A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method
In order to study toxicity mechanisms of carbon nanotubes (CNT), modifications of spin probe method have been applied allowing us to determine quantitatively the CNT effect on membrane integrity of human erythrocites and on mitochondrial activity of rat liver homogenate without extraction of mitocho...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2008
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/316 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291433554345984 |
|---|---|
| author | Kartel, N. T. Grischenko, V. I. Cherhykh, V. P. Ivanov, L. V. Nardid, O. A. Sementsov, Yu. I. Prikhod'ko, G. P. Kovalenko, S. N. Gubin, Yu. I. Repina, S. V. |
| author_facet | Kartel, N. T. Grischenko, V. I. Cherhykh, V. P. Ivanov, L. V. Nardid, O. A. Sementsov, Yu. I. Prikhod'ko, G. P. Kovalenko, S. N. Gubin, Yu. I. Repina, S. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "N. T. Kartel",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. I. Grischenko",
"institution": "Institute of Cryobiology and Cryomedicine Problems of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "V. P. Cherhykh",
"institution": "National Pharmaceutical University of Ukraine"
},
{
"author": "L. V. Ivanov",
"institution": "National Pharmaceutical University of Ukraine"
},
{
"author": "O. A. Nardid",
"institution": "Institute of Cryobiology and Cryomedicine Problems of National Academy of Sciences of Ukraine"
},
{
"author": "Yu. I. Sementsov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "G. P. Prikhod'ko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "S. N. Kovalenko",
"institution": "National Pharmaceutical University of Ukraine"
},
{
"author": "Yu. I. Gubin",
"institution": "National Pharmaceutical University of Ukraine"
},
{
"author": "S. V. Repina",
"institution": "Institute of Cryobiology and Cryomedicine Problems of National Academy of Sciences of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kartel, N. T. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:34Z |
| description | In order to study toxicity mechanisms of carbon nanotubes (CNT), modifications of spin probe method have been applied allowing us to determine quantitatively the CNT effect on membrane integrity of human erythrocites and on mitochondrial activity of rat liver homogenate without extraction of mitochondria from hepatocyte cells.
CNT-induced damage of erythrocyte membranes has been shown to be time-germinating: an introduction of CNT suspension with concentration of 10 to 20 mcg/ml firstly does not result in erythrocyte membrane disturbance but in 2 days after sample exposition at 6 ºC with CNT concentrations of 10, 50, 100, and 200 mcg/ml the amount of damaged erythrocytes was 4, 10, 16, and 25 per cent respectively. An exposition of liver homogenate to CNT for 4 hours at 0ºC results in a considerable decrease in the mitochondrial activity (inhibition of the chain of electron transfer in mitochondria). The data obtained show the CNT-induced cytotoxicity to be caused not only by changes in cell membrane structures but also by affecting their functional properties. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:32:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2008. Вып. 14. С. 557 – 564
557
УДК 544.785; 576.38; 615.9
ИЗУЧЕНИЕ ЦИТОТОКСИЧНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОТРУБОК МЕТОДОМ СПИНОВЫХ ЗОНДОВ
Н.Т. Картель1, В.И. Грищенко2, В.П. Черных3, Л.В. Иванов3,
О.A. Нардид2, Ю.И. Семенцов1, Г.П. Приходько1,
С.Н. Коваленко3, Ю.И. Губин3, С.В. Репина2
1Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины
ул. Генерала Наумова 17, 03164 Киев-164
2Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, Харьков;
3Национальный фармацевтический университет Украины, Харьков
Для изучения механизмов цитотоксичности углеродных нанотрубок (УНТ) приме-
нили модификации метода спиновых зондов, позволяющие количественно определять влия-
ние УНТ на целостность мембран эритроцитов человека и митохондриальную активность
гомогената печени крыс без извлечения митохондрий из клеток гепатоцитов.
Показано, что повреждение мембран эритроцитов под действием УНТ развивается
во времени: введение суспензии УНТ при концентрации от 10 мкг/мл до 200 мкг/мл в первый
момент не приводит к нарушению мембран эритроцитов, однако через 2 сут экспозиции
образцов при температуре 6 оС для концентраций УНТ 10, 50, 100 и 200 мкг/мл количество
поврежденных эритроцитов составляло соответственно 4, 10, 16 и 25 %. Экспозиция го-
могената печени с УНТ в течение 4 ч при температуре 0 оС приводит к значительному
снижению митохондриальной активности (ингибированию цепи передачи электронов в
митохондриях). Полученные данные показывают, что цитотоксичность, обусловленная
действием УНТ, связана не только с изменением мембранных структур клеток, но и
воздействием на их функциональные свойства.
Со времени открытия углеродных нанотрубок (УНТ) в 1991 году Иидзимой [1]
(фактически повторно [2]) вопрос об их токсичности остается одним из ключевых. Действи-
тельно, практическое использование этих уникальных по свойствам наноструктур в био-
технологии, молекулярной биологии и медицине может, естественно, осложняться из-за
возможного неблагоприятного воздействия УНТ на субклеточные и клеточные структуры, а
также в целом на органы и ткани живого организма. Как и для любых иных наночастиц
проявление биологических и токсических эффектов УНТ должно определяться их формой,
размером, природой примесей, зарядом, дозой, способами поступления, концентрацией в
области органа-мишени, продолжительностью воздействия и другими факторами. В связи с
этим с 2001 года начаты систематические и масштабные исследования токсичности и
биосовместимости УНТ, различающихся происхождением, структурой и чистотой, с
различными биологическими объектами в экспериментах in vitro и in vivo, чему посвящен
ряд обстоятельных статей и обзоров [3 – 7]. Полученные к настоящему времени данные о
легочной токсичности, раздражимости кожи, цитотоксичности, биосовместимости, воз-
действии на окружающую среду, а также терапевтическом действии УНТ противоречивы и
не дают четкой картины об уровне безвредности и безопасности таких наноматериалов для
живого организма. Ясно лишь, что наименее токсичными и наиболее совместимыми явля-
558
ются рафинированные (очищенные) одностенные трубки небольшой длины, имеющие
также химически модифицированную поверхность и функционализацию. Известно также,
что УНТ способны преодолевать мембраны клеток, проникать в цитоплазму, а в некоторых
случаях и в ядра. Кроме того, эмпирическим путем установлен и концентрационный предел
цитотоксичности УНТ, составляющий для суспензий трубок примерно 10 мкг/мл.
До сих пор неясен вклад в токсичность нанотрубок механического повреждения ими
мембран клеток, а также более тонкого эффекта влияния УНТ на биохимические процессы
в субклеточных органеллах - митохондриях и ядре. Если факт влияния нанотрубок на ДНК
и ядро клеток не раз экспериментально доказан [8, 9], то в отношении митохондрий, нахо-
дящихся внутри клеток, данных о влиянии УНТ на их активность в настоящее время нет,
несмотря на ключевую роль митохондрий для жизнеспособности клеток. Это связано в
первую очередь с ограниченностью возможностей физических методов, используемых при
изучении таких сложных биологических систем, как клетки, в присутствии достаточно
крупных и громоздких с точки зрения молекулярной биологии углеродных наноматериалов.
Для изучения механизмов токсичности УНТ на молекулярном и мембранном уров-
нях предложено использовать метод спиновых зондов. Он давно успешно используется в
молекулярной биологии и фармакологии. Например, по спектрам электронного парамагнит-
ного резонанса (ЭПР) стабильного нитроксильного радикала (зонда), введенного во взвесь
клеток или белков, судят о микровязкости и полярности микроокружения зонда, конформа-
ционных изменениях в белках и мембранах, текучести липидов и целостности мембран,
активности окислительно-восстановительных процессов в клетках и тканях [10]. Метод
спиновых зондов позволяет изучать непрозрачные растворы и вязкие взвеси биообъектов, а
также исследовать не только суспензии клеток, но и образцы биологических тканей кожи,
печени, почки, мышечной и нервной ткани.
Целью работы явилось изучение с помощью спиновых зондов механизмов цитоток-
сичности углеродных нанотрубок. Для этого прослежена целостность мембран эритроцитов
крови человека и митохондриальную активность гомогената печени крыс в присутствии
суспензий УНТ. Кроме этого, исследовано непосредственное взаимодействие (образование
супрамолекулярных комплексов) УНТ с гидрофильным и липофильным зондами, рассмат-
риваемых в качестве парамагнитных моделей лекарственных веществ.
В работе использовали высокочистые многостенные УНТ, полученные на пилотной
установке, разработанной Институтом химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины и
ООО «ТМСпецмаш» (г. Киев), путем конденсации продуктов каталитического пиролиза
непредельных углеводородов [11]. Внутренний диаметр нанотрубок составляет 1 – 2 нм,
внешний – 10 – 40 нм, зольность – менее 0,4 %, содержание нанотрубок – более 95 %.
Эритроциты крови человека получали из эритромассы, отмытой от плазмы и стаби-
лизирующего раствора центрифугированием в физиологическом растворе (рН 7,2). Гомоге-
нат печени крыс готовили по методике, описанной в [12].
В качестве парамагнитных зондов использован водорастворимый иминоксильный
радикал: 2,2,6,6,-тетраметил-4-оксо-пиперидин-1-оксил (1) и липофильный иминоксильный
радикал 2,2,6,6,-тетраметил-4-оксо-пиперидин-1-цианурхлорид (2).
Для получения стабильной суспензии УНТ ее обрабатывали ультразвуком, замора-
живали и после размораживания центрифугировали при скорости 10000 об/мин. В экспери-
ментах использовали надосадочную жидкость. В каждом опыте готовили два образца
суспензии эритроцитов по 0,9 мл. Один образец (контроль) выдерживали в течение необ-
ходимого времени экспозиции и необходимой температуры без УНТ, а другой (опытный)
559
выдерживали в течение времени экспозиции с суспензией УНТ. После экспозиции к образ-
цам добавляли 0,1 мл стандартного раствора спинового зонда и уширителя (ферррицианида
калия), а затем регистрировали спектры ЭПР с помощью радиоспектрометра (Bruker ER 100
D, Германия). Таким образом, учитывалось старение клеток при экспозиции. Аналогичный
опыт проводили со взвесью гепатоцитов. Контакт эритроцитов с УНТ осуществляли в тече-
ние 2 сут при температуре 6 оС, а гомогената печени – в течение 4 ч при 0 оС.
N CH3
CH3
CH3
CH3
O
.
OH
N CH3
CH3
CH3
CH3
O
.
HN N
NN
Cl
Cl
1 2
Ранее для изучения целостности изолированных клеток и клеток образцов тканей
одним из авторов данной статьи [13] был разработан и предложен количественный
экспресс-метод, в котором в суспензию клеток вводят парамагнитный зонд (1), быстро
проникающий внутрь клеток; далее вводят уширитель спектров ЭПР – феррицианид калия,
который в норме не проникает внутрь клеток, зато уширяет до нуля (вследствие диполь-
дипольного и обменного взаимодействия) линии сверхтонкой структуры спектра ЭПР зон-
да, находящегося во внеклеточной среде. В результате этого регистрируется спектр ЭПР
зонда, находящегося исключительно внутри клеток. При нарушении целостности мембран –
появлении дефектов, разрывов, дырок в мембране уширитель мгновенно проникает внутрь
клеток и дезавуирует сигнал ЭПР зонда внутри клеток. Интенсивность спектра ЭПР от зон-
да, находящегося внутри клеток, пропорциональна количеству целых клеток в суспензии
(в %). Ошибка метода в определении неповрежденных клеток не превышает 3 %.
Этот способ можно реализовать в ином плане: вначале получить раствор зонда с
уширителем (нулевая линия), затем добавить взвесь клеток, получив спектр ЭПР (триплет)
от зондов, проникших внутрь клеток, затем изучать целостность клеток. Появление трипле-
та в этом случае показывает, что внутриклеточная среда недоступна для уширителя.
В данной работе использован этот способ для оценки влияния УНТ на целостность
мембран эритроцитов. При этом принято к сведению данные многочисленных исследова-
ний [3 – 7], что порог токсических эффектов, вызываемых суспензиями УНТ, может наблю-
даться при концентрации порядка 10 мкг/мл для клеток.
В наших опытах было показано, что добавление суспензий УНТ с концентрациями
10, 50, 100 и 200 мкг/мл к суспензии эритроцитов после 10 минутной экспозиции не приво-
дило к каким-либо изменениям в спектрах ЭПР, что свидетельствовало о сохранении
целостности эритроцитов во всех опытах. Лишь после 45 мин в опыте, где использовалась
суспезия УНТ в концентрации 200 мкг/мл, интенсивность сигнала ЭПР снизилась на 12 –
15 %, что свидетельствовало о появлении нарушений мембран у значительной части эри-
троцитов. Через 2 сут количество поврежденных эритроцитов достигало уже более 25 %
560
(рис. 1). Это свидетельствует о том, что эффект повреждения мембран эритроцитов под
действием УНТ является процессом, развивающимся во времени. Полученный результат
согласуется с выводами работ [3 – 7], что процесс разрушения различных клеток получает
свое развитие в период от нескольких часов до нескольких суток. Оказалось, что и меньшие
концентрации УНТ оказывают повреждающее действие на эритроциты. Так, через 2 сут
суспензии УНТ с концентрациями 10, 50 и 100 мкг/мл разрушили соответственно 4, 10 и
16 % эритроцитов (рис. 2).
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1 2 3 4 5
h 0
, о
тн
.е
д .
Рис. 1. Спектры ЭПР спинового зонда в
цитозоле эритроцитов донорской
крови после инкубации 2 сут при
температуре 6 оС с УНТ различ-
ной концентрации: 1 – контроль;
2 – 10, 3 – 200 мкг/мл.
Рис. 2. Влияние инкубации эритроцитов донор-
ской крови с УНТ различной концен-
трации на интенсивность центрального
компонента спектра ЭПР парамагнит-
ного зонда (1): 1 – контроль; 2 – 10, 3 –
50, 4 – 100, 5 – 200 мкг/мл.
Таким образом, процесс нарушения целостности мембран эритроцитов имеет поро-
говый характер и начинается при концентрации УНТ порядка 10 мкг/мл, но для реализации
этого эффекта требуется достаточно длительное время контакта.
Затяжной характер эффекта разрушения эритроцитов, как и других клеток, согласно
данным литературы, может быть объяснен несколькими факторами:
– большие размеры нанотрубок;
– большая поверхность контакта между мембранами клеток и нанотрубкой;
– липофильность УНТ, которая, из-за гидрофильности поверхности мембран, имею-
щих полярные головки фосфолипидов и гликокаликс (полисахариды со связанной водой),
мешает нанотрубкам быстро погрузиться в липидный бислой мембраны и осуществить
трансмембранную диффузию внутрь клеток.
Современные бифокальные и просвечивающие микроскопы позволяют запечатлеть и
регистрировать изменения формы мембраны клеток и других клеточных структур в статике,
отделять контуры трубки от контуров клеточных структур. Однако непосредственно наблю-
дать повреждения и разрывы в мембранах порядка 0,5 – 1 нм, очевидно, крайне затрудни-
тельно. Метод спиновых зондов быстро и адекватно фиксирует появление дефектов клеточ-
ных мембран независимо от непрозрачности изучаемых образцов.
561
Следует, по-видимому, учитывать и способность УНТ проявлять полупроводнико-
вые и металлические свойства в зависимости от строения и внешних условий [14]. Поэтому
предположено, что нанотрубки могут существенно повлиять на биохимические процессы,
протекающие в митохондриях, нейронах, кардиомиоцитах и др. и связанные с переносом
электронов или зарядов. В связи с этим использована модификация метода спиновых зон-
дов, в котором по скорости восстановления водорастворимого зонда (1), введенного в
суспензию клеток, имеющих митохондрии (гепатоциты), можно судить об активности цепи
переноса электронов (дыхательная цепь митохондрий), не разрушая клетки гепатоцитов
[15]. Восстановление зонда (1) до непарамагнитного гидроксиламина осуществляется
сильным антиоксидантом – коэнзимом Q10 дыхательной цепи митохондрий. При этом
интенсивность спектра ЭПР экспоненциально снижается во времени. При логарифмиро-
вании таких кривых, получаются прямые, тангенс угла наклона которых к оси абсцисс
пропорционален скорости восстановления зонда и следовательно митохондриальной
активности клеток гепатоцитов.
На рис. 3 представлены данные о влиянии суспензии УНТ с концентрацией
200 мкг/мл на скорость восстановления спинового зонда (1) в суспензии гепатоцитов (мито-
хондриальная активность). Скорость восстановления зонда оценивали по скорости падения
интенсивности линий спектра ЭПР зонда, находящегося в суспензии гепатоцитов.
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30
Время, мин
ln
h
0
Рис. 3. Восстановление спинового зонда
в гомогенате печени после 4 ч
инкубации: ¨ – контроль; D – с
200 мкг/мл УНТ.
Из рис. 3 видно, что присутствие УНТ в суспензии гепатоцитов после 4 ч экспозиции
приводит к ингибированию цепи переноса электронов в митохондриях в несколько раз (т.е.
к существенному снижению митохондриальной активности клеток). Таким образом, для
гепатоцитов механизм токсичности нанотрубок состоит не только в преодолении и разру-
шении цитоплазматической мембраны, но и последующим за этим ингибировании дыха-
тельной цепи митохондрий гепатоцитов.
Полученные данные дают основание полагать, что предложенный метод исследова-
ния цитотоксичности УНТ является уникальной возможностью получать важнейшую
информацию в отношении активности митохондрий без разрушения клеток для их
извлечнения (как обычно делают биохимики), а также в отношении влияния проводящих
нанотрубок на электрохимические процессы внутри клетки. Возможно, в механизме инги-
бирования лежат механические повреждения митохондрий, как субклеточных структур.
Возможно, взаимодействие проводящих нанотрубок с митохондриями (параллельное соеди-
нение проводников) приводит к частичному перераспределению и утечке электронов
дыхательной цепи на нанотрубки, что вызывает уменьшение потока электронов в мито-
хондриях и снижение скорости восстановления нитроксильного радикала (зонда). Нельзя
562
также исключать и того, что нанотрубки могут обусловить повреждение митохондрий
посредством генерации активных форм кислорода [8], либо образованием газовых кисло-
родных электродов и микрогальванических пар, приводящих к электрохимическому
повреждению (своеобразной «коррозии») митохондрий.
В работе было изучено также взаимодействие УНТ со спиновыми зондами (1) и (2)
как парамагнитных моделей лекарственных веществ. Так, добавление суспензии УНТ к
водному раствору зонда (1) не приводило к изменениям параметров спектра ЭПР – трипле-
та, что свидетельствовало об отсутствии нековалентного взаимодействия зонда с липофиль-
ными нанотрубками. Спектры ЭПР липофильного радикала (2) в суспензии УНТ показали
расщепление низкополевой компоненты h+1, как следствие нахождения части зонда в воде, а
другой части в липофильном окружении. Добавление уширителя приводило к исчезнове-
нию всего сигнала ЭПР, что говорило о доступности обеих частей зонда (2) для воды и
водных растворов. Этот факт можно интерпретировать как частичное нековалентное взаи-
модействие (налипание липофильного зонда на липофильную нанотрубку с внешней
стороны) радикала и нанотрубки (рис. 4).
Рис. 4. Спектры ЭПР липофильного зонда
(2): в водном растворе (а); смеси зон-
да и уширителя (б); смеси зонда,
уширителя и УНТ (в); зонда в сус-
пензии УНТ (г).
Таким образом, применение фактически впервые метода спиновых зондов в области
исследования цитотоксичности наноматериалов (УНТ) и развития нанотехнологий (сис-
темы доставки лекарственных веществ, медицинская биотехнология) показали его большие
возможности. Преимущества метода связаны с мгновенной оценкой влияния параметров
микроокружения зонда (микровязкость, полярность, микрорельеф поверхности, редокс-
потенциал) на параметры его спектров ЭПР, а также с небольшими размерами зондов (в
пределах 1 нм), что хорошо вписывается в диапазон размеров исследуемых наноструктур и
значительно меньше размеров биологических объектов (молекул белков, клеток, субклеточ-
ных структур и др.).
Другим важным аспектом эффективности спиновых зондов является то, что метод
позволяет работать с очень сложными, оптически непрозрачными биологическими объек-
тами и судить о состоянии их отдельных структур или фрагментов путем регистрации изме-
нений параметров микроокружения собственно парамагнитной метки.
Полученные в работе данные показывают, что цитотоксичность, обусловленная
563
действием УНТ, связана не только с изменением мембранных структур клеток, но и воз-
действием на их функциональные свойства.
Литература
1. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. – 1991. – V. 354. – P. 56 – 58.
2. Радушкевич Л.В., Лукьянович В.М. О структуре углерода, образующегося при терми-
ческом разложении окиси углерода на железном контакте // Журн. физ. химии. – 1952. –
Т. 26, № 1. – С. 88 – 95.
3. Toxicology of Carbon Nanomaterials // Carbon (Special Iss.). – 2006. – V. 44, № 6. –
P. 1027 – 1120.
4. Sinha N., Yeow J.T.-W. Carbon nanotubes for biomedical applications // IEEE Trans-
actions on Nanobioscience. – 2005. – V. 4, № 2. – P. 180 – 195.
5. Rey D.A., Batt C.A., Miller J.C. Carbon nanotubes in biomedical applications // Nano-
technology Law @ Business. – 2006. – V. 3, № 3. – P. 263 – 292.
6. Carbon nanotubes for biological and biomedical application / W. Yang, P. Thordarson,
J. Gooding et al. // Nanotechnology. – 2007. – № 18. – P. 1 – 12.
7. Direct imaging of single-walled carbon nanotubes in cells / Alexandra E. Porter, Mhairi Gass,
Karin Muller et al. //Nature Nanotechnology. – 2007. – V. 2. - Р. 713 – 717.
8. DNA Damage Induced by Multiwalled Carbon Nanotubes in Mouse Embryonic Stem Cells /
Lin Zhu, Dong Wook Chang, Liming Dai et al. // Nano Lett. – 2007. – V. 7, № 12. –
Р. 3592 – 3597.
9. A pilot toxicology study of single-walled carbon nanotubes in a small sample of mice /
Schipper, M.L., Nakayama-Ratchford, N., Davis, C.R. et al. // Nature Nanotechnology. –
2008. – V. 3, № 4. – P. 216 – 221.
10. Лихтенштейн Г.И. Метод спиновых меток в молекулярной биологии. – М.: Наука,
1974. – С. 12 – 24.
11. Семенцов Ю.И., Мележик А.В., Приходько Г.П Синтез, структура, физико-химические
свойства наноуглеродных материалов // Физикохимия наноматериалов и супрамоле-
кулярных структур / Под ред. А.П.Шпака, П.П.Горбика. – Киев: Наук. думка, 2007. –
Т. 2. – С. 116 – 158.
12. Supplementation with fetal-specific factors ameliorates oxidative liver damage during
hypothermic storage and reperfusion in a rat model / Cherkashina D.V., Semenchenko O.A.,
Grischuk V.P. et al. // Cell preservation technology. – 2005. – V. 3, № 3. – P. 201 – 208.
13. Иванов Л.В., Моисеев В.А. Способ определения степени деструкции клеток // Авт.
свид. СССР 1049808, 1983. – Опубл. 23.06.1983, Бюл. № 39.
14. Раков Э.Г. Химия и применение углеродных нанотрубок // Успехи химии, 2001. – Т. 70,
№ 10. – С. 934 – 973.
15. Нардід О.А. Відновлення спінового зонда в оцінці життєздатності біологічних об’єктів
// Фізика живого. – 2008. – Т. 16, № 1. – С. 44 – 49.
564
A STUDY ON CITOTOXICITY OF CARBON NANOTUBES
BY MEANS OF SPIN PROBE METHOD
N.T. Kartel1, V.I. Grischenko2, V.P. Chernykh3, L.V. Ivanov3,
O.A. Nardid2, Yu.I. Sementsov1, G.P. Prikhod’ko1, S.N. Kovalenko3,
Yu.I. Gubin3, and S.V. Repina2
1Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
General Naumov Str. 17, 03164 Kyiv-164
2Institute of Cryobiology and Cryomedicine Problems
of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv,
3National Pharmaceutical University of Ukraine, Kharkiv
In order to study toxicity mechanisms of carbon nanotubes (CNT), modifications of spin
probe method have been applied allowing us to determine quantitatively the CNT effect on
membrane integrity of human erythrocites and on mitochondrial activity of rat liver homogenate
without extraction of mitochondria from hepatocyte cells.
CNT-induced damage of erythrocyte membranes has been shown to be time-germinating:
an introduction of CNT suspension with concentration of 10 to 20 mcg/ml firstly does not result in
erythrocyte membrane disturbance but in 2 days after sample exposition at 6 ºC with CNT
concentrations of 10, 50, 100, and 200 mcg/ml the amount of damaged erythrocytes was 4, 10, 16,
and 25 per cent respectively. An exposition of liver homogenate to CNT for 4 hours at 0ºC results
in a considerable decrease in the mitochondrial activity (inhibition of the chain of electron
transfer in mitochondria). The data obtained show the CNT-induced cytotoxicity to be caused not
only by changes in cell membrane structures but also by affecting their functional properties.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-316 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:32:04Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/68/9b9236c9a6f1d39a69e5390452cfa368.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-3162018-11-27T09:40:34Z A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method Изучение цитотоксичности углеродных нанотрубок методом спиновых зондов A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method Kartel, N. T. Grischenko, V. I. Cherhykh, V. P. Ivanov, L. V. Nardid, O. A. Sementsov, Yu. I. Prikhod'ko, G. P. Kovalenko, S. N. Gubin, Yu. I. Repina, S. V. In order to study toxicity mechanisms of carbon nanotubes (CNT), modifications of spin probe method have been applied allowing us to determine quantitatively the CNT effect on membrane integrity of human erythrocites and on mitochondrial activity of rat liver homogenate without extraction of mitochondria from hepatocyte cells. CNT-induced damage of erythrocyte membranes has been shown to be time-germinating: an introduction of CNT suspension with concentration of 10 to 20 mcg/ml firstly does not result in erythrocyte membrane disturbance but in 2 days after sample exposition at 6 ºC with CNT concentrations of 10, 50, 100, and 200 mcg/ml the amount of damaged erythrocytes was 4, 10, 16, and 25 per cent respectively. An exposition of liver homogenate to CNT for 4 hours at 0ºC results in a considerable decrease in the mitochondrial activity (inhibition of the chain of electron transfer in mitochondria). The data obtained show the CNT-induced cytotoxicity to be caused not only by changes in cell membrane structures but also by affecting their functional properties.  Для изучения механизмов цитотоксичности углеродных нанотрубок (УНТ) применили модификации метода спиновых зондов, позволяющие количественно определять влияние УНТ на целостность мембран эритроцитов человека и митохондриальную активность гомогената печени крыс без извлечения митохондрий из клеток гепатоцитов. Показано, что повреждение мембран эритроцитов под действием УНТ развивается во времени: введение суспензии УНТ при концентрации от 10 мкг/мл до 200 мкг/мл в первый момент не приводит к нарушению мембран эритроцитов, однако через 2 сут экспозиции образцов при температуре 6 оС для концентраций УНТ 10, 50, 100 и 200 мкг/мл количество поврежденных эритроцитов составляло соответственно 4, 10, 16 и 25 %. Экспозиция гомогената печени с УНТ в течение 4 ч при температуре 0 оС приводит к значительному снижению митохондриальной активности (ингибированию цепи передачи электронов в митохондриях). Полученные данные показывают, что цитотоксичность, обусловленная действием УНТ, связана не только с изменением мембранных структур клеток, но и воздействием на их функциональные свойства. In order to study toxicity mechanisms of carbon nanotubes (CNT), modifications of spin probe method have been applied allowing us to determine quantitatively the CNT effect on membrane integrity of human erythrocites and on mitochondrial activity of rat liver homogenate without extraction of mitochondria from hepatocyte cells. CNT-induced damage of erythrocyte membranes has been shown to be time-germinating: an introduction of CNT suspension with concentration of 10 to 20 mcg/ml firstly does not result in erythrocyte membrane disturbance but in 2 days after sample exposition at 6 ºC with CNT concentrations of 10, 50, 100, and 200 mcg/ml the amount of damaged erythrocytes was 4, 10, 16, and 25 per cent respectively. An exposition of liver homogenate to CNT for 4 hours at 0ºC results in a considerable decrease in the mitochondrial activity (inhibition of the chain of electron transfer in mitochondria). The data obtained show the CNT-induced cytotoxicity to be caused not only by changes in cell membrane structures but also by affecting their functional properties. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2008-07-30 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/316 Surface; No. 14 (2008): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 557-561 Поверхность; № 14 (2008): Химия, физика и технология поверхности; 557-561 Поверхня; № 14 (2008): Хімія, фізика та технологія поверхні; 557-561 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/316/315 Авторське право (c) 2008 N.T Kartel,V.I. Grischenko, V.P. Cherhykh, L.V. Ivanov, O.A. Nardid, Yu.I. Sementsov, G.P. Prikhod’ko, S.N. Kovalenko, Yu.I. Gubin, S.,V.Repina |
| spellingShingle | Kartel, N. T. Grischenko, V. I. Cherhykh, V. P. Ivanov, L. V. Nardid, O. A. Sementsov, Yu. I. Prikhod'ko, G. P. Kovalenko, S. N. Gubin, Yu. I. Repina, S. V. A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title_alt | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method Изучение цитотоксичности углеродных нанотрубок методом спиновых зондов |
| title_full | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title_fullStr | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title_full_unstemmed | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title_short | A study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| title_sort | study on citotoxicity of carbon nanotubes by spin probe method |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/316 |
| work_keys_str_mv | AT kartelnt astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT grischenkovi astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT cherhykhvp astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT ivanovlv astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT nardidoa astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT sementsovyui astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT prikhodkogp astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT kovalenkosn astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT gubinyui astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT repinasv astudyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT kartelnt izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT grischenkovi izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT cherhykhvp izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT ivanovlv izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT nardidoa izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT sementsovyui izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT prikhodkogp izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT kovalenkosn izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT gubinyui izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT repinasv izučeniecitotoksičnostiuglerodnyhnanotrubokmetodomspinovyhzondov AT kartelnt studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT grischenkovi studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT cherhykhvp studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT ivanovlv studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT nardidoa studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT sementsovyui studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT prikhodkogp studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT kovalenkosn studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT gubinyui studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod AT repinasv studyoncitotoxicityofcarbonnanotubesbyspinprobemethod |