ssmuБюллетень сибирской медициныBulletin of Siberian Medicine1682-03631819-3684Siberian State Medical University, the Ministry of Healthcare of the Russian Federation10.20538/1682-0363-2018-3-157-167ssmu-1295Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL PAPERSИзучение гемосовместимости магнитных наночастиц магнетита и композитных частиц магнетита-кремнезема in vitroHemocompatibility of magnetic magnethite nanoparticles and magnetite-silica composites in vitroТороповаЯ. Г.ToropovaY. G.

Торопова Яна Геннадьевна - кандидат биологических наук, зав. НИЛ биопротезирования и кардопротекции.

194156,  Санкт-Петербург,  пр. Пархоменко, 15б

Toropova Yana G. - PhD, Associate Professor, Head of Bioprosthetics and cardioprotection Research Lab.

15b, Parkhomenko Av., Saint-Petersburg, 194156

yana.toropova@mail.ruПечниковаН. А.PechnikovaN. A.

Печникова Надежда Александровна - специалист, группа доклинических исследований, НМИЦ им. В.А. Алмазова; СПГХФА.

194156,  Санкт-Петербург,  пр. Пархоменко, 15б; 197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 14а

Pechnikova Nadezhda A. - Еxpert of Рreclinical Research Group, V.A. Almazov NNWMRC.

15b, Parkhomenko Av., Saint-Petersburg, 194156; 14a, Professor Popov Str., Saint-Petersburg, 197022

ЗелинскаяИ. А.ZelinskayaI. A.

Зелинская Ирина Александровна - младший научный сотрудник, НМИЦ им. В.А. Алмазова.

194156,  Санкт-Петербург,  пр. Пархоменко, 15б; 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

Zelinskaya Irina A. - Junior Researcher, V.A. Almazov NNWMRC.

15b, Parkhomenko Av., Saint-Petersburg, 194156; 49, Kronverskiy  Av., Saint-Petersburg, 197101

КоролевД. В.KorolevD. V.

Королёв Дмитрий Владимирович - канд. техн. наук, доцент, зав. НИЛ нанотехнологий, НМИЦ им. В.А. Алмазова.

194156,  Санкт-Петербург,  пр. Пархоменко, 15б; 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

Korolev Dmitriy V. - PhD, Associate Professor, Head of Nanotechnology Research Lab, V.A. Almazov NNWMRC.

15b, Parkhomenko Av., Saint-Petersburg, 194156; 49, Kronverskiy  Av., Saint-Petersburg, 197101

ГареевК. Г.GareevK. G.

Гареев Камиль Газинурович - канд. техн. наук, ассистент.

197376, Санкт-Петербург,  ул. Профессора Попова, 5

Gareev Kamil G. - PhD, Assistant Professor.

5, Professor Popov Str., Saint-Petersburg, 197376

МаркитантоваА. С.MarkitantovaА. S.

Маркитантова Анастасия Сергеевна.

195251, Санкт-Петербург,  ул. Политехническая,  29

Markitantova Anastasia S.

29, Politekhnicheskaya Str., Saint-Petersburg, 195251

БогушевскаяВ. Д.BogushevskayaV. D.

Богушевская Влада Дмитриевна.

195251, Санкт-Петербург,  ул. Политехническая,  29

Bogushevskaya Vlada D..

29, Politekhnicheskaya Str., Saint-Petersburg, 195251

ПоволоцкаяА. В.PovolotskayaA. V.

Поволоцкая Анастасия Валерьевна - кандидат физико-математических наук, зам. директора ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества».

198504, Санкт-Петербург, Петергоф,  ул. Ульяновская,  5

Povolotskaya Anastasia V. - PhD, Vice Director, Center for Optical and Laser Materials Research.

5, Ulyanovskaya Str.,  Saint-Petersburg, Peterhof, 198504

МаньшинаА. А.ManshinaA. A.

Маньшина Алина Анвяровна - доктор химических наук, доцент.

198504, Санкт-Петербург, Петергоф,  ул. Ульяновская,  5

Manshina Alina A. - DChSc, Associate Professor.

5, Ulyanovskaya Str.,  Saint-Petersburg, Peterhof, 198504

Национальный федеральный медицинский исследовательский центр (НМИЦ) им. В.А. АлмазоваРоссияV.A. Almazov National North-West Medical Research CentreRussian FederationНациональный федеральный медицинский исследовательский центр (НМИЦ) им. В.А. Алмазова; Санкт-Петербургская государственная химико-фармакологическая академияРоссияV.A. Almazov National North-West Medical Research Centre; Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical AcademyRussian FederationНациональный федеральный медицинский исследовательский центр (НМИЦ) им. В.А. Алмазова; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптикиРоссияV.A. Almazov National North-West Medical Research Centre; Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and OpticsRussian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет (СПбГЭУ) «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University “LETI”Russian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great Saint Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)РоссияSaint Petersburg State UniversityRussian Federation201829092018173157167Copyright © Торопова Я.Г., Печникова Н.А., Зелинская И.А., Королев Д.В., Гареев К.Г., Маркитантова А.С., Богушевская В.Д., Поволоцкая А.В., Маньшина А.А., 20182018Торопова Я.Г., Печникова Н.А., Зелинская И.А., Королев Д.В., Гареев К.Г., Маркитантова А.С., Богушевская В.Д., Поволоцкая А.В., Маньшина А.А.Toropova Y.G., Pechnikova N.A., Zelinskaya I.A., Korolev D.V., Gareev K.G., Markitantova А.S., Bogushevskaya V.D., Povolotskaya A.V., Manshina A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.ssmu.ru/jour/article/view/1295

Целью данного исследования явилось изучение гемосовместимости магнитных наночастиц (МНЧ) в модельных системах in vitro.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использованы коллоидные растворы наночастиц магнетита (МНЧ1) и композитных частиц магнетита-кремнезема (МНЧ2) в 0,9%-м растворе NaCl в концентрациях 0,2; 2,0 и 20,0 мг/мл. Исследование проводили на гепаринизированной цельной крови человека, для чего  к 1 мл крови добавляли 1 мл раствора наночастиц или физиологического раствора (контроль). Измерения проводили непосредственно после приготовления смеси через 1; 2,5 и 5 ч. Количество активных форм кислорода (АФК) детектировали с помощью метода люминолзависимой хемилюминесценции (ХЛ), вычисляли индекс агрегации эритроцитов, для оценки гемолитических свойств рассчитывали коэффициент гемолиза на основе показателей оптической плотности плазмы, исследование белкового слоя на поверхности наночастиц производили при помощи ИК-Фурье спектроскопии.

Результаты

Результаты. Установлено, что наночастицы обоих типов в концентрации 0,2 и 20,0 мг/мл усиливают ХЛ непосредственно после введения и подавляют ее в ходе инкубации, при этом эффект усиливается с увеличением концентрации и времени воздействия. Также отмечено увеличение агрегационной устойчивости эритроцитов, однако с повышением дозы и времени воздействия наблюдался значительный гемолиз. ИК-Фурье спектроскопия показала оседание альбумина на поверхности МНЧ, который меняет свою конформацию с течением времени.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о безопасности данных МНЧ по исследованным параметрам в низких концентрациях (0,2 и 2,0 мг/мл) при взаимодействии до 2,5 ч. Это позволяет рассматривать данные агенты как перспективные средства для дальнейшего использования в медицинской практике после завершения исследований в отношении других показателей гомеостаза.

The goal of the present research is to study the hemocompatibility of magnetic nanoparticles (MNPs)  in model systems in vitro.

Materials and methods

Materials and methods. Magnetite nanoparticles and magnetite colloidal solutions were used in 0.9% NaCl in concentrations 0.2, 2.0 and 20.0 mg/ml. The study was performed with heparinized human whole blood, 1 ml of which was mixed with 1 of ml nanoparticles/physiological solution. Measurements were made directly after mixing, and then 1, 2.5 and 5 hours later. The amount of reactive oxygen species (ROS) was measured with luminol-dependent chemiluminiscence (CL). An erythrocyte aggregation index was calculated. For the assessment of hemolytic properties, a hemolysis coefficient was calculated based on optical density of the plasma. The nanoparticless surface protein layer investigation was performed with IR-Fourier spectroscopy.

Results

Results. Nanoparticles decline CL in timeand concentration-dependent manner. Erythrocyte aggregation stability grows, but concentration and/or application time increment leads to significant hemolysis. IR-Fourier spectroscopy data shows albumin as main component of protein crown, whose conformation changes in time.

Given data proves safety of studied MNPs in relation to examined parameters in low (0.2 and 2.0 mg/ml) concentrations up to 2.5 hours interaction. This allows us to treat these MNPs as a promising agents for further use in medical practice after completing examinations related to other homeostasis indicators.

магнитные наночастицыгемосовместимостьхемилюминесценцияагрегация эритроцитовгемолиз«белковая корона»ИК-Фурье спектроскопияmagnetic nanoparticleshemocompatibilitychemiluminescenceerythrocyte aggregationhemolysis«albuminous crown»IR-Fourier spectroscopyРоссийский фонд фундаментальных исследований, проект № 16-32-60010Russian Foundation for Basic Research, project № 16-32-60010ReferencesLiu X.L., Choo E.S.G., Ahmed A.S., Zhao L.Y., Yang Y., Ramanujan R.V., Xue J.M., Fan D.D., Fan H.M., Ding J. Magnetic nanoparticle-loaded polymer nanospheres as magnetic hyperthermia agents. J. Mater. Chem. B. 2014; 1 (2): 120–128. DOI: 10.1039/C3TB21146K.Liu X.L., Choo E.S.G., Ahmed A.S., Zhao L.Y., Yang Y., Ramanujan R.V., Xue J.M., Fan D.D., Fan H.M., Ding J. Magnetic nanoparticle-loaded polymer nanospheres as magnetic hyperthermia agents. J. Mater. Chem. B. 2014; 1 (2): 120–128. DOI: 10.1039/C3TB21146K.Chu M., Shao Y., Peng J., Dai X., Li H., Wu Q., Shi D. Near-infrared laser light mediated cancer therapy by photothermal effect of Fe3O4 magnetic nanoparticles. Biomaterials. 2013; 34 (16): 4078–4088. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.01.086.Chu M., Shao Y., Peng J., Dai X., Li H., Wu Q., Shi D. Near-infrared laser light mediated cancer therapy by photothermal effect of Fe3O4 magnetic nanoparticles. Biomaterials. 2013; 34 (16): 4078–4088. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.01.086.Hainfeld J.F., Slatkin D.N., Focella T.M., Smilowitz H.M. Gold nanoparticles: a new X-ray contrast agent. Br. J. Radiol. 2006; 79 (939): 248–253. DOI: 10.1259/bjr/13169882.Hainfeld J.F., Slatkin D.N., Focella T.M., Smilowitz H.M. Gold nanoparticles: a new X-ray contrast agent. Br. J. Radiol. 2006; 79 (939): 248–253. DOI: 10.1259/bjr/13169882.Kharitonskii P.V., Gareev K.G., Ionin S.A., Ryzhov V.A., Bogachev Y.V., Klimenkov B.D., Kononova I.E., Moshnikov V.A. Microstructure and Magnetic State of Fe3O4SiO2 Colloidal Particles. J. Magn. 2015; 20 (3): 221–228. DOI: 10.4283/jmag.2015.20.3.221.Kharitonskii P.V., Gareev K.G., Ionin S.A., Ryzhov V.A., Bogachev Y.V., Klimenkov B.D., Kononova I.E., Moshnikov V.A. Microstructure and Magnetic State of Fe3O4SiO2 Colloidal Particles. J. Magn. 2015; 20 (3): 221–228. DOI: 10.4283/jmag.2015.20.3.221.Gareev K.G., Ionin S.A., Korolev D.V., Luchinin V.V., Moshnikov V.A., Panov M.F., Permyakov N.V. Study of colloidal particles FemOn-SiO2 synthesized by two different techniques. J. Phys. Con. Ser. 2015; 643 (1): 012088. DOI: 10.1088/1742-6596/643/1/012088.Gareev K.G., Ionin S.A., Korolev D.V., Luchinin V.V., Moshnikov V.A., Panov M.F., Permyakov N.V. Study of colloidal particles FemOn-SiO2 synthesized by two different techniques. J. Phys. Con. Ser. 2015; 643 (1): 012088. DOI: 10.1088/1742-6596/643/1/012088.Toropova Y.G., Golovkin A.S., Malashicheva A.B., Korolev D.V., Gorshkov A.N., Gareev K.G., Afonin M.V., Galagudza M.M. In vitro toxicity of FemOn, FemOn-SiO2 composite, and SiO2-FemOn core-shell magnetic nanoparticles. Int. J. Nanomedicine. 2017; 12: 593–603. DOI: 10.2147/ijn.s122580.Toropova Y.G., Golovkin A.S., Malashicheva A.B., Korolev D.V., Gorshkov A.N., Gareev K.G., Afonin M.V., Galagudza M.M. In vitro toxicity of FemOn, FemOn-SiO2 composite, and SiO2-FemOn core-shell magnetic nanoparticles. Int. J. Nanomedicine. 2017; 12: 593–603. DOI: 10.2147/ijn.s122580.Гущин А.Г., Полулях С.В., Мурашова Н.А., Калаева С.Ç., Ершова А.Н. Влияние наночастиц магнетита на гемореологические показатели. Ярославский педагогический вестник. 2011; 3 (1): 89–93.Gushhin A.G., Poluljah S.V., Murashova N.A., Kalaeva S.Z., Ershova A.N. Effect of magnetite nanoparticles on haemorheological indices. Jaroslavskij pedagogicheskij vestnik – Yaroslavl Pedagogical Herald. 2011; 3 (1): 89–93 (in Russ.).Rinaldi M., Ceciliani F., Lecchi C., Moroni P., Bannerman, D.D. Differential effects of α1-acid glycoprotein on bovine neutrophil respiratory burst activity and IL-8 production. Vet. Immunol Immunopathol. 2008; 126 (3-4): 199–210. DOI: 10.1016/j.vetimm.2008.07.001.Rinaldi M., Ceciliani F., Lecchi C., Moroni P., Bannerman, D.D. Differential effects of α1-acid glycoprotein on bovine neutrophil respiratory burst activity and IL-8 production. Vet. Immunol Immunopathol. 2008; 126 (3-4): 199–210. DOI: 10.1016/j.vetimm.2008.07.001.Kong J.Yu.S. Fourier transform infrared spectroscopic analysis of protein secondary structures. Acta Biochim. Biophys. Sin. 2007; 39 (8): 549–559. DOI: 10.1111/j.17457270.2007.00320.x.Kong J.Yu.S. Fourier transform infrared spectroscopic analysis of protein secondary structures. Acta Biochim. Biophys. Sin. 2007; 39 (8): 549–559. DOI: 10.1111/j.17457270.2007.00320.x.Vertegel A.A., Siegel R.W., Dordick J.S. Silica nanoparticle size influences the structure and enzymatic activity of adsorbed lysozyme. Langmuir. 2004; 20 (16): 6800–6807. DOI: 10.1021/la0497200.Vertegel A.A., Siegel R.W., Dordick J.S. Silica nanoparticle size influences the structure and enzymatic activity of adsorbed lysozyme. Langmuir. 2004; 20 (16): 6800–6807. DOI: 10.1021/la0497200.Короткова А.М., Лебедев С.В., Каюмов Ф.Г., Сизова Е.А. Морфофизиологические изменения у пшеницы (Triticum vulgare L.) под влиянием наночастиц металлов (Fe, Cu, Ni) и их оксидов (Fe3O4, CuO, NiO). Сельскохозяйственная биология. 2017; 52 (1): 172–182. DOI:10.15389/agrobiology.2017.1.172rus.Korotkova A.M., Lebedev S.V., Kajumov F.G., Sizova E.A. Morphophysiological changes in wheat (Triticum vulgare L.) under the influence of metal nanoparticles (Fe, Ni, Ni) and their oxides (Fe3O4, CuO, NiO). Sel’skohozjajstvennaja biologija – Agricultural Biology. 2017; 52 (1): 172–182. (in Russ.). DOI:10.15389/agrobiology.2017.1.172rus.Szekeres M., Illés E., Janko C., Farkas K., Tуth I.Y., Nesztor D., Zupkу I., Földesi I., Alexiou C., Tombácz E. Hemocompatibility and biomedical potential of poly(gallic acid) coated iron oxide nanoparticles for theranostic use. J. Nanomed. Nanotechnol. 2015; 6 (1): 252. DOI: 10.4172/2157-7439.1000252.Szekeres M., Illés E., Janko C., Farkas K., Tуth I.Y., Nesztor D., Zupkу I., Földesi I., Alexiou C., Tombácz E. Hemocompatibility and biomedical potential of poly(gallic acid) coated iron oxide nanoparticles for theranostic use. J. Nanomed. Nanotechnol. 2015; 6 (1): 252. DOI: 10.4172/2157-7439.1000252.Gatoo M.A., Naseem S., Arfat M.Y., Mahmood Dar.A., Qasim K., Zubair S. Physicochemical properties of nanomaterials: implication in associated toxic manifestations. BioMed Rresearch International. 2014; 2014: 498420. DOI: 10.1155/2014/498420/Gatoo M.A., Naseem S., Arfat M.Y., Mahmood Dar.A., Qasim K., Zubair S. Physicochemical properties of nanomaterials: implication in associated toxic manifestations. BioMed Rresearch International. 2014; 2014: 498420. DOI: 10.1155/2014/498420/Guichard Y., Schmit J., Darne C., Gaté L., Goutet M., Rousset D., Fierro V. Cytotoxicity and genotoxicity of nanosized and microsized titanium dioxide and iron oxide particles in Syrian hamster embryo cells. Annals of Occupational Hygiene. 2012; 56 (5): 631–644. DOI: 10.1093/annhyg/mes006.Guichard Y., Schmit J., Darne C., Gaté L., Goutet M., Rousset D., Fierro V. Cytotoxicity and genotoxicity of nanosized and microsized titanium dioxide and iron oxide particles in Syrian hamster embryo cells. Annals of Occupational Hygiene. 2012; 56 (5): 631–644. DOI: 10.1093/annhyg/mes006.

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