CC BY
35
практищ лкаря. Новi теорй ушкодження СМ та розладiв уродинамiки вражають своею складню™ та рiзноманiтнiстю. Розумiння причин i шлях1в розвитку патологiчних процесiв у СМ е важливим для коректно! та своечасно! дiагносгики, результати яко! вплинуть на лiкувальну тактику, що в подальшому вiдобразиться на покращенш якостi життя пацiента. Зокрема, в робот! проанайзовано та описано деяю знахщки, зробленi науковцями, яю формують розумiння розвитку запально!, непластично! та дисфункцюнально! патологii' сечового мiхура. У стата придiлена увага диференцiйнiй дiагностицi запально! псевдопухлини, патогенезу синдрому гiперактивного сечового мiхура, клiнiчнiй та морфолопчнш картинi рiдкiсних злояюсних новоутворень. Особливо тдкреслюеться роль сучасних морфолопчних дослiджень в дiагностицi хвороб СМ.
Ключовi слова: сечовий мiхур, уролопчна патологiя, гiперактивний мiхур, обструкцiя, запалення, пухлини, забруднення довюлля.
Стаття надшшла 12.11.2017 р.
практике врача. Новые теории повреждения МП и расстройств уродинамики поражают своей сложностью и разнообразием. Понимание причин и путей развития патологических процессов в МП является важным для корректной и своевременной диагностики, результаты которой повлияют на лечебную тактику, что в дальнейшем отразится на улучшении качества жизни пациента. В частности, в работе проанализированы и описаны некоторые находки, сделанные учеными, которые формируют понимание развития воспалительной, непластической и дисфункциональной патологии мочевого пузыря. В статье уделено внимание дифференциальной диагностике воспалительной псевдоопухоли, патогенеза синдрома гиперактивного мочевого пузыря, клинической и морфологической картине редких злокачественных новообразований. Особо подчеркивается роль современных морфологических исследований в диагностике болезней МП.
Ключевые слова: мочевой пузырь, урологическая патология, гиперактивный пузырь, обструкция, воспаление, опухоли, загрязнение среды.
DOI 10.267254 / 2079-8334-2018-1-63-196-201 УДК 577.1:620.3:546.655.3/4
Б1ОМ1МЕТИЧНА ТА АНТИОКСИДАНТНА АКТИВШСТЬ НАНОКР1СТАЛ1ЧНОГО
Д1ОКСИДУ ЦЕР1Ю
e-mail: [email protected]
Проведений аналiз науково! лтератури свiдчить про широке застосування в бюлогп та медицин наносполук дюксиду церш, якi проявляють бiомiметичну та антиоксидантну актившсть. Високий ступiнь бюсумюносп, низька токсичнiсть i каталiтична актившсть нанодисперсного дюксиду церш дозволяе розглядати його як перспективний нанобiоматерiал для бюмедичного застосування. Характеризуеться роль нанокристайчного дiоксиду церiю у захистi кйтин вiд оксидативного стресу. Киснева нестехiометрiя i пов'язана з нею можливють участ в окисно-вiдновних процесах у живш ттиш, а також здатшсть до ауторегенерацii забезпечуе високу ефектившсть застосування нанодисперсного дiоксиду церiю. Показано, що наноцерш може дiяти як мiметик супероксиддисмутази, каталази, деяких оксидаз, оксидоредуктаз та фосфатаз, а також здатний брати участь у знешкодженш активних форм штрогену.
Ключовi слова: наночастинки, дiоксид церiю, мiметики, оксидативний стрес, супероксиддисмутаза.
Робота е фрагментом НДР "Розробка бютехнологш створення нових препаратiв пробютитв, бiологiчно активних речовин та наноматерiалiв, "№ державно! реестраци 011би005824.
Церш (Се) - рщкоземельний елемент (порядковый номер 58), який належить до лантанощв. Ушкальтсть церш (електронна конф1гуращя 4f,5d16S2) обумовлена тим, що вш може юнувати у р1зних станах окиснення (Се3+ та Се4+), на вщм1ну вщ бшьшосп ¡нших рщкоземельних меташв, яю переважно юнують у тривалентному сташ [14, 25]. Сам церш не мае бюлопчного значення в ф1зюлогп ссавщв, але розчинш сол1 Се3+ традицшно використовуються в бюмедичних щлях через !хню бактерюстатичну, бактерицидну, 1муномодулюючу та протипухлинну актившсть [Ошибка! Источник ссылки не найден., 7]. Нанодисперсний дюксид церш (НДЦ) широко застосовуеться в процесах мехашчного пол1рування, у розробщ антикорозшних покритпв для меташв { сплашв та каташзатор1в окиснення дизельного палива [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Остантм часом спостер1гаеться вибух фундаментального та практичного штересу до розробки та застосування наночастинок як потенцшних кагалiгичних ангиоксидангiв у бюлогп та медициш [6, 8, 9, 11, 19, 37]. Бюлопчна актившсть наночастинок дюксиду церш визначаеться його кисневою нестехюметр1ею, яка залежить вщ розм1ру наночастинки { поверхневого лпанду [25]. Високий стушнь бюсумюносп, низька токсичтсть { каташтична актившсть нанодисперсного дюксиду церш дозволяе розглядати його як перспективний наноматер1ал для бюмедичного застосування [Ошибка! Источник ссылки не найден., 15, 24, 29, 30, 32, 37]. Проте ниш вс можлив1 мехашзми його бюлопчно! активносп е маловивченими.
М1метики (грец. mimetes - наслщувач^ 1мггатори, под1бш) - речовини, схож на природш синтезоваш в оргашзм1 сполуки (мед1атори, ферменти, гормони), яю 1мпують дда шших субстанцш
Мiметики за фiзико-хiмiчною природою дуже схож на природт сигнальт молекули, тому кштинт рецептори не "розызнають" !х за чужинцв i реагують на мiметики як на субстанцiю, з якою вони взаeмодiють. Проте для мiметикiв характерна низка важливих якостей [Ошибка! Источник ссылки не найден., 1, 29, 33]. Вони пдшняють собою природы регулюкга речовини, зв'язуються з молекулярними рецепторами, призначеними не для них. Мiметики можуть давати шакший ефект, анiж сполуки, якi вони пдшняють (дiяти сильнiше чи слабше). Час життя мiметикiв в оргашзмi у незмiнному станi та тривалють зв'язування iз рецептором вiдрiзняeться вщ природних речовин. Вони здатнi конкурувати з природними регуляторами за зв'язок з молекулярними рецепторами (за афмзащею та концентращею). Наявнiсть мiметикiв змiнюe утворення органiзмом власних регулюючих речовин за рахунок зворотного зв'язку мiж концентращею регуляторiв та !хтм виробництвом. Рiзнi мiметики з подiбним ефектом можуть мати окремi перерахованi вище якостi, що дозволяе створювати рiзноманiтш бiологiчно активнi речовини з таким ефектом, але зi специфiчними особливостями i можливостями застосування [1]. 1х дiя на рецептори призводить до активацп чи пригнiчення функцп клтин [22].
1снують численнi повiдомлення про роль нанокристашчного дiоксиду церiю щодо захисту вiд оксидативного стресу [Ошибка! Источник ссылки не найден., 31]. Переважна бшьшють живих органiзмiв на Землi в сво1й життедiяльностi не обходяться без споживання кисню. Як результат ланцюжка реакцiй одноелектронного вщновлення кисню в тваринних i рослинних клтинах утворюються активнi форми кисню (АФО), утворення i руйнування яких у клiтинах живих органiзмiв проходить за схемою:
NAD(P)H оксидаза, ХО, СОХ, NOS
Реакцiя Фентона
Fe2+/ Fe3+
О2 Кисень
О2-
Супероксид-анюн
Н2О2
Пероксид гiдрогену
ОН-
Гiдроксильний радикал
Н2О. Вода
Супероксиддисмутаза
Глутатiонпероксидаза, каталаза
NAD(P)H оксидаза, циклооксигеназа (СОХ), ксантиноксидаза (ХО) i синтетаза оксиду азоту (NOS) вiдповiдальнi за утворення суиероксид-анютв, частина з яких вившьнюеться з електронно-транспортного ланцюга [Ошибка! Источник ссылки не найден.], пошкоджуе бiлки та сприяе утворенню ще бiльш реакцiйно здатних пероксидних радикалiв [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Суиероксид-анюни гад дiею ферменту супероксиддисмутази (СОД) перетворюються в пероксид пдрогену. У присутностi iонiв переидних металiв (наприклад, Феруму) пероксид пдрогену здатний вступати в реакцп Фентона i Габера-Вейса з утворенням високореактивного гiдроксильного радикала. Останнiй окиснюе практично ва органiчнi молекули - бшки, нукле!новi кислоти та iншi бiополiмери, вiдривае iони гiдрогену вiд молекул ненасичених жирних кислот й шщюе ПОЛ. У свою чергу, пероксид пдрогену за ди ферментiв глутатiонпероксидази i каталази розпадаеться до води i кисню, минаючи стадiю утворення гщроксильного радикала [21].
Необидний рiвень активних форм кисню в органiзмi регулюють ангиоксидантнi ферменти; в разi дисбалансу мiж продукцiею АФО i концентрацiею ензимiв розвиваеться оксидативний стрес (ОС). Неферментативнi компоненти антиоксидантно! системи (вiтамiни А i Е, деяю бiлки, глутатiон) [Ошибка! Источник ссылки не найден.] забезпечують ще одну ланку захисту оргатзму вiд АФО; дисфункщя будь-яко! з яких теж призводить до оксидативного стресу. ОС виникае пiд впливом психологiчних стреив, екзо- та ендогенних iнтоксикацiй, техногенних забруднень навколишнього середовища та ютзуючого випромiнювання (останне призводить до утворення гщроксильних радикалiв внаслiдок радiолiзу води в клтинах). ОС приймае участь у патогенезi понад 100 рiзних захворювань [21, 27, 28]. У разi старiннi здорового органiзму виникае вшовий оксидативний стрес за рахунок зниження активностi природно! антиоксидантно! (ферментативно!) системи, а також у зв'язку зi збiльшенням концентрацл продуктiв пероксидного окиснення лiпiдiв та вiльних радикалiв, утворених за рахунок модифiкуючого впливу лшопероксцщв [Ошибка! Источник ссылки не найден., Ошибка! Источник ссылки не найден.]. У разi порушення захисно! (антиоксидантно!) системи оргатзму або за значного тдвищення рiвня екзогенних АФО необхщний
—»
—*
—*
—*
стороншй регулятор, здатний виконувати функцiю ферменту або антиоксиданту [21]. Доведено, що нанокристалчний дiоксид церiю може виступати в якосп оксидоредуктаз - ензимiв, що регулюють окисно-вщновш процеси в бюлопчних системах [10, 20, 24]. Ймовiрно, НДЦ повинен оберiгати клiтини вщ руйнування за впливу несприятливих фактсрв, що викликають оксидативний стрес. Киснева нестехiометрiя i пов'язана з нею можливють участi НДЦ в окисно-вщновних процесах у живих клiтинах, а також здатнiсть до ауторегенерацп забезпечуе високу ефективнiсть його застосування [16, 25]. Для НДЦ показана УФ-захисна дiя, рiзна за ефективнiстю для окремих тканин, перспективнiсть застосування за терапл пухлинних процесiв. НДЦ мае пробютичну, антибактерiальну та антивiрусну дда [Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Розробка високоефективних небiлкових аналогiв ензимiв е актуальним завданням для сучасно! медицини, бюлогп та сiльського господарства. В тепершнш час вже створено кшька типв штучних ферментiв, що зам!няють природнi аналоги [17, 24, 33]. Природш ензими i штучш каталiзатори мають багато спiльного: вони прискорюють протiкання реакц! та здатш до регенерацд [1]. Як правило, основна вщмшнють природних ензимiв вщ штучних каталiзаторiв полягае в швидкост перебiгу реакцiй, при цьому природш ензими, на вщшну вщ штучних, потребують особливих умов навколишнього середовища, зокрема певно! температури та реакцп середовища [15, 16]. Застосування ферменив-шметиюв на основ! наноматерiалiв створюе можливють зниження витрат на !х синтез, пщвищення каталггично! активностi та стабшьност в жорстких умовах [33]. Окр!м того, поверхня наноматерiалiв може мати бшьше каталiтичних об'ектiв (сайтiв), тод! як природш ферменти мютять лише одну активну д!лянку на одну молекулу. Каталггичш властивостi проявляе низка металiв, однак лише незначна !х частина може бути використана з бiомедичною метою. Це обумовлено можливою токсичшстю матерiалiв, що визначаеться здатшстю викликати оксидативний стрес шляхом генерацп активних форм оксигену [34] та природою юшв у !х склада
В останнi роки виявлена ензимоподiбна активнiсть нанокристалiчного дюксиду церiю, що обумовлено його кисневою нестехiометрiею [25, 31]. Низька енергiя утворення кисневих дефектiв у кристалiчнiй решiтцi оксиду церда зумовлюе можливють легко вступати в окисно-вщновш реакцп та шактивувати активнi форми оксигену та штрогену [Ошибка! Источник ссылки не найден.]. Основною вщм!ннютю НДЦ вщ класичних антиоксидантiв (аскорбiнова кислота, токоферол) е його здатшсть до авторегенерацп, тобто багаторазово! участi в редокс-реакцiях [25, 26, 29]. Згщно з квантово-мехашчними розрахунками, енергiя утворення кисневих дефек^в у кристалiчнiй решiтцi НДЦ знижуеться за зменшення розм!р!в частинок [17]. Зм!ну каталггично! активностi наночастинок дюксиду церiю можна досягти шляхом вардавання !х розм!р!в, дисперсностi та л^андно! оболонки [17, 36]. Це пов'язано з тим, що наночастинки, на вщм!ну вщ частинок великого розм!ру, мають значно бшьшу кшькють поверхневих дефектiв, як! переважно е поверхневими кисневими вакансiями, що спричиняють зм!ну у локальному електронному та валентному оточенш та стабiлiзують ступт окиснення Се3+. Ця властивiсть надае дюксиду церда здатшсть накопичувати та вившьняти кисень з! свое! кристашчно! решггки залежно вщ умов оточення. У нанорозм!рного дюксиду церда внаслщок збшьшення площ! поверхш вщповщно, кшькоси дефек^в у шй зростае штенсивнють Се4+/Се3+ окиснювально-вщновного циклу та обмш кисню [25]. Наноцерш д!е як м!метик супероксиддисмутази (СОД) та каталази, а його ефектившсть у знешкодженш радикал!в пропориАйно зв'язана з концентра^ею юшв Се3+ на поверхш частинки [24, 26]. Така актившсть наночастинок дюксиду церда була виявлена одшею з перших [29]. Супероксидний радикал, який утворюеться переважно в мггохондр!ях та, у раз! приеднання протошв, здатний перетворюватися у гщропероксидний, е одшею з найбшьш руйшвних активних форм оксигену [21, 33]. Вщомо, що СОД шактивуе супероксид --ашон в дв! стад!! з утворенням пероксиду гщрогену ! кисню [15]. При цьому загальна реакця дисмутаи!! супероксид-ашону для дюксиду церда також включае дв! стад!!.
Обробка НДЦ перексидом гщрогену призводить до повно! втрати !х СОД-под!бно! активност, однак через деякий час актившсть вщновлюеться, що пщтверджуе процес авторегенерацп поверхш наночастинок (щодо киснево! нестехюметрп) ! вщновлення до тривалентного церда [22]. СОД-под!бна актившсть наночастинок залежить вщ розм!ру. Наночастки розм!ром 3-5 нм штенсившше шактивують супероксид-ашон, ашж наночастинки 5-8 нм. Внесення до НДЦ юшв титану не зм!нюе !х оксидазну актившсть, проте одночасно знижуеться СОД-под!бна актившсть [38]. СОД-актившсть наночастинок дюксиду церда залежить вщ юнного складу розчину [22]. Фосфат-юни викликають фосфорилювання поверхш частинок ! призводять до зниження !х здатност виконувати функцда СОД ! каталази. Використання стабшзатор!в обумовлюе р!зну сту^нь адсорбцл фосфатних груп поверхнею наночастинок, тобто чутливоси до фосфатування.
СОД-под1бна активнють НДЦ сшвставна з р1внем природного ензиму [1]. У раз1 дисмутацп супероксид-анюну вщбуваеться утворення пероксиду пдрогену та перехщно! сполуки -Се(ООН)(ОН)3 на поверхш нанодисперсного дюксиду церда, тобто фактично вщбуваеться три реакцп:
1. Окиснення О2 - - е ^ О2;
2. Вщновлення О2 - + е + 2Н + ^ Н2О2;
3. Окиснення-вщновлення Се3+ + 4Н2О-^ Се(ОН)4 + 4Н++ е.
НДЦ, на поверхш яких переважае Се3+, найяскравше проявляють СОД-под1бну активнють [22]. Редокс-потенщал «щеального» катал1затора для дисмутацп супероксид-анюну перебувае в д1апазон1 0,2-0,4 В, якому вщповщають наночастинки дюксиду церда саме з високим вмютом юшв тривалентного церда
1ншою активною формою оксигену, яка здатна окиснювати практично вс1 оргашчш молекули, е пдроксильний радикал [Ошибка! Источник ссылки не найден., 21, 29]. НДЦ здатний шактивуБати високоактивний гщроксильний радикал [15, 26, 35]. Оскшьки час життя ОН незначний (кшька наносекунд), то вш переважно знешкоджуеться низькомолекулярними неферментативними антиоксидантами. Присутнють наночастинок дюксиду церда зменшуе концентрацда ОН\ Не юнуе природного аналога ензиму для шактивацл гщроксильного радикала, тому достов1рно визначити мехашзм д1! НДЦ складно. Передбачуваний мехашзм шактивацп ОН в присутносп наночастинок дюксиду церда описано в низщ робгт [19, 24, 35]. Ще одшею з найважливших АФО е пероксид пдрогену, який перетворюеться на воду i оксиген за учасп каталази. Численш дослщження показали, що НДЦ ефективно захищае кштини вщ впливу пероксиду пдрогену [Ошибка! Источник ссылки не найден., 33] та ¡нших пероксцщв [30]. Молекула Н2О2 взаемодiе з кисневою ваканаею, шсля видiлення двох протошв i переходу двох елекгронiв до двох юшв церiю видiляегься кисень, а киснева ваканшя повнютю вщновлюеться. Нсля цього вiд6уваегься приеднання пероксиду до вщновлено! вакансп, поглинання двох протошв ! розкладання зв'язку О-О з переходом двох електрошв до юшв Се3+, видiлення води повертае НДЦ у початковий стан [8].
Сполуки нанодисперсного дюксиду церда проявляють властивосп оксидаз [10]. При цьому встановлена рН-залежна пероксидазоподi6на акгивнiсть [18, 30]. Процес розкладання каталазою Н2О2 под16ний до механiзму каталгтично! дп НДЦ, при цьому вiд6уваеться декшька переходiв з утворенням пром1жних сполук [15, 26]. IнтенсиБнiсть кагалазоподiбно! дп пов'язують з кшьюстю юшв Се3+ на поверхнi наночастинок [11, 24, 26]. зм1ну забарвлення НДЦ тсля реакцп з пероксидом гiдрогену використовують для створення р1зних колориметричних теспв i тест-смужок. Встановлено, що розм1р i поверхневi лiганди впливають на реакцшну активнiсть нанодисперсного дюксиду церда з пероксидом пдрогену [20]. Наночастинки СеО2 меншого розм1ру, як1 мютять бшьшу кшьюсть церiю, е бшьш реакцiйно-здатними по вiдношенню до Н2О2. окр1м того, поверхневий лпанд не перешкоджае перебiгу реакцп розкладу. Виявлена можливють багаторазового використання наночастинок СеО2 в якосп антиоксиданту. Каталазопод!бну активнiсть наночастинок можна змшити шляхом модифшацп наночастинок дюксиду церiю юнами р1зних металiв [31]. Введення цирконда в кристалiчну решiтку призводило до збшьшення швидкосп розкладання пероксиду пдрогену, яка зростала з1 збiльшенням мольно! спiввiдношення цирконда. В 1ншш робот продемонстровано протилежна картина [8]. Введення Самарда в кристалiчну решiтку дюксиду церда призводило до монотонного зменшення швидкосп розкладання пероксиду гiдрогену залежно вщ мольного спiввiдношення Самарiю.
НДЦ здатний шактивувати активнi форми нпрогену та нiтрогеновмiснi вшьш радикали [13, 24, 27, 29]. Вш е активним проти короткоживучих та стабшьних нпроксильних радикалiв [Ошибка! Источник ссылки не найден.], при цьому швидюсть шактивування значно збiльшувалася з1 зменшенням розм1р1в наночастинок. Показана здатнiсть наночастинок дюксиду церда шактивувати перокситтрил (ОКОО-), що викликае пошкодження низки бюмолекул [12, 13] шляхом адсорбцп поверхнею карбонат-iонiв.
нов1 данi щодо каталгтично! активностi нанодисперсного дюксиду церiю доводять його под16шсть до фосфатаз [29, 33]. СеО2 здатний каталiзуБати пдрол1з органiчних естерiв фосфатно! кислоти, при цьому швидюсть реакцп залежить вщ рН середовища. Зниження концентрацп юшв Се3+ на поверхнi прямо корелюе з його фосфатазною актившстю [13]. Можливий механiзм фосфатазно! активностi пов'язаний з вiдщепленням фосфатно! групи та !! адсорбцiею на поверхнi. Наночастинки дюксиду церда не можна назвати повнощнним аналогом фосфатази, оскшьки фосфатна група зв'язуеться з поверхнею наночастинки незворотньо. Фосфат церда десорбуеться ! поверхня здатна повторно брати участь у каталгтичних реакцiях.
Виявлена здатнють наночастинок дюксиду церiю розкладати 6oroBÍ отруйт речовини. Модифiкацiя НДЦ рщкоземельними елементами пiдвищуe швидкють розкладання отруйних речовин масового ураження. Фосфатазоподiбна активнють наночастинок СеО2 може бути використана для створення антидотiв у разi отруeннi фосфорорганiчними сполуками та як засб корекцп активностi рiзних транскрипцшних факторiв шляхом пригнiчення каталiзованих ними каскадiв реакцiй [Ошибка! Источник ссылки не найден.].
Змшюючи стехiометрiю нанодисперсного дюксиду церда можна регулювати антиоксидантт й прооксидантнi властивостi та ензимоподiбну активнiсть. 1снуе необхiднiсть подальшого дослщження функцiй, властивостей та ролi НДЦ з метою полiпшення штеграцл бю-мiметичних наноматерiалiв в органiзм людини та тварин, що е тдставою для нових наукових розро-бок у галузi бюлогп, ими, медицини для профшактики, дiагностики i лшування рiзних захворювань.
1. Kozik VV, Shcherbakov AB, Ivanova OS, Spivak NIa, Ivanov VK. Sintez i biomeditcinskie primeneniia nanodispersnogo dioksida tceriia. Tomsk: Izdatelskii Dom Tomskogo gos. universiteta; 2016. 476 s.
2. Tcekhmistrenko OS, Tcekhmistrenko SI. Ontogeneticheskie osobennosti funktcionirovaniia antioksidantnoi sistemy perepelov. Aktualnye problemy intensivnogo razvitiia zhivotnovodstva. Gorki. 2016; 19(2):335-9.
3. Chekman IS, Horchakova NO, Simonov PV. Biolohichno aktyvni rechovyny yak nanostruktury: biokhimichnyi aspekt. Klinichna farmatsiia. 2017; 21(2):15-22.
4. Shadura YuM, Bitiutskyi VS, Spivak MIa, Melnychenko OM, Shcherbakov OB, Demchenko OA, ta in. Doklinichni doslidzhennia hostroi toksychnosti nanokrystalichnoho dioksydu tseriiu. Visnyk ZhNAEU. Ser.: Veterynariia. 2015; 2(50):358-63.
5. Batinic-Haberle I. Reboujas JS, Spasojevic I. Superoxide Dismutase Mimics: Chemistry, Pharmacology, and Therapeutic Potential. Antioxid Redox Signal. 2010; 13(6):877-918.
6. Bityutskyy VS, Tsekhmistrenko OS, Tsekhmistrenko SI, Spyvack MY, Shadura UM. Perspectives of cerium nanoparticles use in agriculture. The Animal Biology. 2017; 19(3):9-17.
7. Casals E, Gusta MF, Piella J, Casals G, Jiménez W, Puntes V. Intrinsic and Extrinsic Properties Affecting Innate Immune Responses to Nanoparticles: The Case of Cerium Oxide. Frontiers in Immunology. 2017; 8(970).
8. Celardo I. De Nicola M, Mandoli C, Pedersen J Z, Traversa E, Ghibelli L. Pharmacological potential of cerium oxide nanoparticles. Nanoscale. 2011; 3:1411-20.
9. Charbgoo F, Ramezani M, Darroudi M. Bio-sensing applications of cerium oxide nanoparticles: Advantages and disadvantages. Biosensors and Bioelectronics. 2017; (15):33-43.
10. Dalapati R, Sakthivel B, Ghosalya MK, Dhakshinamoorthy A, Biswas S. A cerium-based metal-organic framework having inherent oxidase-like activity applicable for colorimetric sensing of biothiols and aerobic oxidation of thiols. CrystEngComm. 2017; 19(39):5915-25.
11. Das S, Dowding JM, Klump KE, McGinnis JF, Self W, Seal S. Cerium oxide nanoparticles: applications and prospects in nanomedicine. Nanomedicine (Lond). - 2013; 8(9):1483-508.
12. Dowding J.M, Seal S, Self WT. Cerium oxide nanoparticles accelerate the decay of peroxynitrite (ONOO-). Drug Delivery and Translational Research. 2013; 3(4):375-9.
13. Dowding J.M, Dosani T, Kumar A, Seal S, Self WT. Cerium oxide nanoparticles scavenge nitric oxide radical ( NO). Chem. Commun. 2012; (48):4896-8.
14. Ferraro D, Tredici IG, Ghigna P, Castillio-Michel H, Falqui A, Di Benedetto C, et al. Dependence of the Ce(III)/Ce(IV) ratio on intracellular localization in ceria nanoparticles internalized by human cells. Nanoscale. 2017; 9(4):1527-38.
15. Gil D, Rodriguez J, Ward B, Vertegel A, Ivanov V, Reukov V. Antioxidant Activity of SOD and Catalase Conjugated with Nanocrystalline Ceria. Bioengineering. 2017; 4(1):18.
16. Grulke E, Reed K, Beck M, Huang X, Cormack A, Seal S. Nanoceria: factors affecting its pro- and antioxidant properties. Environmental Science: Nano. 2014; 1(5):429-44.
17. Jian He, Zhou L, Liu J, Yang L, Zou L, Xiang J, et al. Modulation of surface structure and catalytic properties of cerium oxide nanoparticles by thermal and microwave synthesis techniques. Applied Surface Science. 2017; 402:469-77.
18. Jiao X, Song H, Zhao H, Bai W, Zhang L, Lv Y. Well-redispersed ceria nanoparticles: Promising peroxidase mimetics for H2O2 and glucose detection. Anal. Methods. 2012; 4:3261-7.
19. Kwon H.J, Cha MY, Kim D, Kim DK, Soh M, Shin K, et al. Mitochondria-targeting ceria nanoparticles as antioxidants for Alzheimer's disease. ACS Nano. 2016; 10:2860-70.
20. Lee SS, Song W, Cho M, Puppala HL, Nguyen P, Zhu H, et al. Antioxidant Properties of Cerium Oxide Nanocrystals as a Function of Nanocrystal Diameter and Surface Coating. ACS Nano. 2013; 7(11):9693-703.
21. Lushchak V.I. Free radicals, reactive oxygen species, oxidative stresses and their classifications. The Ukrainian Biochemical Journal. 2015; 87(6):11-8.
22. McCormack RN, Mendez P, Barkam S, Neal CJ, Das S, Seal S. Inhibition of nanoceria's catalytic activity due to Ce3+ site-specific interaction with phosphate ions. The Journal of Physical Chemistry C. 2014; 118(33): 18992-9006.
23. Naganuma T. Shape design of cerium oxide nanoparticles for enhancement of enzyme mimetic activity in therapeutic applications. Nano Research. 2017; 10(1):199-217.
24. Nelson BC, Johnson ME, Walker ML, Riley KR, Sims CM. Antioxidant cerium oxide nanoparticles in biology and medicine. Antioxidants. 2016; (5):15.
25. Pezzini I, Marino A, Del Turco S, Nesti C, Doccini S, Cappello V, et al. Cerium oxide nanoparticles: the regenerative redox machine in bioenergetic imbalance. Nanomedicine (Lond). 2017; 12(4):403-16.
26. Pirmohamed T, Dowding JM, Singh S, Wasserman B, Heckert E, Karakoti AS, et al. Nanoceria exhibit redox state-dependent catalase mimetic activity. Chemical Communications (Cambridge, England). 2010; 46(16):2736-8.
27. Pruchniak M.P, Arazna M, Demkow U. Biochemistry of Oxidative Stress. Adv Exp Med Biol. 2016; 878):9-19.
28. Roll N, Tsehmistrenko S. Processes of peroxidation of lipids and proteins in organs of rabbits considering the age-old aspect. Вюник Львiвського ушверситету. Сер. Бюлопчна. 2016; 73:191-6.
29. Singh S. Cerium oxide based nanozymes: Redox phenomenon at biointerfaces Biointerphases. 2016; 11(4):04B202(12).
30. Sun L, Ding Y, Jiang Y, Liu Q. Montmorillonite-loaded ceria nanocomposites with superior peroxidase-like activity for rapid colorimetric detection of H2O2. Sensors and Actuators B: Chemical. 2017; 239:848-56.
31. Tsai YY, Oca-Cossio J, Agering K, Simpson NE, Atkinson MA, Wasserfall CH, et al. Novel synthesis of cerium oxide nanoparticles for free radical scavenging. Nanomedicine (Lond). 2007; 2(3):325-32.
32. Walkey C, Das S, Seal S, Erlichman J, Heckman K, Ghibelli L, et al. Catalytic Properties and Biomedical Applications of Cerium Oxide Nanoparticles. Environmental science Nano. 2015; 2(1):33-53.
33. Wang G, Zhang J, He X, Zhang Z, Zhao Y. Ceria Nanoparticles as Enzyme Mimetics. Chinese Journal of Chemistry. 2017; 35(6):791-800(10).
34. Wei H, Wang E. Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzymes. Chem Soc Rev. 2013; 42(14):6060-93.
35. Xue Y, Luan Q, Yang D, Yao X, Zhou K. Direct Evidence for Hydroxyl Radical Scavenging Activity of Cerium Oxide Nanoparticles. J. Phys. Chem. 2011; 115(11):4433-8.
36. Zhang J, Naka T, Ohara S, Kaneko K, Trevethan T, Shluger A, et al. Surface ligand assisted valence change in ceria nanocrystals. Phys. Rev. B. 2011; 84:045411.
37. Zhang Z, Zhang X, Liu B, Liu J. Molecular Imprinting on Inorganic Nanozymes for Hundred-fold Enzyme Specificity. Journal of the American Chemical Society. 2017; 139(15):5412-9.
38. Zhu A, Sun K, Petty H. Titanium doping reduces superoxide dismutase activity, but not oxidase activity, of catalytic CeO2 nanoparticles. Inorg Chem. Commun. 2012; 15:235-7.
БИОМИМЕТИЧЕСКАЯ И АНТИОКСИДАНТНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИОКСИДА ЦЕРИЯ
Цехмистренко О. С, Цехмистренко С.И, Битюцкий В.С, Мельниченко А.Н, Олешко А. А.
Проведенный анализ научной литературы свидетельствует о широком применении в биологии и медицине наносоединений диоксида церия, которые проявляют биомиметическую и антиоксидантную активность. Высокая степень биосовместимости, низкая токсичность и каталитическая активность нанодисперсного диоксида церия позволяет рассматривать его как перспективный нанобиоматериал для биомедицинского применения. Характеризуется роль нанокристаллического диоксида церия в защите клеток от оксидативного стресса. Кислородная нестехиометрия и связанная с ней возможность участия в окислительно-восстановительных процессах в живой клетке, а также способность к ауторегенерации обеспечивает высокую эффективность применения нанодисперсного диоксида церия. Показано, что наноцерий может действовать как миметик супероксиддисмутазы, каталазы, некоторых оксидаз, оксидоредуктаз и фосфатазы, а также способен участвовать в инактивации активных форм азота.
Ключевые слова: наночастицы, диоксид церия, миметики, оксидативный стресс, супероксиддисмутаза.
Стаття надшшла 3.11.2017 р.
BIOMIMETIC AND ANTIOXIDANT ACTIVITY OF NANO-CRYSTALLINE CERIUM DIOXIDE
Tsekhmistrenko O.S, Tsekhmistrenko S.I,
Bityutskyy V.S. Melnichenko O.M, Oleshko O.A.
The performed analysis of scientific literature sources shows the widespread application of cerium dioxide nano-compounds revealing biomimetic and antioxidant activity in biology and medicine. High biocompatibility degree, low toxicity and catalytic activity of nano-dispersed cerium dioxide permit to consider it a promising nano-biomaterial for biomedical applications. The role of nano-crystalline cerium dioxide in protecting cells against oxidative stress is characterized. Oxygen non-stoichiometry and associated with it ability to participate in oxidation-reduction processes in a living cell, as well as the ability to auto-regeneration ensure high efficiency of nano-dispersed cerium dioxide application. It has been proved that nano-cerium can act as a mimetic of superoxide dismutase, catalase, some oxidases, oxidoreductases and phosphatase, and it is also able to participate in inactivating active forms of nitrogen.
Key words: nano-particles, cerium dioxide, mimetics, oxidative stress, superoxide dismutase.
