Исследование окислительной реакции Фентона на культуре человеческих клеток фибробластов, инкубированных с аблированными частицами CeO₂

Цель. Исследование биопротекторных свойств аблированных наночастиц диоксида церия по отношению к иммортализованным фибробластам человека в условиях окислительного стресса, вызванного реакцией Фентона.

Методы. Методом лазерной абляции получены наночастицы диоксида церия. Выявлены средние предельные размеры аблированных частиц оксидированного церия с помощью метода атомно-силовой микроскопии. Спектрофотометрическим методом выявлено, что аблированные наночастицы диоксида церия проявляют антиоксидантные свойства и препятствуют деградации красителя метиленового синего в ходе реакции Фентона. Методом сканирующей электронной микроскопии с помощью энергодисперсионной приставки картированы образцы клеточных культур после их инкубации с аблированными наночастицами диоксида церия. Методом МТТ-анализа исследовано влияние аблированных наночастиц диоксида церия на выживаемость культуры клеток BJ TERT в реакции Фентона.

Результаты. Установлены средние предельные размеры аблированных наночастиц диоксида церия, значения которых составляют (61,95±0,1) нм для нецентрифугированного водного раствора и (56,59±0,1) нм для водного раствора, центрифугированного со скоростью 1000 об/мин. Выявлено, что в присутствии аблированных наночастиц диоксида церия степень окислительной деградации метиленового синего в ходе реакции Фентона снижалась. Из полученных СЭМ-изображений клеточных культур с аблированными наночастицами диоксида церия следует, что наночастицы захватываются клетками в процессе инкубации. Статистический анализ по результатам МТТ-анализа показал, что 6-часовая и 24-часовая инкубация с аблированными наночастицами диоксида церия оказывает выраженное защитное действие на клеточную линию BJ TERT.

Заключение. В данной работе показано, что в ходе реакции Фентона наночастицы диоксида церия предотвращают окислительную деградацию красителя метиленового синего. При инкубации иммортализованных фибробластов человека аблированные наночастицы оксида церия захватываются клетками и оказывают на них значительное защитное действие в окислительной реакции. Высокая антиоксидантная активность наночастиц определяется высоким содержанием функциональных дефектов на поверхности наночастиц, полученных в резко неравновесных условиях лазерной абляции.

1. Luo Y., Wu Y. Defect engineering of nanomaterials for catalysis // Nanomaterials. 2023. Vol. 13, no. 6. P. 1116. https://doi.org/10.3390/nano13061116.

2. Nanoparticles engineering by pulsed laser ablation in liquids: Concepts and applications / E. Fazio, B. Gökce, F. De Giacomo [et al.] // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 11. P. 2317. https://doi.org/10.3390/nano10112317.

3. The role of laser ablation technique parameters in synthesis of nanoparticles from different target types / H. Naser, M. A. Alghoul, M. K. Hossain [et al.] // Journal of Nanoparticle Research. 2019. Vol. 21. P. 1–28. https://doi.org/10.1007/s11051-019-4690-3.

4. Antioxidant functionalized nanoparticles: A combat against oxidative stress / H. Kumar, K. Bhardwaj, E. Nepovimova [et al.] // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 7. P. 1334. https://doi.org/10.3390/nano10071334.

5. Ali R. D., Sih B. T., Omran D. G. Effect of nanoparticles and ionization radiation on same oxidant and antioxidant enzymes // Indian Journal of Forensic Medicine & Toxicology. 2021. Vol. 15, no. 4. P. 3084–3089.

6. Matussin S. N., Harunsani M. H., Khan M. M. CeO2 and CeO2-based nanomaterials for photocatalytic, antioxidant and antimicrobial activities // Journal of Rare Earths. 2023. Vol. 41, no. 2. P. 167–181. https://doi.org/10.1016/j.jre.2022.09.003.

7. Cerium oxide nanoparticles: Synthesis and characterization for biosafe applications / P. P. Tumkur, N. K. Gunasekaran, R. Lamani [et al.] // Nanomanufacturing. 2021. Vol. 1, no. 3. P. 176–189. https://doi.org/10.3390/nanomanufacturing1030013.

8. Walton R. I. Solvothermal synthesis of cerium oxides // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2011. Vol. 57, no. 4. P. 93–108. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2011.10.002.

9. Antioxidant properties of stabilized CeO2 nanoparticles / M. A. Pugachevskii, A. N. Chibisov, V. A. Mamontov, A. P. Kuzmenko // Physica status solidi (a). 2021. Vol. 218, no. 20. P. 2100355. https://doi.org/10.1002/pssa.202100355.

10. Effect of pH on antioxidant properties of ablated CeO2 nanoparticles in photocatalytic process / M. A. Pugachevskii, V. A. Mamontov, A. V. Siy, A. P. Kuzmenko // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022. Vol. 106. P. 74–76.

11. Effect of morphology and size on the thermodynamic stability of cerium oxide nanoparticles: Experiment and molecular dynamics calculation / A. N. Chibisov, M. A. Pugachevskii, Myo Min Tan, A. I. Kartsev, A. P. Kuzmenko // Nanotechnology Reviews. 2022. Vol. 11, no. 1. P. 620–624. https://doi.org/10.1515/ntrev-2022-0038.

12. The MTT assay: utility, limitations, pitfalls, and interpretation in bulk and single-cell analysis / M. Ghasemi, T. Turnbull, S. Sebastian, I. Kempson [et al.] // International journal of molecular sciences. 2021. Vol. 22, no. 23. P. 12827. https://doi.org/10.3390/ijms222312827.

13. Fenton reaction–unique but still mysterious / F. Kastanek, M. Spacilova, P. Krystynik [et al.] // Processes. 2023. Vol. 11, no. 2. P. 432. https://doi.org/10.3390/pr11020432.

14. Антиоксидантная активность аблированных наночастиц диоксида церия в окислительной фотокаталитической реакции / В. А. Мамонтов, В. В. Родионов, А. Ю. Рыженкова, И. В. Егельский, В. И. Каленчук, М. А. Пугачевский // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 3. С. 199–210. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-3-199-210.

15. Oxygen-vacancy engineering of cerium-oxide nanoparticles for antioxidant activity / C. Gu-nawan, M. S. Lord, E. Lovell [et al.] // ACS omega. 2019. Vol. 4, no. 5. P. 9473–9479. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00521.

16. Towards reliable quantification of hydroxyl radicals in the Fenton reaction using chemical probes / R. Burgos Castillo, J.-M. Fontmorin, W. Z. Tang [et al.] // RSC advances. 2018. Vol. 8, no. 10. P. 5321–5330. https://doi.org/10.1039/C7RA13209C.

17. Photocatalytic degradation of tetracycline in aqueous medium using ZnWO4/Bi2MoO6 nanocomposites under natural sunlight / G. Kumar, I. Mukherjee, M. Dubey [et al.] // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023. Vol. 20, no. 3. P. 2903–2918. https://doi.org/10.15406/japlr.2023.12.00421.

18. Mechanism and dynamics of fast redox cycling in cerium oxide nanoparticles at high oxidant concentration / V. Seminko, P. Maksimchuk, G. Grygorova [et al.] // The Journal of Physical Chemistry C. 2021. Vol. 125, no. 8. P. 4743–4749. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c00382.

19. Antioxidant cerium oxide nanoparticles in biology and medicine / B. C. Nelson, M. E. Johnson, M. L. Walker [et al.] // Antioxidants. 2016. Vol. 5, no. 2. P. 15.

20. Functionalized cerium oxide nanoparticles mitigate the oxidative stress and pro-inflammatory activity associated to the portal vein endothelium of cirrhotic rats / J. Ribera, J. Rodrigues-Vita, B. Cordoba [et al.] // PLoS One. 2019. Vol. 14, no. 6. P. e0218716. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0218716.