, а диаметр наностержней оксида цинка составлял 70-150 нм при их длине до 500 нм. Полученные результаты могут быть частично объяснены возможностью наночастиц проникать внутрь клетки, а предполагаемым механизмом взаимодействия наностержней с клеткой является электростатическое взаимодействие или «прокалывание» цитоплазматической мембраны.

The study of the physical state of membrane lipids after the exposure of lymphocytes to ZnO NRs revealed a decrease in the lipid microviscosity of the hydrophilic membrane area and its increase in the hydrophobic area (external monolayer). The effects of ZnO NPs on membrane lipid components were not significant. Investigations of the membrane proteins conformation state revealed a rise of the protein NH2-groups level on the membrane surface only after the lymphocytes exposure to ZnO NRs. The level of SH-groups of the membrane protein after the action of ZnO NPs increased, otherwise the interaction of ZnO NRs with cells leads to the oxidation of thiol groups. According to the results of SEM, the geometric size of ZnO NPs did not exceed 30-100 nm, the diameter of ZnO NRs was 70-150 nm and the length - more than 500 nm. So the obtained results of toxicological tests can be partly explained by the possibility of ZnO NPs to enter into the cell but the most probable mechanisms for the NRs interaction with the cell are an electrostatic interaction or membrane puncturing.

наностержни и наночастицы оксида цинкамикровязкость липидного бислояструктурное состояние мембранных белковлимфоциты человекаzinc oxide nanorods and nanoparticleslipid bilayer microviscositya structural state of membrane proteinshuman lymphocytesБРФФИ, грант № Б17-128BRFFR, grant Б17-128ReferencesXiong, H. M. ZnO nanoparticles applied to bioimaging and drug delivery / H. M. Xiong // Adv. Mater. - 2013. -Vol. 25, N 37. - P. 5329-5335. https://doi.org/10.1002/adma.201301732Xiong H. M. ZnO nanoparticles applied to bioimaging and drug delivery. Advanced Materials, 2013, vol. 25, no. 37, pp. 5329-5335. https://doi.org/10.1002/adma.201301732Imaging of zinc oxide nanoparticle penetration in human skin in vitro and in vivo / A. V. Zvyagin [et al.] // J. Biomed. Opt. - 2008. - Vol. 13, N 6. - P. 064031. https://doi.org/10.1117/L3041492Zvyagin A. V, Zhao X., GierdenA., Sanchez W., Ross J. A., Roberts M. S. Imaging of zinc oxide nanoparticle penetration in human skin in vitro and in vivo. Journal ofBiomedical Optics, 2008, vol. 13, no. 6, pp. 064031. https://doi.org/10.1117/L3041492Ultrasensitive detection of cytokines enabled by nanoscale ZnO arrays / V. Adalsteinsson [et al.] // Anal. Chem. -2008. - Vol. 80, N 17. - P. 6594-6601. https://doi.org/10.1021/ac800747qAdalsteinsson V, Parajuli O., Kepics S., Gupta A., Reeves W. B., Hahm J. I. Ultrasensitive detection of cytokines enabled by nanoscale ZnO arrays. Analytical Chemistry, 2008, vol. 80, no. 17, pp. 6594-6601. https://doi.org/10.1021/ac800747qPredictive value of in vitro assays depends on the mechanism of toxicity of metal oxide nanoparticles / W. S. Cho [et al.] // Part Fibre. Toxicol. - 2013. - Vol. 10, N 1. - P. 55. https://doi.org/10.1186/1743-8977-10-55Cho W. S., Duffin R., Bradley M., Megson I. L., MacNee W., Lee J. K., Jeong J., Donaldson K. Predictive value of in vitro assays depends on the mechanism of toxicity of metal oxide nanoparticles. Particle and Fibre Toxicology, 2013, vol. 10, no. 1, pp. 55. https://doi.org/10.1186/1743-8977-10-55Application of short-term inhalation studies to assess the inhalation toxicity of nanomaterials / R. Landsiedel [et al.] // Part Fibre Toxicol. - 2014. - Vol. 11, N 1. - P. 16. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-16Landsiedel R., Ma-Hock L., Hofmann T., Wiemann M., Strauss V., Treumann S., Wohlleben W., Groters S., Wiench K., van Ravenzwaay B. Application of short-term inhalation studies to assess the inhalation toxicity of nanomaterials. Particle and Fibre Toxicology, 2014, vol. 11, no. 1, pp. 16. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-16Toxicity assessment of zinc oxide nanoparticles using sub-acute and sub-chronic murine inhalation models / A. Adam-cakova-Dodd [et al.] // Part Fibre Toxicol. - 2014. - Vol. 11, N 1. - P. 15. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-15Adamcakova-Dodd A., Stebounova L. V., Kim J. S., Vorrink S. U., Ault A. P., O’Shaughnessy P. T., Grassian V. H., Thorne P. S. Toxicity assessment of zinc oxide nanoparticles using sub-acute and sub-chronic murine inhalation models. Particle and Fibre Toxicology, 2014, vol. 11, no. 1, pp. 15. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-15Particulate nature of inhaled zinc oxide nanoparticles determines systemic effects and mechanisms of pulmonary inflammation in mice / J. K. Chen [et al.] // Nanotoxicology. - 2014. - Vol. 9, N 1. - P. 43-53. https://doi.org/10.3109/17435390.2014.886740Chen J. K., Ho C. C., Chang H., Lin J. F., Yang C. S., Tsai M. H., Tsai H. T., Lin P. Particulate nature of inhaled zinc oxide nanoparticles determines systemic effects and mechanisms of pulmonary inflammation in mice. Nanotoxicology, 2014, vol. 9, no. 1, pp. 43-53. https://doi.org/10.3109/17435390.2014.886740In vitro mechanistic study towards a better understanding of ZnO nanoparticle toxicity / T. Buerki-Thurnherr [et al.] // Nanotoxicology. - 2012. - Vol. 7, N 4. - P. 402-416. https://doi.org/10.3109/17435390.2012.666575Buerki-Thurnherr T., Xiao L., Diener L., Arslan O., Hirsch C., Maeder-Althaus X., Grieder K., Wampfler B., Mathur S., Wick P., Krug H. F. In vitro mechanistic study towards a better understanding of ZnO nanoparticle toxicity. Nanotoxicology, 2012, vol. 7, no. 4, pp. 402-416. https://doi.org/10.3109/17435390.2012.666575Acute exposure to ZnO nanoparticles induces autophagic immune cell death / B. M. Johnson [et al.] // Nanotoxicology. -2014. - Vol. 9, N 6. - P. 737-748. https://doi.org/10.3109/17435390.2014.974709Johnson B. M., Fraietta J. A., Gracias D. T., Hope J. L., Stairiker C. J., Patel P. R., Mueller Y. M., McHugh M. D., Jablonowski L. J., Wheatley M. A., Katsikis P. D. Acute exposure to ZnO nanoparticles induces autophagic immune cell death. Nanotoxicology, 2014, vol. 9, no. 6, pp. 737-748. https://doi.org/10.3109/17435390.2014.974709Zinc oxide nanoparticle induced autophagic cell death and mitochondrial damage via reactive oxygen species generation / K. N. Yu [et al.] // Toxicol. in Vitro. - 2013. - Vol. 27, N 4. - P. 1187-1195. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2013.02.010Yu K. N., Yoon T. J., Minai-Tehrani A., Kim J. E., Park S. J., Jeong M. S., Ha S. W., Lee J. K., Kim J. S., Cho M. H. Zinc oxide nanoparticle induced autophagic cell death and mitochondrial damage via reactive oxygen species generation. Toxicology in Vitro, 2013, vol. 27, no. 4, pp. 1187-1195. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2013.02.010Evaluation of the cytotoxic and inflammatory potential of differentially shaped zinc oxide nanoparticles / B. C. Heng [et al.] // Arch. Toxicol. - 2011. - Vol. 85, N 12. - P. 1517-1528. https://doi.org/10.1007/s00204-011-0722-1Heng B. C., Zhao X., Tan E. C., Khamis N., Assodani A., Xiong S., Ruedl C., Ng K. W., Loo J. S. Evaluation of the cytotoxic and inflammatory potential of differentially shaped zinc oxide nanoparticles. Archives of Toxicology, 2011, vol. 85, no. 12, pp. 1517-1528. https://doi.org/10.1007/s00204-011-0722-1Effects of surface-modifying ligands on the colloidal stability of ZnO nanoparticle dispersions in vitro cytotoxicity test media / D. Kwon [et al.] // Int. J. Nanomedicine. - 2014. - Vol. 9, N 2. - P. 57-65. https://doi.org/10.2147/ijn.s57924Kwon D., Park J., Park J., Choi S. Y., Yoon T. H. Effects of surface-modifying ligands on the colloidal stability of ZnO nanoparticle dispersions in vitro cytotoxicity test media. International Journal of Nanomedicine, 2014, vol. 9, no. 2, pp. 5765. https://doi.org/10.2147/ijn.s57924Jiang, W. Bacterial toxicity comparison between nanoand micro-scaled oxide particles / W. Jiang, H. Mashayekhi, B. Xing // Environ. Pollut. - 2009. - Vol. 157, N 5. - P. 1619-1625. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.12.025Jiang W., Mashayekhi H., Xing B. Bacterial toxicity comparison between nanoand micro-scaled oxide particles. Environmental Pollution, 2009, vol. 157, no. 5, pp. 1619-1625. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.12.025Optical, nanostructural, and biophysical properties of Zn-induced changes in human erythrocyte membranes / A. Ya. Khairullina [et al.] // Optics and Spectroscopy. - 2011. - Vol. 110, N 4. - P. 534-540. https://doi.org/10.1134/s0030400x11040138Khairullina A. Ya., Ol’shanskaya T. V., Filimonenko D. S., Kozlova N. M., Garmaza Yu. M., Slobozhanina E. I. Optical, nanostructural, and biophysical properties of Zn-induced changes in human erythrocyte membranes. Optics and Spectroscopy, 2011, vol. 110, no. 4, pp. 534-540. https://doi.org/10.1134/s0030400x11040138Harmaza, Y. M. Zinc essentiality and toxicity. Biophysical aspects / Y. M. Harmaza, E. I. Slobozhanina // Biophysics. -2014. - Vol. 59, N 2. - P. 264-275. https://doi.org/10.1134/s0006350914020092Harmaza Y. M., Slobozhanina E. I. Zinc essentiality and toxicity. Biophysical aspects. Biophysics, 2014, vol. 59, no. 2, pp. 264-275. https://doi.org/10.1134/s0006350914020092

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