Влияние различных типов поверхностной модификации на нейротоксичность антистоксовых нанофосфоров

Е.В. Митрошина, Т.А. Мищенко, М.В. Ведунова, А.В. Юдинцев, А.Н. Генералова, А.В. Нечаев, С.М. Деев, И.В. Мухина, A.V. Zvyagin

Ключевые слова: антистоксовые нанофосфоры; токсичность наночастиц; первичные культуры гиппокампа; нейронная сеть; функциональная сетевая активность.

Цель исследования — изучить влияние антистоксовых наночастиц (нанофосфоров — НАФ) с различными типами поверхностных покрытий на жизнеспособность и функциональную активность нейронных сетей первичных культур гиппокампа мыши.

Материалы и методы. НАФ с тремя различными типами поверхностных покрытий: гидроксидом тетраметиламмония (ТМАН), октадеценеполималеиновой кислотой и полиэтиленимином (PEI) — синтезированы сольвотермальным методом с последующей гидрофилизацией.

Первичные культуры гиппокампа, полученные от эмбрионов (Е18) мышей линии C57BL/6, проинкубированы с тестируемыми наночастицами в концентрациях 0,8 и 8,0 мг/мл в течение 72 ч. После инкубации проведена оценка жизнеспособности клеток, исследованы морфологические изменения, а также изучено влияние НАФ на основные параметры кальциевой функциональной активности нейронных сетей и на процессы эндоцитоза в нервных клетках первичных культур гиппокампа.

Результаты. НАФ оказывают дозозависимое цитотоксическое действие на клетки первичных культур гиппокампа, причем выраженность данного эффекта непосредственно связана с типом поверхностного покрытия частиц. Наибольшая цитотоксичность характерна для частиц с покрытием PEI, а наименьшая — для нанофосфоров с покрытием TMAH. Выявлено, что воздействие нанофосфоров проявляется в значительных морфологических изменениях и в увеличении числа мертвых клеток (р<0,05) первичных культур гиппокампа. Установлено значительное снижение (р<0,05) основных параметров спонтанной функциональной кальциевой активности нервных клеток.

Заключение. Комплексное исследование влияния антистоксовых нанофосфоров на клетки первичных культур гиппокампа показало, что все испытанные типы НАФ обладают выраженным нейротоксичным действием.

Литература

Stuart M.A.C., Huck W.T.S., Genzer J., Müller M., Ober C., Stamm M., Sukhorukov G.B., Szleifer I., Tsukruk V.V., Urban M., Winnik F., Zauscher S., Luzinov I., Minko S. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nat Mater 2010; 9(2): 101–113, https://doi.org/10.1038/nmat2614.
Yu M.K., Park J., Jon S. Targeting strategies for multifunctional nanoparticles in cancer imaging and therapy. Theranostics 2012; 2(1): 3–44, https://doi.org/10.7150/thno.3463.
Smith N.M., Gachulincova I., Ho D., Bailey C., Bartlett C.A., Norret M., Murphy J., Buckley A., Rigby P.J., House M.J., St. Pierre T., Fitzgerald M., Iyer K.S., Dunlop S.A. An unexpected transient breakdown of the blood brain barrier triggers passage of large intravenously administered nanoparticles. Sci Rep 2016; 6: 22595, https://doi.org/10.1038/srep22595.
Posadas I., Monteagudo S., Ceña V. Nanoparticles for brain-specific drug and genetic material delivery, imaging and diagnosis. Nanomedicine (Lond) 2016; 11(7): 833–849, https://doi.org/10.2217/nnm.16.15.
Han L., Kong D.K., Zheng M.-q., Murikinati S., Ma C., Yuan P., Li L., Tian D., Cai Q., Ye C., Holden D., Park J.-H., Gao X., Thomas J.-L., Grutzendler J., Carson R.E., Huang Y., Piepmeier J.M., Zhou J. Increased nanoparticle delivery to brain tumors by autocatalytic priming for improved treatment and imaging. ACS Nano 2016; 10(4): 4209–4218, https://doi.org/10.1021/acsnano.5b07573.
Gioux S., Choi H.S., Frangioni J.V. Image-guided surgery using invisible near-infrared light: fundamentals of clinical translation. Mol Imaging 2010; 9(5): 237–255.
Das G.K., Stark D.T., Kennedy I.M. Potential toxicity of up-converting nanoparticles encapsulated with a bilayer formed by ligand attraction. Langmuir 2014; 30(27): 8167–8176, https://doi.org/10.1021/la501595f.
Lehman S.E., Morris A.S., Mueller P.S., Salem A.K., Grassian V.H., Larsen S.C. Silica nanoparticle-generated ROS as a predictor of cellular toxicity: mechanistic insights and safety by design. Environ Sci Nano 2016; 3(1): 56–66, https://doi.org/10.1039/c5en00179j.
Zhou J., Liu Z., Li F. Upconversion nanophosphors for small-animal imaging. Chem Soc Rev 2012; 41(3): 1323–1349, https://doi.org/10.1039/c1cs15187h.
Guller A.E., Generalova A.N., Petersen E.V., Nechaev A.V., Trusova I.A., Landyshev N.N., Nadort A., Grebenik E.A., Deyev S.M., Shekhter A.B., Zvyagin A.V. Cytotoxicity and non-specific cellular uptake of bare and surface-modified upconversion nanoparticles in human skin cells. Nano Research 2015; 8(5): 1546–1562, https://doi.org/10.1007/s12274-014-0641-6.
Generalova A.N., Kochneva I.K., Khaydukov E.V., Semchishen V.A., Guller A.E., Nechaev A.V., Shekhter A.B., Zubov V.P., Zvyagin A.V., Deyev S.M. Submicron polyacrolein particles in situ embedded with upconversion nanoparticles for bioassay. Nanoscale 2015; 7(5): 1709–1717, https://doi.org/10 .1039/c4nr05908e.
Grebenik E.A., Nadort A., Generalova A.N., Nechaev A.V., Sreenivasan V.K., Khaydukov E.V., Semchishen V.A., Popov A.P., Sokolov V.I., Akhmanov A.S., Zubov V.P., Klinov D.V., Panchenko V.Y., Deyev S.M., Zvyagin A.V. Feasibility study of the optical imaging of a breast cancer lesion labeled with upconversion nanoparticle biocomplexes. J Biomed Opt 2013; 18(7): 76004, https://doi.org/10.1117/1.JBO.18.7.076004.
Vedunova M.V., Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Mukhina I.V. TrkB-mediated neuroprotective and antihypoxic properties of brain-derived neurotrophic factor. Oxid Med Cell Longev 2015; 2015: 453901, https://doi.org/10.1155/2015/453901.
Vedunova M., Sakharnova T., Mitroshina E., Perminova M., Pimashkin A., Zakharov Yu., Dityatev A., Mukhina I. Seizure-like activity in hyaluronidase-treated dissociated hippocampal cultures. Front Cell Neurosci 2013; 7: 149, https://doi.org/10.3389/fncel.2013.00149.
Shirokova О.М., Frumkina L.Е., Vedunova М.V., Mitroshina Е.V., Zakharov Y.N., Khaspekov L.G., Mukhina I.V. Morphofunctional patterns of neuronal networks developing in dissociated hippocampal cell cultures. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(2): 6–13.
Zhao L., Kutikov A., Shen J., Duan C., Song J., Han G. Stem cell labeling using polyethylenimine conjugated (α-NaYbF4:Tm3+)/CaF2 upconversion nanoparticles. Theranostics 2013; 3(4): 249–257, https://doi.org/10.7150/thno.5432.
Sikora B., Fronc K., Kamińska I., Koper K., Szewczyk S., Paterczyk B., Wojciechowski T., Sobczak K., Minikayev R., Paszkowicz W., Stępień P., Elbaum D. Transport of NaYF4:Er3+, Yb3+ up-converting nanoparticles into HeLa cells. Nanotechnology 2013; 24(23): 235702, https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/23/235702.
Ceja-Fdez A., López-Luke T., Oliva J., Vivero-Escoto J., Gonzalez-Yebra A.L., Rojas R.A., Martínez-Pérez A., de la Rosa E. Labeling of HeLa cells using ZrO2:Yb3+–Er3+ nanoparticles with upconversion emission. J Biomed Opt 2015; 20(4): 046006, https://doi.org/10.1117/1.JBO.20.4.046006.