mimmunМедицинская иммунологияMedical Immunology (Russia)1563-06252313-741XSPb RAACI10.15789/1563-0625-GON-2207mimmun-2414Research ArticleМАТЕРИАЛЫ ФОРУМА "ДНИ ИММУНОЛОГИИ В СПБ" 2021НАНОЧАСТИЦЫ ОКСИДА ГРАФЕНА В РЕГУЛЯЦИИ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МОНОЦИТОВ ЧЕЛОВЕКАGRAPHENE OXIDE NANOPARTICLES IN THE REGULATION OF THE OXIDATIVE ACTIVITY OF HUMAN MONOCYTESУжвиюкС. В.UzhviyukS. V.

инженер лаборатории экологической иммунологии,

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

Engineer, Laboratory of Ecological Immunology, 

614081, Perm, Golev str., 13

БочковаМ. С.BochkovaM. S.

 к.б.н., научный сотрудник лаборатории экологической иммунологии,

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

 

PhD (Biology), Research Associate, Laboratory of Ecological Immunology,

614081, Perm, Golev str., 13

ТимгановаВ. П.TimganovaV. P.

к.б.н., научный сотрудник лаборатории экологической иммунологии,

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

PhD (Biology), Research Associate, Laboratory of Ecological Immunology,

614081, Perm, Golev str., 13

ХрамцовП. В.KhramtsovP. V.

к.б.н., младший научный сотрудник лаборатории экологической иммунологии,

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

PhD (Biology), Junior Research Associate, Laboratory of Ecological Immunology, 614081, Perm, Golev str., 13;

Associate Professor, Perm

ШардинаК. Ю.ShardinaK. Yu.

инженер лаборатории экологической иммунологии, 

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

Engineer, Laboratory of Ecological Immunology, 

614081, Perm, Golev str., 13

КропаневаМ. Д.KropanevaM. D.

инженер лаборатории экологической иммунологии, 

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

Engineer, Laboratory of Ecological Immunology, 

614081, Perm, Golev str., 13

НечаевА. И.NechaevA. I.

инженер лаборатории экологической иммунологии, 

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13

Engineer, Laboratory of Ecological Immunology,

614081, Perm, Golev str., 13

РаевМ. Б.RayevM. B.

д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории экологической иммунологии, 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13;

профессор, г. Пермь

PhD, MD (Biology), Leading Research Associate, Laboratory of Ecological Immunology, 614081, Perm, Golev str., 13;

Professor, Perm

ЗаморинаС. А.ZamorinaS. A.

д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории экологической иммунологии, 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13;

профессор, г. Пермь

PhD, MD (Biology), Leading Research Associate, Laboratory of Ecological Immunology, 614081, Perm, Golev str., 13;

Professor, Perm

Институт экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук – филиал ФГБУН «Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук»РоссияInstitute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук – филиал ФГБУН «Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук»; ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»РоссияInstitute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Perm State National Research UniversityRussian Federation202115102021234647652Copyright © Ужвиюк С.В., Бочкова М.С., Тимганова В.П., Храмцов П.В., Шардина К.Ю., Кропанева М.Д., Нечаев А.И., Раев М.Б., Заморина С.А., 20212021Ужвиюк С.В., Бочкова М.С., Тимганова В.П., Храмцов П.В., Шардина К.Ю., Кропанева М.Д., Нечаев А.И., Раев М.Б., Заморина С.А.Uzhviyuk S.V., Bochkova M.S., Timganova V.P., Khramtsov P.V., Shardina K.Y., Kropaneva M.D., Nechaev A.I., Rayev M.B., Zamorina S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.mimmun.ru/mimmun/article/view/2414

Благодаря своим свойствам, материалы на основе графена обладают потенциалом к использованию в биомедицине, но из-за их цитотоксического и провоспалительного воздействия на клетки практическое применение препаратов на его основе затруднено. Известно, что различные поверхностные модификации (функционализация) наночастиц оксида графена (ОГ) полиэтиленгликолем (ПЭГ) – один из способов снижения негативных эффектов графена на живые клетки. Так как применение наночастиц подразумевает их взаимодействие с иммунной системой, которая участвует в защите организма и в регуляции его функций, изучение этого вопроса крайне важно. Моноциты – клетки врожденного иммунитета и первая линия защиты человеческого организма от микроорганизмов и других чужеродных объектов. Одна из реакций моноцитов на стимул любой природы – производство активных форм кислорода (АФК). Ранее опубликованные данные демонстрируют неполную картину влияния наночастиц модифицированного оксида графена на образование АФК моноцитами человека. Таким образом, целью нашего исследования явилось оценка влияния пегилированного оксида графена (ОГ-ПЭГ и ОГ-8армПЭГ) на продукцию АФК моночитами человека в тесте спонтанной и стимулированной люминол-зависимой хемилюминесценции (ЛЗХЛ).

В качестве объектов исследования использовались CD14+-клетки, выделенные из мононуклеаров периферической крови здоровых доноров. Продукция АФК стимулировалась опсонизированным зимозаном (ОЗ), в качестве контроля выступал спонтанный вариант ЛЗХЛ. В работе использовались частицы оксида графена модифицированные линейным и разветвленным (армированным) ПЭГом (ОГ-ПЭГ и ОГ-8армПЭГ) размерами 100-200 нм («малые») и 1-5 мкм («большие»), с количеством покрывающего ПЭГ около 20%. Наночастицы применяли в концентрациях 5 и 25 мкг/мл.

Установлено, что на уровне спонтанной продукции АФК наночастицы малого размера в низкой концентрации (5 мкг/мл) и наночастицы большой размерности, покрытые разветвленным ПЭГом, в обеих концентрациях, оказывают достоверные подавляющие эффекты. На уровне стимулированной продукции АФК было обнаружено, что наночастицы графена малой размерности в концентрации 25 мкг/мл также подавляли продукцию АФК, как и частицы большой размерности, покрытые линейным ПЭГом, в той же концентрации. Таким образом, нами впервые установлено, что наночастицы оксида графена, функционализированные ПЭГом, способны ингибировать продукцию активных форм кислорода моноцитами человека, в связи с чем, можно говорить об антиоксидантной активности ОГ-ПЭГ. 

Graphene-based materials have an opportunity for use in biomedicine, thanks to their properties. Nevertheless, due to its cytotoxic effects, the use of graphene-based drugs is problematic. However, the surface modification of graphene oxide (GO) nanoparticles with a polyethyleneglycol (PEG) is one way to reduce the harmful effects of graphene on cells. Applying nanoparticles implies their interaction with the immune system, which protects the body. Monocytes are innate immunity cells and the first line of defenсe of the human organism from microorganisms and other alien objects. One of the monocytes’ reactions to a stimulus of any nature is to produce reactive oxygen species (ROS). Published data shows an incomplete picture of modified graphene oxide nanoparticles’ effects on ROS formation by human monocytes. Thus, it was essential to evaluate the pegylated graphene oxide (GO-PEG and GO-8armedPEG) effect on ROS production by human monocytes, assessed by the luminol-dependent chemiluminescence (LCL). The objects of the study were CD14+-cells isolated from mononuclear cells of healthy donors. ROS production was stimulated by opsonized zymosan (OZ), spontaneous LCL was used as a control. PEG-modified (GO-PEG and GO-8armedPEG) GO nanoparticles with sizes of 100-200 nm (“small”) and 1-5 μm (“big”) with PEG covering ~ 20% were used at concentrations of 5 and 25 μg/ml. The study showed that small size nanoparticles at a low concentration of 5 μg/ml and big nanoparticles coated with 8-armed PEG at both concentrations have a significant suppressive effect on spontaneous ROS production. In the stimulated LCL reaction variant, it was found that small nanoparticles (25 μg/ml) also have a suppressive effect on ROS production, such as big-sized particles coated with linear PEG at the same concentration. Thus, we have established for the first time that graphene oxide nanoparticles functionalized with PEG are capable of inhibiting the ROS production by human monocytes, and therefore, we can speak of the antioxidant activity of GO-PEG. 

оксид графенафункционализированные наночастицыполиэтиленгликольлюминол-зависимая хемилюминесценциямоноцитыактивные формы кислородаgraphene oxidesurface modification of nanoparticlespolyethyleneglycolluminol-dependent chemiluminescencemonocytesreactive oxygen speciesThis work was conducted within the framework of the Russian Scientific Foundation (Grant No. 19-15-00244).ReferencesBaali N., Khecha A., Bensouici A., Speranza G., Hamdouni N. Assessment of antioxidant activity of pure graphene oxide (GO) and ZnO-decorated reduced graphene oxide (rGO) using DPPH radical and H2O2 scavenging assays. J. Carbon Res., 2019, Vol. 5, no. 4, 75. doi: 10.3390/c5040075.Baali N., Khecha A., Bensouici A., Speranza G., Hamdouni N. Assessment of antioxidant activity of pure graphene oxide (GO) and ZnO-decorated reduced graphene oxide (rGO) using DPPH radical and H2O2 scavenging assays. J. Carbon Res., 2019, Vol. 5, no. 4, 75. doi: 10.3390/c5040075.Bochkova M.S., Timganova V.P., Khramtsov P.V., Uzhviyuk S.V., Shardina K.Yu., Nechaev A.I., Raev M.B., Zamorina S.A. Study of the graphene oxide nanoparticles effect on luminol-dependent chemiluminescence of human leukocytes. Medical Immunology (Russia), 2020, Vol. 22, no. 5, pp. 977-986. (In Russ.) doi: 10.15789/1563-0625-SOT-2051.Bochkova M.S., Timganova V.P., Khramtsov P.V., Uzhviyuk S.V., Shardina K.Yu., Nechaev A.I., Raev M.B., Zamorina S.A. Study of the graphene oxide nanoparticles effect on luminol-dependent chemiluminescence of human leukocytes. Medical Immunology (Russia), 2020, Vol. 22, no. 5, pp. 977-986. (In Russ.) doi: 10.15789/1563-0625-SOT-2051.Dasari Shareena T.P., McShan D., Dasmahapatra A.K., Tchounwou P.B. A review on graphene-based nanomaterials in biomedical applications and risks in environment and health. Nano-Micro Lett., 2018, Vol. 10, no. 3, 53. doi: 10.1007/s40820-018-0206-4.Dasari Shareena T.P., McShan D., Dasmahapatra A.K., Tchounwou P.B. A review on graphene-based nanomaterials in biomedical applications and risks in environment and health. Nano-Micro Lett., 2018, Vol. 10, no. 3, 53. doi: 10.1007/s40820-018-0206-4.Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev., 2010, Vol. 39, no. 1, pp. 228-240.Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev., 2010, Vol. 39, no. 1, pp. 228-240.Marković Z.M., Jovanović S.P., Mašković P.Z., Mojsin M.M., Stevanović M.J., Danko M., Mičušík M., Jovanović D.J., Kleinová A., Špitalský Z., Pavlović V.B., Todorović Marković B.M. Graphene oxide size and structure pro-oxidant and antioxidant activity and photoinduced cytotoxicity relation on three cancer cell lines. J. Photochem. Photobiol. B, 2019, Vol. 200, 111647. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2019.111647.Marković Z.M., Jovanović S.P., Mašković P.Z., Mojsin M.M., Stevanović M.J., Danko M., Mičušík M., Jovanović D.J., Kleinová A., Špitalský Z., Pavlović V.B., Todorović Marković B.M. Graphene oxide size and structure pro-oxidant and antioxidant activity and photoinduced cytotoxicity relation on three cancer cell lines. J. Photochem. Photobiol. B, 2019, Vol. 200, 111647. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2019.111647.Nilewski L., Mendoza K., Jalilov A.S., Berka V., Wu G., Sikkema W.K.A., Metzger A., Ye R., Zhang R., Luong D.X., Wang T., McHugh E., Derry P.J., Samuel E.L., Kent T.A., Tsai A.L., Tour J.M. Highly oxidized graphene quantum dots from coal as efficient antioxidants. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, Vol. 11, Iss. 18, pp. 16815-16821.Nilewski L., Mendoza K., Jalilov A.S., Berka V., Wu G., Sikkema W.K.A., Metzger A., Ye R., Zhang R., Luong D.X., Wang T., McHugh E., Derry P.J., Samuel E.L., Kent T.A., Tsai A.L., Tour J.M. Highly oxidized graphene quantum dots from coal as efficient antioxidants. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, Vol. 11, Iss. 18, pp. 16815-16821.Orecchioni M., Bedognetti D., Newman L., Fuoco C., Spada F., Hendrickx W., Marincola F.M., Sgarrella F., Rodrigues A.F., Ménard-Moyon C., Cesareni G., Kostarelos K., Bianco A., Delogu L.G. Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nat. Commun., 2017, Vol. 8, no. 1, 1109. doi: 10.1038/s41467-017-01015-3.Orecchioni M., Bedognetti D., Newman L., Fuoco C., Spada F., Hendrickx W., Marincola F.M., Sgarrella F., Rodrigues A.F., Ménard-Moyon C., Cesareni G., Kostarelos K., Bianco A., Delogu L.G. Single-cell mass cytometry and transcriptome profiling reveal the impact of graphene on human immune cells. Nat. Commun., 2017, Vol. 8, no. 1, 1109. doi: 10.1038/s41467-017-01015-3.Orecchioni M., Bordoni V., Fuoco C., Reina G., Lin H., Zoccheddu M., Yilmazer A., Zavan B., Cesareni G., Bedognetti D., Bianco A., Delogu L.G. High-dimensional single-cell analysis of graphene oxide biological impact: tracking on immune cells by single-cell mass cytometry. Small, 2020, Vol. 16, no. 21, e2000123. doi: 10.1002/smll.202000123.Orecchioni M., Bordoni V., Fuoco C., Reina G., Lin H., Zoccheddu M., Yilmazer A., Zavan B., Cesareni G., Bedognetti D., Bianco A., Delogu L.G. High-dimensional single-cell analysis of graphene oxide biological impact: tracking on immune cells by single-cell mass cytometry. Small, 2020, Vol. 16, no. 21, e2000123. doi: 10.1002/smll.202000123.Qiu Y., Wang Z., Owens A.C., Kulaots I., Chen Y., Kane A.B., Hurt R.H. Antioxidant chemistry of graphenebased materials and its role in oxidation protection technology. Nanoscale, 2014, Vol. 6, Iss. 20, pp. 11744- 11755.Qiu Y., Wang Z., Owens A.C., Kulaots I., Chen Y., Kane A.B., Hurt R.H. Antioxidant chemistry of graphenebased materials and its role in oxidation protection technology. Nanoscale, 2014, Vol. 6, Iss. 20, pp. 11744- 11755.Ruiz V., Yate L., García I., Cabanero G., Grande H.J. Tuning the antioxidant activity of graphene quantum dots: protective nanomaterials against dye decoloration. Carbon, 2017, Vol. 116, pp. 366-374.Ruiz V., Yate L., García I., Cabanero G., Grande H.J. Tuning the antioxidant activity of graphene quantum dots: protective nanomaterials against dye decoloration. Carbon, 2017, Vol. 116, pp. 366-374.Singh D.P., Herrera C.E., Singh B., Singh S., Singh R.K., Kumar R. Graphene oxide: an efficient material and recent approach for biotechnological and biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl., 2018, Vol. 86, pp. 173-197.Singh D.P., Herrera C.E., Singh B., Singh S., Singh R.K., Kumar R. Graphene oxide: an efficient material and recent approach for biotechnological and biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl., 2018, Vol. 86, pp. 173-197.Xu M., Zhu J., Wang F., Xiong Y., Wu Y., Wang Q., Weng J., Zhang Z., Chen W., Liu S. Improved in vitro and in vivo biocompatibility of graphene oxide through surface modification: poly (acrylic acid)-functionalization is superior to PEGylation. ACS Nano, 2016, Vol. 10, Iss. 3, pp. 3267-3281.Xu M., Zhu J., Wang F., Xiong Y., Wu Y., Wang Q., Weng J., Zhang Z., Chen W., Liu S. Improved in vitro and in vivo biocompatibility of graphene oxide through surface modification: poly (acrylic acid)-functionalization is superior to PEGylation. ACS Nano, 2016, Vol. 10, Iss. 3, pp. 3267-3281.Yan J., Chen L., Huang C.C., Lung S.C.C., Yang L., Wang W.C., Lin P.H., Suo G., Lin C.H. Consecutive evaluation of graphene oxide and reduced graphene oxide nanoplatelets immunotoxicity on monocytes. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2017, Vol. 153, pp. 300-309.Yan J., Chen L., Huang C.C., Lung S.C.C., Yang L., Wang W.C., Lin P.H., Suo G., Lin C.H. Consecutive evaluation of graphene oxide and reduced graphene oxide nanoplatelets immunotoxicity on monocytes. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2017, Vol. 153, pp. 300-309.Zhao H., Ding R., Zhao X., Li Y., Qu L., Pei H., Yildirimer L., Wu Z., Zhang W. Graphene-based nanomaterials for drug and/or gene delivery, bioimaging, and tissue engineering. Drug Discov. Today, 2017, Vol. 22, no. 9, pp. 1302- 1317.Zhao H., Ding R., Zhao X., Li Y., Qu L., Pei H., Yildirimer L., Wu Z., Zhang W. Graphene-based nanomaterials for drug and/or gene delivery, bioimaging, and tissue engineering. Drug Discov. Today, 2017, Vol. 22, no. 9, pp. 1302- 1317.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.