danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-4-448-456dan-902Research ArticleБИОЛОГИЯBIOLOGYМолекулярная природа цитотоксичности наноструктур оксида цинкаMolecular nature of cytotoxicity of zinc oxide nanostructuresГармазаЮ. М.HarmazaYu. M.

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

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Harmaza Yuliya M. - Ph. D. (Biology), Leading researcher. Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya 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 V. - Ph. D. (Biology), Leading researcher. Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

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

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

ул. Академическая, 27, 220072, Минск.

Slobozhanina Ekaterina I. - Corresponding Member, D. Sc. (Biology), Professor, Head of the Laboratory. Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

slobozhanina@ibp.org.byИнститут биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus202030082020644448456Copyright © Гармаза Ю.М., Тамашевский А.В., Слобожанина Е.И., 20202020Гармаза 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/902

Проведен сравнительный анализ молекулярных процессов, вызванных воздействием наноструктурированного оксида цинка разной формы (стержни и сферические частицы), а также хлоридом цинка как источника свободных ионов на лимфоциты человека. Выявлено снижение процента жизнеспособных клеток при инкубации их в течение 20 и 40 ч с наноструктурами оксида цинка и хлоридом цинка за счет увеличения внутриклеточной концентрации лабильного пула Zn2+. Обнаружено, что наименьшей цитотоксичностью обладают наностержни оксида цинка, а наибольшей - хлорид цинка. Возможным механизмом цитотоксичного действия данных агентов выступает Zn-опосредованная активация свободнорадикальных процессов в клетке - увеличение накопления активных форм кислорода в модифицированных лимфоцитах. Таким образом, форма наноматериала и его способность «отдавать» ионы цинка вносят основной вклад в обнаруженные клеточные молекулярные процессы in vitro.

A comparative analysis of the molecular process of nanostructured zinc oxide of different shape (rod and spherical particle) and zinc chloride as a source of free ions on human lymphocytes was carried out. Our data indicated that ZnO nanostructures induced a decrease in the lymphocyte viability and an increase in the intracellular labile Zn2+ pool in a concentration-dependent manner after 20 and 40 h incubation with cells. It was found that ZnO NRs have the lowest cytotoxicity, but ZnCl2 - the highest. The Zn-mediated activation of free radical processes - ROS accumulation in the cells -is a possible mechanism of the cytotoxic action of these agents. Thus, the shape of ZnO nanomaterial and its ability “to shed” zinc ions make the main contribution to the detected molecular and membrane process on human lymphocytes in vitro.

лимфоциты человекананостержни и наночастицы оксида цинкажизнеспособностьлабильный пул цинкаактивные формы кислородаhuman lymphocyteszinc oxide nanorods and nanoparticlesviabilitya label zinc poolreactive oxygen speciesАвторы выражают благодарность заведующему лабораторией Института атомной физики и спектроскопии Латвийского университета (г. Рига, Латвия) канд. физ.-мат. наук Р. В. Витеру за предоставленные образцы наноструктурированного оксида цинка. Работа поддержана грантом БРФФИ (проект Б17-128).The authors are grateful to the Head of the Laboratory of Institute of Atomic Physics and Spectroscopy of the University of Latvia (Riga, Latvia) Ph. D. R. V. Viter for the provided samples of nanostructured zinc oxide. This work was supported by the BRFFR (grant Б17-128).ReferencesThe size of zinc oxide nanoparticles controls its toxicity through impairing autophagic flux in A549 lung epithelial cells / B. Wang [et al.] // Toxicol. Lett. - 2018. - Vol. 285. - P. 51-59. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2017.12.025Wang B., Zhang J., Chen C., Xu G., Qin X., Hong Y., Bose D. D., Qiu F., Zou Z. The size of zinc oxide nanoparticles controls its toxicity through impairing autophagic flux in A549 lung epithelial cells. Toxicology Letters, 2018, vol. 285, pp. 51-59. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2017.12.025Size-dependent cytotoxicity study of ZnO nanoparticles in HepG2 cells / P. Chen [et al.] // Ecotoxicol. Environ. Saf. -2019. - Vol. 171. - P. 337-346. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.12.096Chen P., Wang H., He M., Chen B., Yang B., Hu B. Size-dependent cytotoxicity study of ZnO nanoparticles in HepG2 cells. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, vol. 171, pp. 337-346. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.12.096Zinc overload mediated by zinc oxide nanoparticles as innovative anti-tumor agent / N. Wiesmann [et al.] // J. Trace Elem. Med. Biol. - 2019. - Vol. 51. - P. 226-234. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2018.08.002Wiesmann N., Kluenker M., Demuth P., Brenner W., Tremel W., Brieger J. Zinc overload mediated by zinc oxide nanoparticles as innovative anti-tumor agent. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 2019, vol. 51, pp. 226-234. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2018.08.002A review on ZnO nanostructured materials: energy, environmental and biological applications / J. Theerthagiri [et al.] // Nanotechnology. - 2019. - Vol. 30, N 39. - P. 392001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab268aTheerthagiri J., Salla S., Senthil R. A., Nithyadharseni P., Madankumar A., Arunachalam P., Maiyalagan T., Kim H. S. A review on ZnO nanostructured materials: energy, environmental and biological applications. Nanotechnology, 2019, vol. 30, no. 39, pp. 392001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab268aВлияние внутриклеточного уровня ионов цинка на перераспределение фосфатидилсерина в мембранах и жизнеспособность эритроцитов человека / Ю. М. Гармаза [и др.] // Новости мед.-биолог. наук. - 2011. - Т. 3, № 1. - С. 90-95.Harmaza Y. M., Tamashevski A. V., Goncharova N. V., Slobozhanina E. I. Influence of intracellular level of zinc in human erythrocytes on the redistribution of phosphatidylserine and their viability. Novosti mediko-biologicheskih nauk = News of biomedical sciences, 2011, vol. 3, no 1, pp. 90-95 (in Russian).Harmaza, 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/s0006350914020092Singh, S. Zinc oxide nanoparticles impacts: cytotoxicity, genotoxicity, developmental toxicity, and neurotoxicity / S. Singh // Toxicol. Mech. Methods. - 2019. - Vol. 29, N 4. - P. 300-311. https://doi.org/10.1080/15376516.2018.1553221Singh S. Zinc oxide nanoparticles impacts: cytotoxicity, genotoxicity, developmental toxicity, and neurotoxicity. Toxicology Mechanisms and Methods, 2019, vol. 29, no. 4, pp. 300-311. https://doi.org/10.1080/15376516.2018.1553221Гармаза, Ю. М. Мембранные эффекты воздействия наностержней и наночастиц оксида цинка на лимфоциты человека / Ю. М. Гармаза, А. В. Тамашевский, Е. И. Слобожанина // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. - 2019. - Т. 63, № 1. - С. 72-78. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-1-72-78Harmaza Yu. M., Tamashevski A. V., Slobozhanina E. I. Membrane effects of zinc oxide nanorods and nanoparticles in human lymphocytes. Doklady Natsional'noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2019, vol. 63, no. 1, pp. 72-78 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2019-63-1-72-78Tabas, I. Secretory sphingomyelinase / I. Tabas // Chem. Phys. Lipids. - 1999. - Vol. 102, N 1-2. - P. 123-130. https://doi.org/10.1016/s0009-3084(99)00080-8Tabas I. Secretory sphingomyelinase. Chemistry and Physics of Lipids, 1999, vol. 102, no. 1-2, pp. 123-130. https://doi.org/10.1016/s0009-3084(99)00080-8Measuring zinc in living cells. A new generation of sensitive and selective fluorescent probes / K. R. Gee [et al.] // Cell Calcium. - 2002. - Vol. 31, N 5. - P. 245-251. https://doi.org/10.1016/s0143-4160(02)00053-2Gee K. R., Zhou Z. L., Ton-That D., Sensi S. L., Weiss J. H. Measuring zinc in living cells. A new generation of sensitive and selective fluorescent probes. Cell Calcium, 2002, vol. 31, no. 5, pp. 245-251. https://doi.org/10.1016/s0143-4160(02)00053-2Внутриклеточный цинк: роль в Н2О2-индуцированном окислительном стрессе в эритроцитах человека / Ю. М. Гармаза [и др.] // Биофизика. - 2016. - Т. 61, вып. 6. - С. 1149-1158.Harmaza Yu. M., Tamashevski A. V., Kanash Yu. S., Zubritskaya G. P., Kutko A. G., Slobozhanina E. I. The role of intracellular zinc in H2O2-induced oxidative stress in human erythrocytes. Biophysics, 2016, vol. 61, no. 6, pp. 950-958. https://doi.org/10.1134/s200206350916060087Гармаза, Ю. M. Zn-дефицитные состояния в эритроцитах человека in vitro и свободнорадикальные процессы / Ю. М. Гармаза, А. В. Тамашевский // Журн. Белорус. гос. ун-та. Экология. - 2017. - № 3. - С. 54-63.Harmaza Yu. M., Tamashevski A. V. Zn-deficient states in human erythrocytes in vitro and free radical processes. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya = Journal of Belarusian State University. Ecology, 2017, vol. 3, pp. 54-63 (in Russian).Zinc-induced cortical neuronal death with features of apoptosis and necrosis: mediation by free radicals / Y. H. Kim [et al.] // Neuroscience. - 1999. - Vol. 89, N 1. - P. 175-182. https://doi.org/10.1016/s0306-4522(98)00313-3Kim Y. H., Kim E. Y., Gwag B. J., Sohn S., Koh J. Y. Zinc-induced cortical neuronal death with features of apoptosis and necrosis: mediation by free radicals. Neuroscience, 1999, vol. 89, no. 1, pp. 175-182. https://doi.org/10.1016/s0306-4522(98)00313-3Choi, D. W. Zinc and brain injury / D. W. Choi, J. Y. Koh // Annu. Rev. Neurosci. - 1998. - Vol. 21, N 1. - P. 347-375. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.21.1.347Choi D. W., Koh J. Y. Zinc and brain injury. Annual Review of Neuroscience, 1998, vol. 21, no. 1, pp. 347-375. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.21.1.347Quantitative multiwell myeloid differentiation assay using dichlorodihydrofluorescein diacetate (H2DCF-DA) or dihydrorhodamine 123 (H2R123) / I. D. Trayner [et al.] // J. Immun. Meth. - 1995. - Vol. 186, N 2. - P. 2725-284. https://doi.org/10.1016/0022-17592(95)00152-zTrayner I. D., Rayner A. P., Freeman G. E., Farzaneh F. Quantitative multiwell myeloid differentiation assay using dichlorodihydrofluorescein diacetate (H2DCF-DA) or dihydrorhodamine 123 (H2R123). Journal of Immunological Methods, 1995, vol. 186, no. 2, pp. 275-284. https2://doi.org/10.1016/0022-1759(95)00152-z

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