НАНОЧАСТИЦЫ ОКСИДА ГРАФЕНА В РЕГУЛЯЦИИ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ МОНОЦИТОВ ЧЕЛОВЕКА

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. 

1. 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.

2. 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.

3. 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.

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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.