Реакция митохондрий клеток печени и нервных окончаний на аппликацию наночастиц серебра

Считается, что индукция окислительного стресса в бактериальных клетках и вызванная этим их гибель лежит в основе бактерицидного действия серебра, благодаря которому все шире используются новые материалы на его основе в различных областях биологии и медицины. К таким материалам относятся наночастицы Ag-НЧ – кластеры атомов серебра различного размера, которые уже используют в качестве биоцидной добавки. Действие Ag-НЧ обусловлено способностью серебра на поверхности НЧ окисляться до Ag+1 за счет взаимодействия с кислородом воздуха, генерации АФК и гибели прокариотической клетки. Этим, с одной стороны, обуславливается их высокая противомикробная активность, а с другой – токсичность.

изучение распределения НЧ в отделах мозга и изменение активности антиоксидантных систем в нервных окончаниях и клетках печени.

Наночастицы(НЧ) серебра обладают высокой нейротоксичностью, т.к. они  проникают через клеточную мембрану, при окислении на их поверхности выделяются ионы Ag⁺, катализирующие  реакции, приводящие к развитию окислительного стресса в тканях. Наиболее уязвимыми к действию АФК клетками эукариотического организма являются нейроны, наиболее уязвимые структуры ЦНС – обонятельные луковицы, стриатум и гиппокамп. Обонятельные луковицы не защищены ГЭБ. Обработка НЧ с d-металлами дофаминергических клеток стриатума приводит к изменениям активности ферментов, участвующих в синтезе дофамина. В гиппокампе высокая плотность  клеток микроглии, в которых быстро развивается окислительный стресс и микроглиозис, что приводит к дегенерации нейронов. 

1. введение НЧ животным системно и интраназально. При системном введении НЧ возможно оценить насколько проницаемы для них биологические барьеры, как, например, ГЭБ. При интраназальном введении НЧ попадают непосредственно в мозг через обонятельные луковицы, лишенные ГЭБ. При интрацеребральном введении возможно оценить распределение НЧ непосредственно в мозге;
2. методы дифференциального и равновесного ультрацентрифугирования для субклеточного фракционирования (выделение ядер, митохондрий, синаптосом) из различных структур мозга и других органов с последующим определением в них концентрации переходных металлов;
3.  концентрацию металлов в биологических образцах измеряли  методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией и зеемановской коррекцией неселективного поглощения на спектрофотометре ZEEnit 650 P фирмы «Analytik Jena».  
4. для оценки экспрессии ферментов, участвующих в развитии окислительного стресса у животных после введения d-микроэлементов в составе НЧ использовались следующие методы: специфические методы определения активности ферментов, электрофорез в ПААГ.

Оказалось, что распределение Ag-НЧ в отделах мозга было следующим: при  i.p. введении в обонятельных луковицах (OB) — 1,7% всего введенного серебра, во фронтальной коре (PFC) —  3,3%,  в гиппокампе (Hip) —  2,1%, в стриатуме (S) —  2,5%, в спинном мозге (SCS) —  3,0 %; при i.n. введении  OB  —   3,2%,  FC  —  9,2%, Hip  —  2,2%, в St  —   2,8%, в SCS  —  3,9%;  при  i.с. введении  в OB —   3,6%, PFC  —  1,8 %, Hip  —  5,6%, S  —  2,6%, в гипоталамусе (H)  —  3,4%, в мозжечке (C)  —   1,4%. При этом наибольшая концентрация серебра в печени обнаруживается при i.p. введении (50% всего введенного серебра), а при i.n. введении – в легких (20%). При i.с. введении Ag-НЧ на периферии обнаружены не были.

На втором этапе нашего исследования мы обнаружили, что при инкубации митохондрий, выделенных из печени интактных животных, около 70% серебра Ag-НЧ обнаруживается в матриксе митохондрий. Причем аппликация Ag-НЧ к митохондриям приводит к доза-зависимому снижению активности митохондриальной СОД, которое становится более выраженным при увеличении времени инкубации с 1,0 до 2,5 часов. При инкубации с Ag-НЧ выделенных нервных окончании также около 70% серебра Ag-НЧ обнаруживается в цитозоле синаптосом, но, в отличии от клеток печени, в низких концентрациях (0,2 нг Ag-НЧ на 1 мг белка) Ag-НЧ вызывали увеличение, а в высоких (2 нг Ag-НЧ на 1 мг белка) – снижение активности митохондриальной СОД.  

Согласно полученным результатам распределение Ag-НЧ в отделы мозга зависит от способа их введения; примечательно, что при i.с. введении наиболее сильно накапливают Ag-НЧ клетки гиппокампа - отдела мозга, отвечающего за процессы обучения и памяти. При этом Ag-НЧ в низких концентрациях вызывают увеличение активности митохондриальной СОД нервных окончаний, что может рассматриваться в качестве адаптивной реакции клеток мозга в ответ на действие «токсического» агента. Вероятно, снижение активности митохондриальной СОД нервных окончаний при добавлении высокой дозы Ag-НЧ есть следствие срыва регуляции адаптивных процессов. 

1. Farina M. et al. Metals, Oxidative Stress and Neurodegeneration: A focus on Iron, Manganese and Mercury. Neurochemistry international. 2013;62(5):575-594.
2. Montes S. et al. Copper and Copper Proteins in Parkinson’s Disease.Oxidative Medicine and Cellular Longevity 2014;2014: 147251.
3. Opazo KM et al. Copper: from neurotransmission to neuroproteostasis. FrontAgingNeurosci. 2014; 6:143.
4. Win-Shwe T-T, Fujimaki H. Nanoparticles and Neurotoxicity. International Journal of Molecular Sciences. 2011;12(9):6267-6280.
5. McShan D et al. Molecular Toxicity Mechanism of Nanosilver. Journal of food and drug analysis. 2014;22(1):116-127.
6. Haase A.et al. Effects of Silver Nanoparticles on Primary Mixed Neural Cell Cultures: Uptake, Oxidative Stress and Acute Calcium Responses. Toxicological Sciences. 2012;126(2):457-468.

Today silver nanoparticles (SNP) are widely used in industry. Thus, SNP can penetration into the organism in different ways (with water and food or via the respiratory tract). In addition to the antibacterial effect, SNP are toxic include oxidative stress, inhibition of mitochondrial activity, and neurons are particularly sensitive to these processes. Purpose of this study was to investigate the biodistribution SNP in the brain regions at different methods of administration and the effect SNP on the antioxidant enzymes activity.
So, biodistribution of silver is tissue-specific and depends on the method administration. Low concentrations of SNP increase the activity of SOD.