Влияние пегилированных наночастиц оксида графена на фагоцитарную и окислительную активность нейтрофилов человека

Научно-технический прогресс способствует открытию и производству инновационных материалов. Появление графена – яркий тому пример. Графен считается перспективным материалом для применения в нанобиомедицине и в нанобиотехнологиях, поэтому важно понимать, как он влияет на иммунные клетки человека.

Целью исследования было изучение эффектов 5 и 25 мкг/мл наночастиц оксида графена с латеральными размерами 100-200 нм и 1-5 мкм, модифицированных линейным и разветвленным полиэтиленгликолем, на функциональную активность нейтрофилов человека.

Образование активных форм кислорода исследовали с помощью хемилюминесцентного анализа с использованием в качестве активатора хемилюминесценции люцигенина в микроварианте (96-луночный планшет) в течение 60 минут. Кроме того, исследовали эффект 60-минутной инкубации нейтрофилов с наночастицами пегилированного оксида графена на жизнеспособность этих клеток с окрашиванием их трипановым синим и 30-минутной инкубации – на поглощение нейтрофилами меченых флуоресцеином изоцианатом E. coli К-12 (лабораторный штамм). Пробы анализировали на проточном цитометре CytoFlex S. Определяли процент меченых флуоресцеином изоцианатом (поглотивших E. coli) нейтрофилов и индекс поглощения (медиана флуоресценции в гейте меченых флуоресцеином изотиоцианатом клеток, деленная на количество клеток в этом гейте). Образцы без добавления наночастиц служили контролем.

Было обнаружено снижение показателей люцигенин-усиленной хемилюминесценции нейтрофилов под влиянием двух типов наночастиц оксида графена: размером 1-5 мкм, покрытых линейным полиэтиленгликолем, и размером 100-200 нм, покрытых разветвленным полиэтиленгликолем, в концентрации 25 мкг/мл в стимулированном зимозаном варианте теста. Зависимости эффекта от размера частиц и типа полиэтиленгликоля не обнаружено. Показатели спонтанной хемилюминесценции нейтрофилов при добавлении наночастиц пегилированного оксида графена не изменялись.

Тридцатиминутная инкубация нейтрофилов человека при 37 °C c наночастицами пегилированного оксида графена с латеральными размерами 100-200 нм и 1-5 мкм не оказывала влияния на жизнеспособность этих клеток, а также на процент нейтрофилов, поглотивших E. coli. Однако модифицированный линейным полиэтиленгликолем оксид графена размером 1-5 мкм в концентрации 25 мкг/мл увеличивал количество поглощенных нейтрофилами E. coli из расчета на одну клетку.

Таким образом, при отсутствии цитотоксичности, частицы пегилированного оксида графена обладают разнонаправленными иммуномодулирующими эффектами на нейтрофилы. При этом важна именно их концентрация, а не размер частиц оксида графена и тип полиэтиленгликоля.

1. Бочкова М.С., Тимганова В.П., Храмцов П.В., Ужвиюк С.В., Шардина К.Ю., Нечаев А.И., Раев М.Б., Заморина С.А. Изучение влияния наночастиц оксида графена на люминол-зависимую хемилюминесценцию лейкоцитов человека // Медицинская иммунология, 2020, Т. 22. № 5. С. 977-986. doi: 10.15789/1563-0625-SOT-2051.

2. Babin K., Goncalves D.M., Girard, D. Nanoparticles enhance the ability of human neutrophils to exert phagocytosis by a Syk-dependent mechanism. Biochim. Biophys. Acta, 2015, Vol. 1850, pp. 2276-2282.

3. Bellier N., Baipaywad P., Ryu N., Lee J.Y., Park H. Recent biomedical advancements in graphene oxide- and reduced graphene oxide-based nanocomposite nanocarriers. Biomater. Res., 2022, Vol. 26, 65. doi: 10.1186/s40824-022-00313-2.

4. Bisso P.W., Gaglione S., Guimarães P.P.G., Mitchell M.J., Langer R. Nanomaterial Interactions with Human Neutrophils. ACS Biomater. Sci. Eng., 2018, Vol. 4, no. 12, pp. 4255-4265.

5. Choe G., Kim S., Park J., Park J., Kim S., Kim Y.S., Lee J.Y. Anti-oxidant activity reinforced reduced graphene oxide/alginate microgels: Mesenchymal stem cell encapsulation and regeneration of infarcted hearts. Biomaterials, 2019, 119513. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119513.

6. Feng R., Yu F., Xu J., Hu X. Knowledge gaps in immune response and immunotherapy involving nanomaterials: Databases and artificial intelligence for material design. Biomaterials, 2021, Vol. 266, 120469. doi: 10.1016/j.biomaterials.2020.120469.

7. Ghosh S., Chatterjee K. Poly (Ethylene glycol) functionalized graphene oxide in tissue engineering: A review on recent advances. Int. J. Nanomed., 2020, Vol. 15, pp. 5991-6006.

8. Ghulam A.N., dos Santos O.A.L., Hazeem L., Pizzorno Backx B., Bououdina M., Bellucci S. Graphene Oxide (GO) Materials-Applications and Toxicity on Living Organisms and Environment. J. Funct. Biomater., 2022, Vol. 13, no. 2, 77. doi: 10.3390/jfb13020077.

9. Juarez-Moreno K., Ayala M., Vazquez-Duhalt R. Antioxidant Capacity of Poly(Ethylene Glycol) (PEG) as Protection Mechanism Against Hydrogen Peroxide Inactivation of Peroxidases. Appl. Biochem. Biotechnol., 2015, Vol. 177, no. 6, pp. 1364-1373.

10. Keshavan S., Calligari P., Stella L., Fusco L., Delogu L.G., Fadeel B. Nano-bio interactions: a neutrophil-centric view. Cell Death Dis., 2019, Vol. 10, 569. doi: 10.1038/s41419-019-1806-8.

11. Khramtsov P., Bochkova M., Timganova V., Nechaev A., Uzhviyuk S., Shardina K., Maslennikova I., Rayev M., Zamorina S. Interaction of Graphene Oxide Modified with Linear and Branched PEG with Monocytes Isolated from Human Blood. Nanomaterials, 2022, Vol. 12, no. 1, 126. doi: 10.3390/nano12010126.

12. Malisz K., Świeczko-Żurek B. Graphene Production and Biomedical Applications: A Review. Crystals, 2023, Vol. 13, 1413. doi: 10.3390/cryst13101413.

13. Qiu Y., Wang Z., Owens A.C., Kulaots I., Chen Y., Kane A.B., Hurt R.H. Antioxidant Chemistry of Graphene-Based Materials and its Role in Oxidation Protection Technology. Nanoscale, 2014, Vol. 6, no. 20, pp. 11744-11755.

14. Savchenko A.A., Kudryavtsev I.V., Borisov A.G. Methods of estimation and the role of respiratory burst in the pathogenesis of infectious and inflammatory diseases. Russian Journal of Infection and Immunity, 2017, Vol. 7, no. 4, pp. 327-340. doi: 10.15789/2220-7619-2017-4-327-340.

15. Xu Z., Wang S., Li Y., Wang M., Shi P., Huang X. Covalent Functionalization of Graphene Oxide with Biocompatible Poly(ethylene glycol) for Delivery of Paclitaxel. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, Vol. 6, pp. 17268-17276.