CC BY
97
ОБЗОРЫ
НАНОЧАСТИЦЫ ОКСИДА ЦИНКА. АНТИОКСИДАНТ ИЛИ ГЕНЕРАТОР АФК?
О.А. Воробьева, А.А. Павинская, А.В. Кочубейник, Д.А. Пантелеев, Н.Б. Мельникова
ФГБОУ ВО "Приволжский исследовательский медицинский университет " Минздрава России, Нижний Новгород
Abstract
A dual role of zinc oxide nanoparticles was shown in the processes of oxidative stress. On the one hand, these nanoparticles are able to increase the generation of the reactive species (superoxide anion, hydroxyl radicals and hydrogen peroxide, nitric oxide, nitrosyl particles) when they act on bacterial or tumor cells, causing to a bactericidal effect, and (or) inducing apoptosis. Another function of zinc oxide nanoparticles is a direct or indirect effect on the antioxidant enzyme protection under oxidative stress. The general properties of zinc oxide nanoparticles are extremely high permeability, the ability to act as quantum dots or toxic drug delivery system. Zinc oxide nanoparticles also may be use for tumor diagnostics. The ability of zinc oxide nanoparticles to cause oxidative stress or to show antioxidant activity and its high permeability through cell membranes make these particles as promising pharmaceutical ingredient for use in theranostic, in antibacterial and antitumor therapy.
Key words: zinc oxide nanoparticles, oxidative stress, toxicity and antioxidant properties of zinc oxide nanoparticles, permeability of zinc oxide nanoparticles.
В обзоре показана двойственная роль наночастиц оксида цинка в процессах оксидативного стресса. С одной стороны, эти частицы способны усиливать генерацию активных форм кислорода (супероксидного аниона, гидроксильных радикалов и пероксида водорода, монооксида азота, нитрозильных частиц и др.) при действии на бактериальную или опухолевую клетки, обуславливая бактерицидный эффект и, (или) вызывая апоптоз. Другой функцией наночастиц оксида цинка является прямое или косвенное воздействие на систему антиоксидантной ферментной защиты в условиях оксидативного стресса. Общим свойством наночастиц оксида цинка на биосистему является экстремально высокая проницаемость наночастиц оксида цинка, их способность выступать в качестве квантовых точек, векторов доставки токсичных лекарственных веществ, а также выполнять роль диагностического агента. Способность наночастиц оксида цинка вызывать оксидативный стресс, либо проявлять антиоксидантную активность, его высокая проницаемость через мембраны клеток делают эти частицы
перспективными кандидатами для использования в тераностике, в антибактериальной и противоопухолевой терапии.
Ключевые слова: наночастицы оксида цинка, оксидативный стресс, токсичность и антиоксидантные свойства наночастиц оксида цинка, проницаемость наночастиц оксида цинка
Цинк является важным эссенциальным элементом, необходимым для успешного роста многих внутренних органов, стабилизации клеточных мембран, модуляции мембраносвязанных ферментов и действия инсулина. Цинк входит в состав около 300 цинксодержащих или цинкзависимых ферментов. Его содержание в организме человека составляет приблизительно 2-3 г., он концентрируется в печени, органах зрения, волосах, костной ткани, предстательной железе и др. Этот элемент участвует как в синтезе, так и в действии гормонов, которые тесно связаны с метаболизмом в костной ткани, ингибируя остеокластогенез и стимулируя формирование остеобластной костной ткани [1].
Рис. 1. Вероятные эффекты нанометаллов (действие на бактерии или
опухолевые клетки) [7]
В последнее время препаратам цинка уделяется большое внимание, главным образом, как иммуномодулирующим и противовоспалительным лекарственным средствам в виде солей и оксида цинка. Вновь выявленные фармакологические свойства наночастиц оксида цинка существенно расширяют потенциальные возможности использования их в качестве новых перспективных препаратов. Наночастицы оксида цинка ZnO размером 10-50 нм, также, как и наночастицы серебра Ag0, золота Au0, проявляют высокий терапевтический потенциал при лечении различных заболеваний за счет своих антибактериальных,
противоопухолевых, иммуномодулирующих свойств [2-13]. Общая схема механизма действия наночастиц металлов представлена на рисунке 1. Наночастицы металлов, таких как селен, магний, золото, медь или оксид цинка, способны высвобождать ионы, которые предотвращают образование (или разрушают) биопленку, разрушают клеточную мембрану. Считают, что ионы металлов нарушают трансмембранный транспорт электронов, повреждают клеточные белки и мембранные протонные насосы, интеркалируют основания, нарушают передачу сигналов клетками, вызывают генерацию свободных радикалов. Следует особо подчеркнуть, что предполагаемый механизм относится только к ионам металлов, выделенных из наночастиц [7].
В последнее время интенсивно исследуются антиоксидантные свойства этих наночастиц, рассматривая их в качестве модификаторов биологических реакций, которые, напрямую не проявляя антиоксидантных эффектов, активируют многочисленные реакции антиоксидантной защиты организма [2].
В ряду упомянутых наночастиц особое место занимают наночастицы оксида цинка. Преимуществом наночастиц оксида цинка является следующее:
а) токсичность нано-ZnO намного ниже, чем у наночастиц серебра и золота [14-17];
б) стабильность наночастиц оксида цинка (способность к агломерации и укрупнению) выше;
в) ионы цинка имеют постоянную степень окисления и, в отличие от ионов серебра, не способны к диспропорционированию и изменению степени окисления под действием света;
г) серебро способно более интенсивно связываться с тиольными остатками белков, вызывая агирею [18-21].
Биологические эффекты наночастиц оксида цинка во многом определяются его необычными физико-химическими свойствами: высокой проницаемостью ионов цинка при их выделении из наночастиц, люминесценцией и другими фотохимическими эффектами, проявляемыми этими частицами, способностью выполнять функцию квантовых точек в различных системах [22].
Настоящий обзор посвящен свойствам наночастиц оксида цинка и их роли в модификации биологических реакций, приводящих к проявлению прооксидантных или антиоксидантных эффектов, а также в усилении генерации активных форм кислорода при бактерицидном воздействии.
В обзоре рассмотрены вопросы:
1) метаболизма и гомеостаза ионов цинка;
2) участия эндогенного цинка в антиоксидантной ферментной защите;
3) физико-химических особенностей наночастиц оксида цинка (проницаемость, способность выступать в качестве вектора доставки и квантовых точек);
4) роли наночастиц оксида цинка в усилении генерации активных форм кислорода при воздействии на бактериальную и опухолевую клетки;
5) антиоксидантного действия наночастиц оксида цинка как поглотителя свободных радикалов.
1. Метаболизм и гомеостаз цинка
Всасывание цинка происходит в кишечнике с помощью специфических белков, транспортирующих цинк, после чего он распределяется в организме человека. Поскольку цинк в значительной степени связан с белками -альбумином, аффинность к которому низкая, a-2-макроглобулином (A2M) и трансферрином с высокой аффинностью, свободный цинк редко встречается в сыворотке. Внутри клетки цинк в основном накапливается в специальных органеллах - цинкосомах (~50%) и ядре (~30-40%) [23, 24].
В 1957 году в цитоплазме были обнаружены специфические белки -металлотионеины (МТ), хелатирующие цинк. [Vallee B.L., 1979]. МТ способны связывать около 20% внутриклеточного цинка, что играет важную роль в его гомеостазе. Например, MT-1 связывает до семи ионов цинка, что делает его особенно пригодным для использования в качестве цинкового буфера [25]. Для поддержания низких концентраций ионов цитозольных металлов и защиты от высоких концентраций цитотоксических металлов клетки, наряду с металл-связывающими белками, развивают механизмы компартментализации и секвестрации цинка. Потребность клетки в свободном цинке обеспечивается за счет хранения цинка в цинкосомах или других органеллах, таких как эндоплазматическая сеть (ЭПС) или аппарат Гольджи [26]. Внутриклеточный баланс цинка между цитозолем и органеллами поддерживается за счет специфических транспортных белков, таких как импортеры или экспортеры цинка, или за счет мембранных каналов [Thomas R.C., 1991]. Содержание свободных цитозольных ионов цинка лежит в пределах пико- или наномолярных концентраций [25]. Временное и локальное увеличение концентрации цинка в цитоплазме за счет высвобождения из белка и органелл влияет на экспрессию генов, ферментативную активность и передачу сигналов клетками [26].
Распределение, транспорт и поддержание внутриклеточного уровня цинка контролируются 24 белками-транспортерами цинка и четырьмя металлотионеинами МТ (MT1-4), действие которых взаимосвязано. MT-1 и MT-2 экспрессируются повсеместно в организме человека, играют важную роль в функции печени и почек и индуцируются различными стимулами, такими как ионы металлов, цитокины, глюкокортикостероиды и окислительный стресс, соответственно. Напротив, MT-3 и MT-4 экспрессируются специфически для клеток. MT-3 преимущественно экспрессируется в центральной нервной системе, тогда как MT-4 преимущественно обнаруживается в эпителиальной ткани. Экспрессия как MT-3, так и MT-4 строго контролируется, их изоформы выполняют различные функции в зависимости от локализации [27-29].
Переносчики цинка делятся на два основных семейства в соответствии с мембранной топологией: (1) семейство SLC39: Zrt-подобный (регулируемый цинком переносчик), Irt-подобный белок (регулируемый железом переносчик), ZIP, которые увеличивают цитоплазматический цинк и (2) семейство SLC30: 10 переносчиков цинка ZnT, которые понижают цитоплазматический цинк путем транспорта цинка либо из клетки, либо во внутриклеточные органеллы [26]. Для конкретной клеточной функции необходим определенный уровень цинка, который поддерживается переносчиками этого иона в различных типах клеток
организма человека, связывающими между собой наружную плазматическую мембрану и мембраны органелл, таких как митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы и ЭПС [30, 31]. Другие механизмы поддержания концентрации цинка: использование рецепторов и ионных каналов, отличных от ZIP или ZnT, которое зависит от разности потенциалов в кальциевых и других каналах различных рецепторов; диффузия цинка, связанного с аминокислотами. Однако эти механизмы [32] требуют более глубоких доказательств. Обнаружено, что цинк-зависимыми являются все классы ферментов - трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, оксидоредуктазы и лигазы [33].
Наиболее важными цинксодержащими ферментами являются: матриксные металлопротеиназы (ММП), карбоксипептидаза А, карбоангидраза. Карбоксипептидаза А катализирует гидролиз концевой пептидной связи в белках в процессе пищеварения:
н I II н I _^ и \ + + I /
-N-С-С-N-С-с' ---N-С-С _ + H3N-С-С
| | с) I ^о | \0-
R Ph-СН2 R ph-сн2
В этом ферменте атом цинка тетраэдрически координирован двумя гистидиновыми атомами азота, карбоксильным атомом кислорода глутаминового остатка и молекулой воды. Координация цинка на I стадии происходит через карбонильную группу, которая поляризуется и на атоме углерода появляется положительный заряд, восприимчивый к нуклеофильной атаке. На II стадии происходит перегруппировка с переносом протона с участием группы ОН от присоединенной воды и разрыв пептидной связи. Доказано, что конформация фермента способствует образованию гидрофобного «кармана» рядом с атомом цинка, который заключает неполярную боковую цепь гидролизуемого белка, и что белок занимает правильное положение благодаря образованию водородных связей с соответствующими группами фермента.
Вторым наиболее распространенным цинксодержащим ферментом является карбоангидраза - сферическая молекула содержит один атом цинка, расположенный в глубоком «кармане» белка, который содержит несколько молекул воды. Атом цинка тетраэдрически координирован тремя имидазольными атомами азота и молекулой H2O. Цинковый фермент катализирует реакцию CO2 + H2O ^ HCO3- + H+. Координированная молекула H2O ионизируется с образованием Zn-OH-, а нуклеофил OH- затем реагирует с атомом углерода CO2 с образованием HCO3-. Это эквивалентно замене медленной гидратации CO2 водой быстрой реакцией CO2 + OH- ^ HCO3-. Данная реакция требует высокого значения pH. Таким образом, роль фермента заключается в создании подходящего окружения внутри белкового «кармана», способствующего диссоциации связанной молекулы H2O при pH 7, степень диссоциации которой иначе была бы слишком низкой.
К важной функции цинка в белках можно отнести участие в распознавании последовательности оснований в ДНК и, следовательно, регуляции переноса генетической информации в ходе репликации ДНК. Эти белки, с так называемыми «цинковыми пальцами», содержат 9 или 10 ионов Zn2+, каждый из
которых, координируясь с четырьмя аминокислотами, стабилизирует выступающую складку («палец») белка. Белок обертывается вокруг двойной спирали ДНК, каждый из «пальцев» связывается с ДНК, при этом их расположение совпадает с последовательностью оснований в ДНК, что обеспечивает точное распознавание [24].
В настоящее время большое внимание уделяется матриксным металлопротеиназам (ММП), относящихся к семейству цинкзависимых ферментов, контролирующих разложение соединительной ткани. Они включают коллагеназы, желатиназы и стромелизины и расщепляют коллагены, фибронектин и желатины. Эти ферменты могут инициировать рост опухоли, повышая подвижность соединительных тканей, в том числе, в кровеносных сосудах. Неправильная экспрессия ММП приводит к различным заболеваниям включая разложение хрящей и костей при ревматизме и остеоартрите; разложение и трансформирование тканей во время инвазивного роста опухоли и развитие кровеносных сосудов (ангиогенез) опухоли; деградацию белков, основанных на миелине, в гематоэнцефалическом барьере, за которым следует повреждение головного мозга; потерю прочности стенок аорты при аневризме; разложение ткани при язве желудка; распад соединительной ткани при пародонтозе.
Более того, физиологическое значение цинка было подтверждено исследованиями in silico, которые показали, что около 10% общего протеома человека потенциально могут связывать цинк. Связывание цинка может быть облегчено различными мотивами связывания, включая: (1) «цинковые пальцы»; (2) новые домены генов (RING); (3) домены LIM, состоящие из двух смежных доменов «цинкового пальца»; и (4) атипичные домены PHD, сходные с RING-пальцами [34]. Таким образом, взаимодействие цинка с белками является очень сложным. Протеом цинка состоит из двух основных групп, включающих ферменты и факторы транскрипции [35]. Цинк необходим не только для катализа ферментами, а также для поддержания структуры ферментов [23], когда внутриклеточные сигнальные пути к цинку труднодоступны, что влияет на созревание, дифференцировку и функцию клеток [36].
2. Эндогенный цинк - компонент антиоксидантной ферментной защиты
Повышенные внутриклеточные уровни цинка в иммунных клетках могут отравлять поглощенные патогены и действовать цитопротективно, нейтрализуя активные формы кислорода (АФК) и виды оксидов азота. В целом, гомеостаз цинка и сигналы цинка имеют решающее значение для противодействия воспалительным заболеваниям, а корреляция недоедания с тяжелыми воспалительными заболеваниями сопровождается длительными и тяжелыми формами гипоцинкемии в сыворотке крови. В литературе было высказано предположение, что гипоцинкемия сопровождается повышенными уровнями медиаторов воспаления, например, АФК, и антимикробными пептидами, такими как кальпротектин или матриксные металлопротеазы (ММП), вызывая повреждение тканей, особенно в печени, легких и селезенке [37, 38]. В целом, клеточные функции, такие как внутриклеточное уничтожение вредных
патогенных микроорганизмов, выработка цитокинов, а также выработка АФК, зависят от уровня цинка и нарушаются из-за дефицита цинка.
Принято считать, что антиоксидантные свойства цинка определяются, главным образом, тем, что он является неотъемлемым компонентом антиоксидантных ферментов, и дефицит уровня цинка приводит к возникновению окислительного стресса [39].
Наиболее значимым по влиянию на оксидативный стресс является фермент - медь-цинк-супероксиддисмутаза (CuZn-СОД), который выполняет функцию удаления супероксид-аниона. Этот фермент обладает крайне высокой стабильностью. Так, CuZn-СОД, выделенный из мозга 3000-летней высушенной на воздухе мумии, сохранял свою активность и по своим иммунологическим свойствам был неотличим от свежевыделенного фермента [40]. CuZn-СОД катализирует дисмутацию супероксида, постоянно образующегося при аэробном метаболизме, в кислород и пероксид водорода. В организме человека ферменты, включающие медь и цинк, действуют синергетически и составляют единую антиоксидантную защиту, включающую в себя и третий элемент - селен. Именно по этой причине наиболее целесообразно изучать систему антиоксидантной защиты ферментами, оценивая активность глутатионпероксидазы, содержащей селен, и глутатионредуктазы, а также учитывать концентрацию глутатиона.
Роль цинка, не изменяющего степень окисления в редокс-защите от оксидативного стресса, является более сложной, чем меди, взаимодействующей по типу реакции Фентона. В данном контексте, цинк можно рассматривать как «косвенный» антиоксидант - модификатор биологических редокс-реакций. Антиоксидантное влияние цинка обусловлено, главным образом, способностью индуцировать стрессовую реакцию с точки зрения 1) стимуляции MTF-1-зависимой транскрипции и 2) активации чувствительных к стрессу сигнальных каскадов МАРК и Р13К/Ак:. Кроме того, антиоксидантное действие цинка связывают со стабилизацией белковых тиолов (ферменты, «цинковые пальцы», металлотионеины) [40].
К потенциальному механизму антиоксидантного действия цинка можно отнести антагонизм окислительно-восстановительных переходных металлов, таких как железо или медь, и предотвращение окисления сульфгидрильных групп в белках. Тиольные группы стабилизируются цинком, что и защищает фермент или другой протеин от инактивации, вызванной оксидативным стрессом. Действие цинка, как антиоксиданта, в случае металлотионеинов, заключается в регуляции их метаболизма. В свою очередь, дефицит цинка приводит к снижению защиты сульфгидрильных групп и увеличению продукции активных форм кислорода (АФК), чрезмерные уровни могут действовать как прооксиданты, вызывая снижение уровня CuZn-СОД и других важнейших металлоферментов в эритроцитах. В целом, биохимическое исследование многих заболеваний, например, сахарного диабета, подтвердило, что оптимальный уровень цинка является необходимым условием для поддержания окислительного метаболизма в норме [41].
3. Физико-химические свойства наночастиц оксида цинка, используемых в медицине
ZnO является полупроводником n-типа с большой энергией связи экситонов (60 мэВ), большой шириной запрещенной зоны 3,37 эВ при комнатной температуре, оптимальным размером боровского экситона 2,34 нм, что позволяет им выступать в качестве квантовых точек (КТ). Наночастицы оксида цинка проявляют эффект аномального поглощения света, характеристикой которого является появление полосы поглощения в области 360 нм электронного спектра. Это свойство часто используется исследователями для доказательства размеров наночастиц оксида цинка при коллоидно-химическом синтезе [14, 42].
Свойства оксида цинка, такие как электрические, например, диэлектрическая проницаемость, способность к люминесценции также зависят от размера частиц [43]. Чем меньше размер наночастицы, тем более явно будут выражены свойства квантовых точек у наночастиц оксида цинка. Как правило, наночастицы оксида цинка, способные выступать в качестве квантовых точек, в настоящее время получают путем коллоидно-химического синтеза, формируя наносферы, наностержни, нанотрубки, наноцветы, наноленты и т.д. [43, 44].
Способность наночастиц оксида цинка выступать в качестве квантовых точек в настоящее время открывает широкие возможности использования их в диагностике серьезных заболеваний, в том числе онкологических [42].
Другим важным применением наночастиц оксида цинка в медицине, благодаря их уникальной проницаемости, является транспортная функция. Наночастицы оксида цинка способны не только выступать в качестве вектора доставки токсичных цитостатиков (например, доксорубицина), но и оказывать синергетическую противоопухолевую активность, за счет усиления генерации АФК под воздействием квантовых точек оксида цинка [22].
4. Роль наночастиц оксида цинка в усилении генерации активных форм кислорода при воздействии на бактериальную и опухолевую клетки
Цитостатическое действие препаратов с традиционными цитостатиками и наночастицами оксида цинка, наиболее изучено на примере доксорубицина, паклитаксела [42, 46]. В ряде работ продемонстрировано практическое отсутствие токсичности наночастиц оксида цинка на кровоток в экспериментах in vitro и in vivo [22, 38]. Эксперименты также показали, что комбинации химиотерапии и фототермической терапии существенно увеличивают эффективность лечения рака [47].
Повышение индукции генерации активных форм кислорода, таких как гидроксильные радикалы, супероксидные анионы и пероксид водорода, под действием наночастиц оксида цинка является основой его бактерицидного действия. В целом, антибактериальная активность заключается в разрушении клеточной стенки бактерии за счет усиления перекисного окисления липидов, разрушении биопленки, образованной микроорганизмами, ингибировании репликации ДНК бактерии. Наиболее полно бактерицидные свойства наночастиц оксида цинка исследуются индийскими учеными [41, 48-50]. Предполагаемый механизм бактерицидного действия наночастиц оксида цинка,
продемонстрированный в работе авторов [44], на примере наночастиц, полученных методом «зеленого» синтеза, представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Иллюстрация бактерицидного действия наночастиц оксида цинка, полученных методом «зеленого» синтеза [44]
Наночастицы были получены с использованием простого и экологичного метода биосинтеза с использованием недорогого предшественника экстракта листьев Azadirachta Indica и нитрата цинка [46]. Наночастицы оксида цинка были охарактеризованы с использованием электронной (УФ-видимой), ИК-спектроскопии, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии и анализа дзета-потенциала (Z-потенциал). Полученный первичный размер составлял 26,3 нм и 33,5 ± 6,5 нм, тогда как было обнаружено, что вторичный размер составляет 287 ± 5,2 нм с ^-потенциалом -32,8 ± 1,8 мВ, что указывает на физико-коллоидный характер наночастиц оксида цинка. Кристалличность и сферическая морфология сохранялись в процессе агломерации частиц.
ИК-спектральные исследования подтвердили содержание функциональных групп природных соединений на поверхности наночастиц оксида цинка, полученных «зеленым» синтезом в присутствии экстрактов листьев растений, например, A. Indica. Функционализация наночастиц оксида цинка обуславливала их гидрофильный характер, что делает эти частицы более устойчивыми в водной среде во времени. Антибактериальная и антибиотическая активность наночастиц оксида цинка была значимой: минимальная концентрация ингибирования (MIC) и минимальная бактерицидная концентрация (MBC) в отношении наиболее
частых клинических бактерий Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus варьировались от 0,5 до 1,0 (MIC) / 0,0 /1 (MIC) / 1 мл-1 (MBC). Растворение наночастиц оксида цинка с переходом в ионы Zn2+ в питательной среде увеличивалось в результате взаимодействия с бактериальной поверхностью и метаболитами. Значительное поверхностное связывание наночастиц оксида цинка с последующим внутриклеточным поглощением нарушало морфологию клеток и вызывало заметное повреждение клеточной мембраны. Прерванная кинетика роста бактерий, потеря клеточного дыхания, усиление продукции внутриклеточных АФК и утечка цитоплазматического содержимого однозначно свидетельствовало о сильном взаимодействии наночастиц оксида цинка с внешней поверхностью клетки и внутриклеточными компонентами, что в конечном итоге приводило к гибели клеток и разрушению биопленок. В целом, результаты этих ученых показывают перспективность экологичного способа получения наночастиц оксида цинка в качестве эффективных наноантибиотиков [46].
На способность наночастиц оксида цинка генерировать активные формы кислорода (супероксид-анион, гидроксил радикал) и на его дзета-потенциал большое влияние оказывает pH водных растворов. Исходные наночастицы оксида цинка несут отрицательный заряд на своей поверхности, что обусловлено частичным связыванием атомов кислорода. Авторы полагают, что при более низком рН протоны из окружающей среды переносятся на поверхность частиц, что приводит к положительно заряженной поверхности ZnOH2+ (рисунок 3). На границе раздела ультрамикрокристалла полупроводникового ZnO один протон компенсирует избыточный электронный заряд оксида цинка, а второй протон -создает избыточный положительный заряд [43].
Рис. 3. Механизм действия наночастиц оксида цинка на апоптоз и влияние рН на ионное состояние поверхности наночастиц оксида цинка [43]
В работе высказано предположение, что эти положительные частицы взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфолипидами на внешней мембране клетки, в результате чего наночастицы поглощаются клеткой. В кислых лизосомах наночастицы оксида цинка растворяются и высвобождают ионы цинка, которые ингибируют действие дыхательных ферментов, вследствие чего происходит апоптоз.
Влияние наночастиц оксида цинка на цито- и генотоксичность печени (L02) и почек (HEK293) на клеточном уровне было исследовано в работе [51]. В работе выявлено, что главным звеном цито- и генотоксичности является оксидативный стресс, вызываемый наночастицами. Маркерами оксидативного стресса считались изменения концентраций следующих ферментов: малонового диальдегида (МДА), глутатиона (ГЛ) и супероксиддисмутазы (СОД). В этих экспериментах отмечено резкое увеличение МДА (в 4 раза), снижение ГЛ (3085%) и СОД (почти в 4 раза) при 24-часовом воздействии [51].
В работе авторов [52] с использованием маркеров оксидативного стресса ГЛ и МДА также показано влияние наночастиц оксида цинка на гибель E.coli, обусловленную оксидативным стрессом: наблюдалось увеличение уровня МДА, снижение ГЛ (на 40-50%) [52].
Методом ДНК-комет был показан генотоксический эффект наночастиц оксида цинка, вызванный оксидативным стрессом на примере исследования пресноводной улитки Lymnaea luteola [53]. Общим свойством, подтверждающим токсичность наночастиц оксида цинка, являлось уменьшение ГЛ (в 3 раза) и повышение уровня МДА (в 2,5 раза). Однако в этом исследовании было показано, что активность каталазы в пищеварительной железе улитки существенно возрастала (в 1,5-2 раза), а активность глутатионпероксидазы была значительно снижена (в 1,5 раза) в зависимости от дозы и времени воздействия.
В обзоре [22] обобщены результаты и высказаны предположения о молекулярном механизме действия наночастиц оксида цинка на генотоксичность. Авторами подтверждено влияние оксидативного стресса, вызванного наночастицами, на повреждение ДНК опухолевых клеток.
В работе [54] авторы при исследовании инфицирования Eimeria papillata в тонкой кишке кроме маркеров МДА (увеличение) и ГЛ (снижение) использовали в качестве маркера оксидативного стресса уровень монооксида азота, который существенно увеличивался под действием наночастиц оксида цинка.
С другой стороны, в ряде работ, в которых напрямую исследуется антирадикальная активность наночастиц оксида цинка, была показана способность поглощать стабильные радикалы DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил) [55-58].
Способность наночастиц оксида цинка выступать как в качестве компонента, генерирующего активные формы кислорода, так и ингибировать процесс окисления за счет поглощения свободных радикалов, может быть использована для создания новых лекарственных средств, сочетающих антиоксидантный потенциал и антибактериальную эффективность. Примером такого подхода является модификация поверхности наночастиц оксида цинка природным антиоксидантом - кофеиновой кислотой. Авторы предлагают новый
наноматериал на основе оксида цинка, ковалентно связанного с кофеиновой кислотой, частицы которого имеют размер порядка 20 нм и обладают высоким сродством к клеткам. Прививка молекулы кофеиновой кислоты на поверхность наночастиц оксида цинка проводилась обработкой плазмой с микродиэлектрическим барьерным разрядом [59]. С использованием катионного радикала ABTS+ авторы показали высокую антиоксидантную и антибактериальную активность в отношении грамотрицательных и грамположительных штаммов, включая три штамма MRSA (methiciüin-resistant Staphylococcus aureus).
Таким образом, использование различных стратегий модификации поверхности наночастиц оксида цинка позволяет создавать многофункциональные наночастицы с улучшенными свойствами коллоидных наносистем и биосовместимостью.
Заключение
Анализ литературных данных за последние годы выявил двоякую функцию наночастиц оксида цинка в процессах оксидативного стресса. В процессах прямого воздействия на бактериальную или опухолевую клетки наночастицы способны усиливать генерацию активных форм кислорода (супероксидный анион, гидроксильные радикалы и образование перекиси водорода, NO и нитрозильные частицы).
Ионы цинка, образующиеся из наночастиц, проявляют прямое или косвенное воздействие на систему антиоксидантной ферментной защиты. При этом роль ионов цинка не ограничивается влиянием на антиоксидантную функцию CuZn-СОД по нейтрализации супероксиданиона. Антиоксидантное действие цинка обусловлено его стабилизацией белковых тиолов (ферменты, «цинковые пальцы», металлотионеины), которые защищают фермент или другой протеин от инактивации, вызванной оксидативным стрессом.
Способность наночастиц оксида цинка вызывать оксидативный стресс, либо проявлять антиоксидантную активность, его высокая проницаемость через мембраны клеток делают эти частицы перспективными кандидатами для использования в антибактериальной и противоопухолевой терапии и в тераностике в качестве квантовых точек.
Список литературы
1. Yamaguchi, M. Zinc stimulates osteoblastogenesis and suppresses osteoclastogenesis by antagonizing NF-kB activation / M. Yamaguchi, MN. Weitzmann// Mol Cell Biochem. 2011. 355(1-2). P. 179-186.
2. Negahdary, M. The antioxidant effects of silver, gold, and zinc oxide nanoparticles on male mice in in vivo condition / M. Negahdary, R. Chelongar, S. Zadeh, M. Ajdary // Advanced Biomedical Research. 2015. 4, 69. P. 1-5.
3. Abdulrahman, N. Antimicrobial activity of zinc oxide, titanium dioxide and silver nanoparticles against mithicillin-resistant Staphylococcus aureusisolates / N. Abdulrahman, Z. Nssaif // Tikrit Journal of Pure Science. 2016. 21(3). P. 49-53.
4. McNamara, K. Nanoparticles in biomedical applications / K. McNamara, Syed A. M. Tofail // Advances in Physics. 2016. 2, 1. P. 54-88.
5. Heera, P. Nanoparticle characterization and application: an overview / P. Heera, S. Shanmugam // Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2015. 4(8). P. 379-386.
6. Chhour, P. Gold nanoparticles for biomedical applications: synthesis and in vitro evaluation / P. Chhour, R. Cheheltani, B. Benardo // Nanomaterials in Pharmacology, Methods in Pharmacology and Toxicology. 2016. P. 87-111.
7. Hemeg, H. Nanomaterials for alternative antibacterial therapy / H. Hemeg // International Journal of Nanomedicine. 2017. P. 8211-8225.
8. Zewde, B. A review of stabilized silver nanoparticles - synthesis, biological properties, characterization, and potential areas of applications / B. Zewde, A. Ambaye, J. Stubbs, D. Raghavan // JSM Nanotechno Nanomed. 2016. 4 (2). P 1-14.
9. Jiang, J. The advancing of zinc oxide nanoparticles for biomedical applications / J. Jiang, J. Pi, J. Cai // Bioinorganic Chemistry and Applications. 2018. P. 1-18.
10. Hajipour, M. J. Antibacterial properties of nanoparticles / M. J. Hajipour, K. M. Fromm, A. Ashkarran, D. Jimenez de Aberasturi // Trends in Biotechnology. 2012. 30(10). P. 499-511.
11. Jesline, A. Antimicrobial activity of zinc and titanium dioxide nanoparticles against biofilm-producing methicillin-resistant Staphylococcus aureus / A. Jesline, Neetu P. John, P. M. Narayanan, C. Vani, Sevanan Murugan // Appl Nanosci. 2015. 5. P. 157-162.
12. Han, C. Recent developments in the use of nanoparticles for treatment of biofilms / C. Han, N. Romero, S. Fischer, J. Dookran, A. Berger, A. Doiron // Nanotechnol Reviews. 6(5). 2017. P. 1-46.
13. Mohammad J. Hajipour, Katharina M. Fromm. Antibacterial properties of nanoparticles / Mohammad J. Hajipour, Katharina M. Fromm, Ali Akbar Ashkarran, Dorleta Jimenez de Aberasturi, Idoia Ruiz de Larramendi, Teofilo Rojo, Vahid Serpooshan, Wolfgang J. Parak, Morteza Mahmoudi // Trends in Biotechnology. 2012. 30, 10. P. 499-511.
14. Berube, B. Characteristics and classification of nanoparticles: expert Delphi survey / D. Berube, C. Cummings, M. Cacciatore, D. Scheufele, J. Kalin // Nanotoxicology. 2011. 5 (2). P. 236-243.
15. Bahadar,H. Toxicity of nanoparticles and an overview of current experimental models / H. Bahadar, F. Maqbool, K. Niaz, M. Abdollahi // Iranian Biomedical Journal. 2016. 20 (1). P. 1-11.
16. Zoroddu, M. Toxicity of nanoparticles / M. Zoroddu, S. Medici, A. Ledda, V. Nurchi // Bentham Science Publishers. 2014. 21, 33. P. 3837-3853.
17. Marinda van Pomeren. A novel experimental and modelling strategy for nanoparticle toxicity testing enabling the use of small quantities / Marinda van Pomeren, Willie J. G. M. Peijnenburg, Nadja R. Brun, Martina G. Vijver // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017. 14, 1348. P. 1-14.
18. Xi-Feng, Zhang. Silver nanoparticles: synthesis, characterization, properties, applicationsand therapeutic approaches / Xi-Feng Zhang, Zhi-Guo Liu, Wei Shen, Sangiliyandi Gurunathan // Int. J. Mol. Sci. 2016. 17, 1534. P. 1-34.
19. Wei, L. Silver nanoparticles: synthesis, properties, and therapeutic applications / L. Wei, J. Lu, H. Xu, A. Patel, G. Chen// Drug Discov Today. 2015. 20 (5). P. 595-601.
20. Jaybhaye, S. Anti-microbial activity of Ag NPssynthesized from waste vegetable fibers / S. Jaybhaye // Int. J. Mater.Today: Proc. 2A (9). 2015. P. 4323-4327.
21. Ghotaslou, R. The in vitro effects of silver nanoparticles on bacterial biofilms / R. Ghotaslou, Z. Bahari, A. Aliloo, P. Gholizadeh, B. Eshlaghi // Microbiol Biotech Food Sci. 2017. 6(4). P. 1077-1080.
22. Scherzad, A. Molecular Mechanisms of Zinc Oxide Nanoparticle-Induced Genotoxicity Short Running Title: Genotoxicity of ZnO NPs / A. Scherzad, T. Meyer, N. Kleinsasser, S. Hackenberg // Materials. 2017. 10, 1427. P. 1-19.
23. Vallee, BL. The biochemical basis of zinc physiology/ BL. Vallee, KH. Falchuk// Physiol Rev. 1993. 73(1). P. 79-118.
24. Beyersmann, D. Functions of zinc in signaling, proliferation and differentiation of mammalian cells/ D. Beyersmann, H. Haase// Biometals. 2001. 14(3-4). P. 331-341.
25. Colvin, RA. Cytosolic zinc buffering and muffling: their role in intracellular zinc homeostasis/ RA. Colvin, WR. Holmes, CP. Fontaine, W. Maret// Metallomics. 2010. 2(5). P. 306-317.
26. Krezel, A., Maret, W. The biological inorganic chemistry of zinc ions. Arch. Biochem. Biophys. 2016. 611, P. 3-19.
27. Vasak, M.; Meloni, G. Mammalian metallothionein-3: New functional and structural insights. Int. J. Mol. Sci. 2017, 18, P. 1117.
28. Sutherland, D.E.; Stillman, M.J. The "magic numbers" of metallothionein. Metallomics Integr. Biomet. Sci. 2011, 3, P. 444-463.
29. Kimura, T., Kambe, T. The functions of metallothionein and ZIP and ZnT transporters: An overview and perspective. Int. J. Mol. Sci. 2016, 17, 336.
30. Fukada, T.; Kambe, T. Molecular and genetic features of zinc transporters in physiology and pathogenesis. Metallomics Integr. Biomet. Sci. 2011, 3, P. 662-674.
31. Fukada, T.; Kambe, T. Zinc Signals in Cellular Functions and Disorders; Springer: Tokyo, Japan, 2014.
32. Vallee, BL. The metallobiochemistry of zinc enzymes/ BL. Vallee, A. Galdes// Adv Enzymol Relat Areas Mol Biol. 1984. 56. P. 283-430.
33. McCall, KA. Function and mechanism of zinc metalloenzymes/ KA. McCall, C. Huang, CA. Fierke// J Nutr. 2000. 130(5). P. 1437-1446.
34. Andreini, C. Zinc through the three domains of life/ C. Andreini, L. Banci, I. Bertini, A. Rosato// J Proteome Res. 2006. 5(11). P. 3173-3178.
35. Andreini, C. A bioinformatics view of zinc enzymes/ C. Andreini, I. Bertini//. J. Inorg. Biochem. 2012. 111. P. 150-156.
36. Haase, H. Functional significance of zinc-related signaling pathways in immune cells/ H. Haase, L. Rink// Annu Rev Nutr. 2009. 29. P. 133-152.
37. Wessels, I. Zinc dyshomeostasis during polymicrobial sepsis in mice involves zinc transporter ZIP14 and can be overcome by zinc supplementation/ I.Wessels, R.J. Cousins//Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2015. 309. P. 768-778.
38. Wessels, I. Zinc deficiency induces production of the proinflammatory cytokines IL-1 and TNFA in promyeloid cells via epigenetic and redox-dependent mechanisms/ I. Wessels, H. Haase, G. Engelhardt, L. Rink, P. Uciechowski// J. Nutr. Biochem. 2013. 24, P. 289-297.
39. Snehal Chandrashekhar Tarn, Rashmi Bhalchandra Jawade1, Omkumar Nemichand Baghele, Vishnudas Dwarkadas Bhandari, Gauri Mahesh Ugale. Magnesium and Zinc Levels in Individuals Having Generalized Chronic Periodontitis. Journal of the International Clinical Dental Research Organization, 2017.
40. Klotz, L. O. Role of copper, zinc, selenium and tellurium in the cellular defense against oxidative and nitrosative stress / L. O. Klotz, K. D. Kroncke, D. Buchczyk, H. Sies // The Journal of Nutrition. 2003. P. 1-4 p.
41. Agrawal P, Arora S, Singh B, Manamalli A, Dolia PB. Association of macrovascular complications of type 2 diabetes mellitus with serum magnesium levels.
Diabetes Metab Syndr Clin Res Rev 2011; 5: 41-4.
42. Martinez-Carmona, M. ZnO Nanostructures for drug delivery and theranostic applications / M. Martinez-Carmona, Y. Gun'ko, M. Vallet-Regi // Nanomaterials. 2018. 8, 268. P. 1-27.
43. Mishra, M.H, Zinc oxide nanoparticles: a promising nanomaterial for biomedical applications / A. Ekielski, S. Talegaonkar, V. Bhuvaneshwar // Drug Discovery Today. 2017. 22, 12. P. 1825-1834.
44. Ahmed, B. Bacterial toxicity of biomimetic green zinc oxide nanoantibiotic: insights into ZnONP uptake and nanocolloid-bacteria interface / B. Ahmed, B. Solanki, A. Zaidi, M. Khan, J. Musarrat // The Royal Society of Chemistry. 2019. P. 1-16.
45. Banoee, M. ZnO nanoparticles enhanced antibacterial activity of ciprofloxacin against Staphylococcus aureus and Escherichia coli / S. Seif, Z. Nazari, P. Jafari-Fesharaki, H. Shahverdi, A. Moballegh, A. Shahverdi // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials.2010. 93B (2). P. 557-561.
46. Singh, A. Eco-Friendly Synthesis of Zinc Oxide Nanoparticles for Rayon Pulp / A. Singh, B. Gaud, H. Narayan, R. Kurkure, S. Jaybhaye // Nulistice. 2018. P. 76-80.
47. Bhowmik, D. A potential medicinal importance of zinc in human health and chronic disease / D. Bhowmik, K. Chiranjib, K. Sampath // Int J Pharm Biomed Sci. 2010. 1(1). P. 5-11.
48. Choudhury, S.R. Zinc oxide nanoparticles-induced reactive oxygen species promotes multimodal cyto- and epigenetic toxicity / S. R. Choudhury, J. Ordaz, Chiao-Ling Lo, Nur P. Damayanti, F. Zhou, J. Irudayaraj // Toxicological sciences. 2017. 156, 1. P. 261-274.
49. Raajshree R, K. Evaluation of the antityrosinase and antioxidant potential of zinc oxide nanoparticles synthesized from the brown seaweed-turbinaria conoides / Khoushika Raajshree R, Brindha Durairaj // International Journal of Applied Pharmaceutics. 2017. 9, 5. P. 116-120.
50. Burman, U. Effect of zinc oxide nanoparticles on growth and antioxidant system of chickpea seedlings / U. Burman, M. Saini, P. Kumar // Toxicological & Environmental Chemistry. 2013. P. 37-41.
51. Guan, R. Cytotoxicity, oxidative stress, and genotoxicity in human hepatocyte and embryonic kidney cells exposed to ZnO nanoparticles / T. Kang, F. Lu, Zh. Zhang, H. Shen, M. Liu // Nanoscale Research Letters. 2012. 7, 602. P. 1-7.
52. Kumar, A. Engineered ZnO and TiO2 nanoparticles induce oxidative stress and DNA damage leading to reduced viability of Escherichia coli / A. Kumar, Alok K.
Pandey, Shashi S. Singh, R. Shanker, A. Dhawan // Free Radical Biology & Medicine. 2011. 51. P. 1872-1881.
53. Ali, D. Oxidative stress and genotoxic effect of zinc oxide nanoparticles in freshwater snail Lymnaea luteola L. Aquat / S. Alarifi, S. Kumar, M. Ahamed, M. Siddiqui // Toxicol. 2012. 124. P. 83-90.
54. Dkhil, M. Anticoccidial and antioxidant activities of zinc oxide nanoparticles on Eimeria papillata-induced infection in the jejunum / Mohamed Dkhil, Saleh Al-Quraishy, Rizwan Wahab // International Journal of Nanomedicine, 2015. 10. P. 19611968
55. Nand Singh, B. Biosynthesis of stable antioxidant ZnO nanoparticles by pseudomonas aeruginosa rhamnolipids / B. Nand Singh, A. K. Singh Rawat, W. Khan, A. H. Naqvi, B. Singh // PLoS ONE. 2014. 9, 9. P. 1-12.
56. Das, D. Synthesis of ZnO nanoparticles and evaluation of antioxidant and cytotoxic activity / B. C. Nath, P. Phukon, A. Kalita, S. K. Dolui // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013. №111. P. 556-560.
57. Sorena, S. Evaluation of antibacterial and antioxidant potential of the zinc oxide nanoparticles synthesized by aqueous and polyol method / S. Sorena, S. Kumarb, S. Mishraa, S. K. Vermad Purnendu Parhia // Microbial Pathogenesis. 2018. 119. P. 145-151.
58. Siregar, T. M. Characteristics and Free Radical Scavenging Activity of Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles Derived from Extract of Coriander (Coriandrum sativum L.) / T. M. Siregar, A. H. Cahyana, dan R. J. Gunawan // Reaktor. 2017. 17 (3). P. 144-150.
59. Choi, K-H. Antioxidant Potential and Antibacterial Efficiency of Caffeic Acid-Functionalized ZnO Nanoparticles / K-H Choi, K. Chang Nam, S-Y Lee, G. Cho, J-S. Jung, Ho-Joong Kim, Bong Joo Park // Nanomaterials. 2017. 7, 148. P. 1-11.
