RESTORING REDOX HOMEOSTASIS IN BRAIN AND COLON TISSUES IN A DMH-INDUCED COLON ADENOCARCINOMA MODEL THROUGH THE APPLICATION OF METAL NANOPARTICLES COMPOSITION

І. М. Іванчук

doi:10.11603/mcch.2410-681X.2023.i3.14126

Автор(и)

І. М. Іванчук ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ І. Я. ГОРБАЧЕВСЬКОГО МОЗ УКРАЇНИ

DOI:

https://doi.org/10.11603/mcch.2410-681X.2023.i3.14126

Ключові слова:

аденокарцинома товстої кишки, тканина мозку, тканина кишки, оксидативний стрес, антиоксидантна система, наночастинки металів

Анотація

Вступ. Процеси вільнорадикального окиснення, які переважають над системою антиоксидантного захисту організму, ініціюють прискорення та прогресування канцерогенезу. Застосування наночастинок металів у галузі онкології активно вивчають науковці. Оцінка ефективності використання композицій наночастинок металів для корекції проявів оксидативного стресу є важливою темою сучасних наукових досліджень.

Мета дослідження – вивчити потенційні переваги використання композиції наночастинок Au/Ag/Fe (НЧ Au/Ag/Fe) як нового методу корекції проявів оксидативного стресу та покращення функціонування антиоксидантної системи за умов розвитку ДМГ-індукованої аденокарциноми товстої кишки.

Методи дослідження. Дослідження проведено на 125 безпородних білих щурах-самцях. Тварин поділили на групи: 1-ша – контрольна (35 особин); 2-га –70 щурів, яким 1 раз на тиждень протягом 30 тижнів вводили N,N-диметилгідразину гідрохлорид; 3-тя – 20 тварин, яким після закінчення моделювання неопластичного ураження товстої кишки щоденно впродовж 21 доби внутрішньошлунково вводили НЧ Au/Ag/Fe. Для оцінки проявів оксидативного стресу в тканинах головного мозку і товстої кишки визначали концентрацію ТБК-активних продуктів, дієнових і трієнових кон’югатів, основ Шиффа (ОШ). Активність антиоксидантної системи оцінювали за каталазною, супероксиддисмутазною, глутатіонредуктазною, глутатіонпероксидазною активністю і вмістом відновленого глутатіону.

Результати й обговорення. У статті продемонстровано багатогранний зв’язок між розвитком оксидативного стресу та канцерогенезом, підкреслено його значення в прогнозуванні прогресування раку. Підтверджено, що ДМГ-індукована аденокарцинома товстої кишки in situ супроводжувалася підвищенням рівня маркерів оксидативного стресу та зниженням активності антиоксидантних факторів. Крім того, підтверджено, що використання НЧ Au/Ag/Fe сприяло зменшенню проявів оксидативного стресу і відновленню активності ензимів антиоксидантної системи та її біологічних медіаторів неензимної природи. Каталазна, супероксиддисмутазна, глутатіонпероксидазна, глутатіонредуктазна активність і вміст відновленого глутатіону в групі тварин, в яких застосовували композицію наночастинок металів, відповідали контрольним показникам.

Висновки. Використання композиції наночастинок Au/Ag/Fe призводить до відновлення окисно-відновного гомеостазу при індукованій аденокарциномі товстої кишки.

Посилання

Lisnychuk, N.Ye., Andriichuk, I.Ya., Soroka, Yu.V., Stravska, M.V., and Yavorska, S.I. (2018). Influence of induced carcinogenesis on biological markers of endotoxemia. World of Medicine and Biology, 14(63), 137. https://doi.org/10.26724/2079-8334-2018-1-63-137-140 DOI: https://doi.org/10.26724/2079-8334-2018-1-63-137-140

Zińczuk, Maciejczyk, Zaręba, Romaniuk, Markowski, Kędra, Zalewska, Pryczynicz, Matowicka-Karna, and Guzińska-Ustymowicz. (2019). Antioxidant barrier, redox status, and oxidative damage to biomolecules in patients with colorectal cancer. can malondialdehyde and catalase be markers of colorectal cancer advancement? Biomolecules, 9 (10), 637. https://doi.org/10.3390/biom9100637 DOI: https://doi.org/10.3390/biom9100637

Soroka, Yu.V., Andriichuk, I.Ya., Lykhatskyi P.H., Fira L.S., Lisnychuk N.Ye. (2020). Violation of the prooxidant-antioxidant balance in the spleen tissue under experimental carcinogenesis. Georgian Med News, 308, 3-8.

Shichiri, M. (2014). The role of lipid peroxidation in neurological disorders. Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition, 54 (3), 151-160. https://doi.org/10.3164/jcbn.14-10 DOI: https://doi.org/10.3164/jcbn.14-10

Taso, O.V., Philippou, A., Moustogiannis, A., Zevolis, E., & Koutsilieris, M. (2019). Lipid peroxidation products and their role in Neurodegenerative Diseases. Annals of Research Hospitals, 3, 2-2. https://doi.org/10.21037/arh.2018.12.02 DOI: https://doi.org/10.21037/arh.2018.12.02

Sidorova, Y., Domanskyi, A. (2020). Detecting oxidative stress biomarkers in neurodegenerative disease models and patients. Methods and Protocols, 3 (4), 66. https://doi.org/10.3390/mps3040066 DOI: https://doi.org/10.3390/mps3040066

Singh, A., Kukreti, R., Saso, L., & Kukreti, S. (2019). Oxidative Stress: a Key Modulator in Neurodegenerative Diseases. Molecules, 24(8), 1583. https://doi.org/10.3390/molecules24081583

Singh, A., Kukreti, R., Saso, L., & Kukreti, S. (2019). Oxidative Stress: a Key Modulator in Neurodegenerative Diseases. Molecules, 24(8), 1583. https://doi.org/10.5402/ 2012/137289 DOI: https://doi.org/10.3390/molecules24081583

McNamara, K., Syed, Thorat, N.D., Bauer, J., & Mulvihill, J.J. (2020). Biomedical Applications of Nanoalloys. Elsevier EBooks, 381-432. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-819847-6.00016-4 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819847-6.00016-4

Cheng, Z., Li, M., Dey, R., & Chen, Y. (2021). Nanomaterials for cancer therapy: current progress and perspectives. Journal of Hematology & Oncology, 14(1). https://doi.org/10.1186/s13045-021-01096-0 DOI: https://doi.org/10.1186/s13045-021-01096-0

Datta, A., Mishra, S., Manna, K., Saha, K.D., Mukherjee, S., & Roy, S. (2020). Pro-Oxidant Therapeutic Activities of Cerium Oxide Nanoparticles in Colorectal Carcinoma Cells. ACS Omega, 5(17), 9714-9723. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b04006 DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.9b04006

Reznichenko L.S., Dybkova, S.М., Hruzyna T.G., Ulberg, Z.R., Todor, I.N., Lukyanova N.Yu., Shpyleva S. (2012). Gold nanoparticles synthesis and biological activity estimation in vitro and in vivo. PubMed, 34(1), 25-28.

Awashra, M., & Młynarz, P. (2023). The toxicity of nanoparticles and their interaction with cells: an in vitro metabolomic perspective. Nanoscale Advances, 5(10), 2674–2723. https://doi.org/10.1039/D2NA00534D DOI: https://doi.org/10.1039/D2NA00534D

Lisnychuk, N., Dybkova, S., Rieznichenko, L., & Vivchar, Z. (2021). Can Au/Ag/Fe nanoparticle composition restore blood cell counts in terms of DMH-induced colon adenocarcinoma? MODERN ISSUES of MEDICINE and MANAGEMENT. https://doi.org/10.52340/mid.2021.638

Gomes, H.I.O., Martins, C.S.M., & Prior, J.A.V. (2021). Silver Nanoparticles as Carriers of Anticancer Drugs for Efficient Target Treatment of Cancer Cells. Nanomaterials, 11(4), 964. https://doi.org/10.3390/nano11040964 DOI: https://doi.org/10.3390/nano11040964

Yeşilot, Ş., & Aydın Acar, Ç. (2019). Silver nanoparticles; a new hope in cancer therapy? Eastern Journal of Medicine, 24(1), 111-116. https://doi.org/10.5505/ejm.2019.66487 DOI: https://doi.org/10.5505/ejm.2019.66487

Kovács, D., Igaz, N., Gopisetty, M.K., & Kiricsi, M. (2022). Cancer Therapy by Silver Nanoparticles: Fiction or Reality? International Journal of Molecular Sciences, 23(2), 839. https://doi.org/10.3390/ijms23020839 DOI: https://doi.org/10.3390/ijms23020839

Zhang, X.-F., Shen, W., & Gurunathan, S. (2016). Silver Nanoparticle-Mediated Cellular Responses in Various Cell Lines: An in Vitro Model. International Journal of Molecular Sciences, 17(10), 1603. https://doi.org/10.3390/ijms17101603 DOI: https://doi.org/10.3390/ijms17101603

Bao, J., Jiang, Z., Ding, W., Cao, Y., Liu, Y., & Liu, J. (2022). Silver nanoparticles induce mitochondria-dependent apoptosis and late non-canonical autophagy in HT-29 colon cancer cells. Nanotechnology Reviews, 11(1), 1911-1926. https://doi.org/10.1515/ntrev-2022-0114 DOI: https://doi.org/10.1515/ntrev-2022-0114

Wei, L., Lu, J., Xu, H., Patel, A., Chen, Z.-S., & Chen, G. (2015). Silver nanoparticles: synthesis, properties, and therapeutic applications. Drug Discovery Today, 20(5), 595–601. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2014.11.014 DOI: https://doi.org/10.1016/j.drudis.2014.11.014

Raja, G., Jang, Y.K., Suh, J.S., Kim, H.S., Ahn, S.H., & Kim, T.J. (2020). Microcellular Environmental Regulation of Silver Nanoparticles in Cancer Therapy: A Critical Review. Cancers, 12(3). https://doi.org/10.3390/cancers12030664 DOI: https://doi.org/10.3390/cancers12030664

Boisselier, E., & Astruc, D. (2009). Gold nanoparticles in nanomedicine: preparations, imaging, diagnostics, therapies and toxicity. Chemical Society Reviews, 38(6), 1759. https://doi.org/10.1039/b806051g DOI: https://doi.org/10.1039/b806051g

Kumar, D., Mutreja, I., Chitcholtan, K., & Sykes, P. (2017). Cytotoxicity and cellular uptake of different sized gold nanoparticles in ovarian cancer cells. Nanotechnology, 28(47), 475101. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa935e DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa935e

Wang, L., Liu, Y., Li, W., Jiang, X., Ji, Y., Wu, X., Xu, L., Qiu, Y., Zhao, K., Wei, T., Li, Y., Zhao, Y., & Chen, C. (2011). Selective Targeting of Gold Nanorods at the Mitochondria of Cancer Cells: Implications for Cancer Therapy. Nano Letters, 11(2), 772-780. https://doi.org/10.1021/nl103992v DOI: https://doi.org/10.1021/nl103992v

Zhang, L., Wang, L., Hu, Y., Liu, Z., Tian, Y., Wu, X., Zhao, Y., Tang, H., Chen, C., & Wang, Y. (2013). Selective metabolic effects of gold nanorods on normal and cancer cells and their application in anticancer drug screening. Biomaterials, 34(29), 7117-7126. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.05.043 DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.05.043

Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, A.R., Ali, J.S., & Hussain, A. (2016). Synthesis, characterization, applications, and challenges of iron oxide nanoparticles. Nanotechnology, Science and Applications, Volume 9, 49-67. https://doi.org/10.2147/nsa.s99986 DOI: https://doi.org/10.2147/NSA.S99986

Rieznichenko L.S., Dybkova S.M., Doroshenko A.M., Chekman I.S., Ulberg Z.R. (2014). Synthesis of iron nanoparticles and characterization of their biosafety. Visnyk Problem Biologii i Medytsyny. 2(3), 319-324.

Rieznichenko L.S., Doroshenko A.M., Dybkova S.M. (2014) Estimation of iron nanoparticles’ substance biosafety in vitro and in vivo. Galician Medical Journal. 3(21), 87-90.

Ryzhenko, G.F., Gorbatiuk, O.I., Andriiaschuk, V.O., Zhovnir, O.M., Uhovs'ka, T., Tiutiun, S.M., Rieznichenko L.S., Dybkova, S.М., & Hruzyna T.H. (2017). Experimental justification of application of colloidal solutions of nano-particles of metals AuNP, AgNP, CuNP and FeNP in biogeotechnology of manufacture of vaccines. Vìsnik Agrarnoï Nauki, 95(7), 36-42. https://doi.org/10.31073/agrovisnyk201707-07 DOI: https://doi.org/10.31073/agrovisnyk201707-07

Lisnychuk, N., Dybkova, S., Rieznichenko, L., & Vivchar, Z. (2021). Can Au/Ag/Fe nanoparticle composition restore blood cell counts in terms of DMH-induced colon adenocarcinoma? MODERN ISSUES of MEDICINE and MANAGEMENT. https://doi.org/10.52340/mid.2021.638 DOI: https://doi.org/10.52340/mid.2021.638

Perše, M., & Cerar, A. (2011). Morphological and Molecular Alterations in 1,2 Dimethylhydrazine and Azoxymethane Induced Colon Carcinogenesis in Rats. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2011, 1-14. https://doi.org/10.1155/2011/473964 DOI: https://doi.org/10.1155/2011/473964

Council of Europe Treaty Series - Explanatory Reports. European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purposes. Council of Europe. Strasbourg; 1986, 56.

Buege J.A., Aust S.D. (1978). Microsomal lipid peroxidation. In: Methods in Enzymology. Elsevier. 302-310. DOI: https://doi.org/10.1016/S0076-6879(78)52032-6

Skrzydlewska, E. (2005). Lipid peroxidation and antioxidant status in colorectal cancer. World Journal of Gastroenterology, 11(3), 403. https://doi.org/10.3748/wjg.v11.i3.403 DOI: https://doi.org/10.3748/wjg.v11.i3.403

Danchuk, O.V. (2018). Lipid peroxidation and activity of the antioxidant protection system in pigs with diff erent types of higher nervous activity: abstract of dissertation of Doctor of Veterinary Sciences (p. 46) [Abstract of dissertation of Doctor of Veterinary Sciences].

Griendling, K.K., & FitzGerald, G.A. (2003). Oxidative Stress and Cardiovascular Injury. Circulation, 108(16), 1912-1916. https://doi.org/10.1161/01.cir. 0000093660.86242.bb DOI: https://doi.org/10.1161/01.CIR.0000093660.86242.BB

Sykes, J., McCormack, F.X., & O’Brien, T.J. (1978). A preliminary study of the superoxide dismutase content of some human tumors. PubMed, 38(9), 2759-2762.

Griffith, O.W. (1980). Determination of glutathione and glutathione disulfide using glutathione reductase and 2-vinylpyridine. Analytical Biochemistry, 106(1), 207-212. https://doi.org/10.1016/0003-2697(80)90139-6 DOI: https://doi.org/10.1016/0003-2697(80)90139-6

Paglia D.E., Valentine W.N. (1967). Studies on the quantitative and qualitative characterization of erythrocyte glutathione peroxidase. J Lab Clin Med, 70(1), 158-169.

Mize C.E., Langdon R.G. (1962). Hepatic glutathione reductase. I. Purification and general kinetic properties. J Biol Chem, 237, 1589-1595. DOI: https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)83745-6

Kennedy, L., Sandhu, J.K., Harper, M.E., & Cuperlovic-Culf, M. (2020). Role of Glutathione in Cancer: From Mechanisms to Therapies. Biomolecules, 10(10), 1429. https://doi.org/10.3390/biom10101429 DOI: https://doi.org/10.3390/biom10101429

Traverso, N., Ricciarelli, R., Nitti, M., Marengo, B., Furfaro, A.L., Pronzato, M.A., Marinari, U.M., & Domenicotti, C. (2013). Role of Glutathione in Cancer Progression and Chemoresistance. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2013, 1-10. https://doi.org/10.1155/ 2013/972913 DOI: https://doi.org/10.1155/2013/972913