Трое из ларца: российские ученые выяснили, как наночастицы оксида церия защищают ДНК от мутаций и воспаления

Фото: pixabay.com

Исследователи Южного федерального университета совместно с коллегами из Сеченовского Университета, РНИМУ имени Н.И. Пирогова и Института биоорганической химии РАН изучили три варианта наночастиц оксида церия. Оказалось, что все они не только являются безопасными для организма, но и эффективно защищают клетки от избыточного окисления и мутаций ДНК. При этом частицы действуют по-разному: одни лучше борются с активными формами кислорода (например, с перекисью водорода), а другие — препятствуют повреждениям ДНК. Благодаря этому их можно использовать в медицине при создании препаратов для заживления ран и борьбы с воспалением.

Наночастицы оксида церия давно привлекаеют внимание биомедиков благодаря своим антиоксидантным и противовоспалительным свойствам. Он может помочь при лечении трудно заживающих язв, болезней печени и дегенерации сетчатки. Однако долгое время оставался открытым вопрос безопасности: из-за крошечного размера частицы способны проникать внутрь клеток и теоретически могут нанести им вред. Большинство предыдущих исследований, в которых ученые тестировали безопасность наночастиц оксида церия, проводилось в пробирке или на клеточных культурах. Эксперименты на лабораторных животных до сих пор были немногочисленны из-за их сложности и дороговизны. Поэтому ученые ищут более простые, но не менее надежные способы исследования таких частиц.

Ученые из Южного федерального университета, Сеченовского Университета, Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н.И. Пирогова и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН исследовали безопасность наночастиц оксида церия с помощью бактериальных биосенсоров. Это клетки кишечной палочки, в которые искусственно «встроили» гены свечения. Яркость их свечения меняется в зависимости от окружающих условий: например, в ответ на повреждение ДНК или присутствие сильных окислителей (перекиси и супероксид-радикала) она падает, поскольку клетки начинают гибнуть.

Именно этот эффект авторы использовали, чтобы оценить токсичность наночастиц оксида церия. В культуру бактерий они поместили небольшое количество наночастиц, после чего в течение двух часов измеряли свечение клеток. При этом авторы использовали три популярных варианта наночастиц: покрытые лимонной кислотой (цитратом) или полисахаридом декстраном, а также не имеющие покрытия.

Оказалось, что ни один из вариантов наночастиц не повлиял на сообщество бактерий, поскольку свечение культур практически не менялось. Авторы протестировали с помощью бактериальных биосенсоров также антиоксидантные свойства наночастиц оксида церия и его способность препятствовать мутациям в ДНК. Для этого в культуры бактерий дополнительно внесли перекись водорода и вещество-мутаген. Лучше всего окисление подавляли наночастицы с лимонной кислотой: они уменьшили повреждение клеток, вызываемое перекисью, на 65,6%. В экспериментах с мутагеном изучаемые наночастицы позволили частично (с эффективностью до 56%) избежать повреждения генетического материала в клетках.

«Совместно с Сеченовским Университетом мы участвовали в тестировании новых антиоксидантных материалов. Мы испытали действие наночастиц церия на бактериальные биосенсоры – генно-модифицированные штаммы кишечной палочки, которые отвечают свечением на окислительный стресс.

Среди нескольких вариантов модифицированные цитратом наночастицы оказались лучшим антиоксидантом, тогда как модифицированные декстраном наночастицы показали самый высокий антимутагенный потенциал, снизив повреждение ДНК, вызванное диоксидином, более чем на 56%. Результаты позволяют говорить о потенциальном применении этих наночастиц в качестве антиоксидантных и антимутагенных агентов в медицине и ветеринарии», – отмечает доктор биологических наук, заведующая молодежной лабораторией «Молекулярная генетика микробных консорциумов» АБиМ ЮФУ Евгения Празднова.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.

«Мы не только доказали безопасность разных вариантов наночастиц оксида церия, но и продемонстрировали их мощные антиоксидантные и антимутагенные свойства. При этом оказалось, что эффект разных наночастиц несколько отличается, поэтому для различных практических применений стоит выбирать определенный их состав. В целом такие наноматериалы могут помочь в лечении хронических ран и язв, а также воспалительных заболеваний печени и дегенеративных болезней сетчатки. В дальнейшем мы планируем продолжать исследования, необходимые для начала клинических исследований создаваемых препаратов. В частности, уже через неделю у нас начнется эксперимент на животных с лечением ран, инфицированных антибиотикорезистентными штаммами бактерий. Это важный вопрос, так как постоянно звучащая тема устойчивости микроорганизмов добавляется в нашем случае и к проблеме необходимости добиться безрубцового заживления раны с сохранением всех функциональных слоев кожи. Кроме того, антиоксидантные и антимутагенные свойства разрабатываемых продуктов полезны для создания не только регенеративных и антимикробных продуктов, но и для средств защиты от разных форм радиации. В декабре прошлого года мы совместно с НИИ ядерной физики МГУ имени М.В. Ломоносова начали космическую часть эксперимента с отобранными биосенсорами по методам защиты живых организмов при длительных космических полетах. Наземная часть исследования и первые месяцы испытаний в условиях космоса уже показали обнадеживающие результаты», — рассказала руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Силина, доктор медицинских наук, профессор кафедры патологической физиологии, заведующая лабораторией науки о жизни МГМУ имени И.М. Сеченова.