sredobЗдоровье населения и среда обитания – ЗНиСОPublic Health and Life Environment – PH&LE2219-52382619-0788ФБУЗ ФЦГиЭ Роспотребнадзора10.35627/2219-5238/2022-30-9-29-34sredob-1154Research ArticleМЕДИЦИНА ТРУДАOCCUPATIONAL MEDICINEОценка влияния на биоэнергетические процессы клеток наночастиц селена как фактора химического риска производственной и окружающей среды для здоровьяEvaluation of Effects of Selenium Nanoparticles as an Occupational and Environmental Chemical Hazard on Cellular Bioenergetic Processeshttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479РябоваЮ. В.RyabovaYu. V.

Рябова Юлия Владимировна – младший научный сотрудник отдела токсикологии и биопрофилактики

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Yuliya V. Ryabova, Junior Researcher, Department of Toxicology and Bioprophylaxis

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

ryabovaiuvl@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМ. П.SutunkovaM. P.

Сутункова Марина Петровна – д.м.н., директор

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Marina P. Sutunkova, Dr. Sci. (Med.), Director

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

sutunkova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6167-7347ЧемезовА. И.ChemezovA. I.

Чемезов Алексей Игоревич – научный сотрудник отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Aleksei I. Chemezov, Researcher, Department of Molecular Biology and Electron Microscopy

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

chemezov@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0097-7845МинигалиеваИ. А.MinigalievaI. A.

Минигалиева Ильзира Амировна – д.б.н., заведующий отделом токсикологии и биопрофилактики

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Ilzira A. Minigalieva, Dr. Sci. (Biol.), Head of the Department of Toxicology and Bioprophylaxis

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

ilzira-minigalieva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5872-2001БушуеваТ. В.BushuevaT. V.

Бушуева Татьяна Викторовна – к.м.н., заведующий НПО лабораторно-диагностических технологий

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Tatiana V. Bushueva, Cand. Sci. (Med.), Head of the Research and Production Association “Laboratory and Diagnostic Technologies”

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

bushueva@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8795-8777ШеломенцевИ. Г.ShelomentsevI. G.

Шеломенцев Иван Глебович – научный сотрудник отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Ivan G. Shelomentsev, Researcher, Department of Molecular Biology and Electron Microscopy

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

shelomencev@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0927-4062КлиноваС. В.KlinovaS. V.

Клинова Светлана Владиславовна – научный сотрудник отдела токсикологии и биопрофилактики

ул. Попова, д. 30, г. Екатеринбург, 620014

Svetlana V. Klinova, Researcher, Department of Toxicology and Bioprophylaxis

30 Popov Street, Yekaterinburg, 620014

klinova.svetlana@gmail.comФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» РоспотребнадзораРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersRussian FederationФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» РоспотребнадзораРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersRussian Federation202204102022092934Copyright © Рябова Ю.В., Сутункова М.П., Чемезов А.И., Минигалиева И.А., Бушуева Т.В., Шеломенцев И.Г., Клинова С.В., 20222022Рябова Ю.В., Сутункова М.П., Чемезов А.И., Минигалиева И.А., Бушуева Т.В., Шеломенцев И.Г., Клинова С.В.Ryabova Y.V., Sutunkova M.P., Chemezov A.I., Minigalieva I.A., Bushueva T.V., Shelomentsev I.G., Klinova S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zniso.fcgie.ru/jour/article/view/1154

Введение. Высокие объемы добычи селена и широкое применение его соединений связано с потенциальными рисками для здоровья человека. В частности, некоторые производственные процессы медеплавильной промышленности являются источниками поступления селенсодержащих наночастиц в окружающую среду.Цель исследования: оценить токсическое действие наночастиц оксида селена как фактора химического риска производственной и окружающей среды для здоровья.Материалы и методы. Наночастицы оксида селена (НЧ SeO) были получены методом лазерной абляции. Исследования по оценке токсичности НЧ SeO проводились: in vitro – на клеточной культуре ФЛЭЧ-104 с анализом биолюминесценции АТФ и определением скорости потребления кислорода; in vivo – на белых аутбредных крысах с оценкой ультраструктурных изменений тканей методом электронной микроскопии, измерением активности СДГ лимфоцитов и метаболомным анализом крови.Результаты. В эксперименте in vitro было показано снижение биолюминесценции АТФ (на 75,9 % при концентрации НЧ SeO 100 мкг/мл в инкубационной среде) и скорости потребления кислорода (на 79,8 % при концентрации НЧ SeO 100 мкг/мл в инкубационной среде). Активность СДГ лимфоцитов крови в эксперименте in vivo снижалась с увеличением дозы (на 10,12; 14,0; 15,9 % в сравнении с контролем соответственно группам «НЧ SeO 0,1», «НЧ SeO 0,5», «НЧ SeO 1»). Исследование ультраструктурных изменений клеток ткани печени показало меньшее количество нормальных митохондрий в сравнении с контролем (на 7,78 % в группе «НЧ SeO 1»), метаболомный анализ выявил уменьшение содержания ацилкарнитинов и увеличение лизофосфатидилинозитолов (p > 0,05).Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований как in vitro, так и in vivo была установлена способность НЧ SeO оказывать негативное воздействие на биоэнергетические процессы в клетке, включающее как минимум два механизма: нарушение внутримитохондриального β-окисления жирных кислот и инактивацию сукцинатдегидрогеназы. Фундаментальная роль последней в цепи переноса электронов митохондрий делает ее жизненно важной для большинства многоклеточных организмов. Полученные результаты могут быть использованы в качестве научной основы для оценки селенсодержащих наночастиц как фактора химического риска производственной и окружающей среды для здоровья и поиска подходов к управлению такими рисками.

Introduction: High-volume manufacturing of selenium and a widespread use of its compounds pose potential risks to human health. Certain copper production processes emit selenium-containing nanoparticles.Objective: To assess health effects of selenium oxide nanoparticles as an industrial and environmental toxicant.Materials and methods: Selenium oxide nanoparticles (SeO NPs) were obtained by laser ablation. Their toxicity was studied both in vitro on human lung-derived embryonic fibroblasts (FLEH-104 cell line) by assaying adenosine triphosphate (ATP) bioluminescence and the rate of oxygen consumption, and in vivo on outbred albino rats by analyzing ultrastructural changes in tissues using electron microscopy, measuring succinate dehydrogenase activity of blood lymphocytes, and conducting a blood-based metabolomic test.Results: The in vitro experiment showed a decrease in ATP bioluminescence by 75.9 % and in the oxygen consumption rate of cells by 79.8 % in the incubation medium with 100 μg/mL concentration of SeO NPs. In the in vivo experiment, succinate dehydrogenase activity of blood lymphocytes decreased inversely with the increasing dose by 10.12 %, 14.0 %, 15.9 % compared to the control animals in the SeO NPs 0.1, SeO NPs 0.5, and SeO NPs 1 exposure groups, respectively. The study of ultrastructural changes in liver tissue showed a smaller number of normal mitochondria (7.78 % less in the SeO NP 1 group) compared to the controls while the metabolomic test revealed decreased acylcarnitines and increased lysophosphatidylinositols following the exposure to SeO NPs (p > 0.05).Conclusion: The results of our in vitro and in vivo studies showed adverse effects of SeO NPs on bioenergetics processes in cells involving at least two mechanisms: disruption of mitochondrial β-oxidation of fatty acids and inactivation of succinate dehydrogenase. The fundamental role of the latter in the mitochondrial electron transport chain makes its vitally important for most multicellular organisms. Our findings can serve as a rationale for assessing selenium-containing nanoparticles as a chemical hazard and searching for approaches to managing their health risks.

токсичностьнаночастицыселенорганы-мишенифакторы риска здоровьюмеханизмы действияin vivoin vitrotoxicitynanoparticlesseleniumtarget organshealth risk factorsmechanisms of actionin vivoin vitroReferencesКульчицкий Н.А., Наумов А.В. Современное состояние рынков селена и соединений на его основе. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. № 3. С. 40–48. doi: 10.17073/0021-3438-2015-3-40-48Kulchitsky NA, Naumov AV. [Modern state of the markets of selenium and its compounds.] Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Tsvetnaya Metallurgiya. 2015;(3):40-48. (In Russ.) doi: 10.17073/0021-3438-2015-3-40-48Geoffrion LD, Hesabizadeh T, Medina-Cruz D, et al. Naked selenium nanoparticles for antibacterial and anticancer treatments. ACS Omega. 2020;5(6):2660-2669. doi: 10.1021/acsomega.9b03172Geoffrion LD, Hesabizadeh T, Medina-Cruz D, et al. Naked selenium nanoparticles for antibacterial and anticancer treatments. ACS Omega. 2020;5(6):2660-2669. doi: 10.1021/acsomega.9b03172Keyhani A, Shakibaie M, Mahmoudvand H, et al. Prophylactic activity of biogenic selenium nanoparticles against chronic Toxoplasma gondii infection. Recent Pat Antiinfect Drug Discov. 2020;15(1):75-84. doi: 10.2174/1574891X15666200604115001Keyhani A, Shakibaie M, Mahmoudvand H, et al. Prophylactic activity of biogenic selenium nanoparticles against chronic Toxoplasma gondii infection. Recent Pat Antiinfect Drug Discov. 2020;15(1):75-84. doi: 10.2174/1574891X15666200604115001Gao F, Yuan Q, Gao L, et al. Cytotoxicity and therapeutic effect of irinotecan combined with selenium nanoparticles. Biomaterials. 2014;35(31):8854-8866. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.07.004Gao F, Yuan Q, Gao L, et al. Cytotoxicity and therapeutic effect of irinotecan combined with selenium nanoparticles. Biomaterials. 2014;35(31):8854-8866. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.07.004Sonkusre P. Specificity of biogenic selenium nanoparticles for prostate cancer therapy with reduced risk of toxicity: an in vitro and in vivo study. Front Oncol. 2020;9:1541. doi: 10.3389/fonc.2019.01541Sonkusre P. Specificity of biogenic selenium nanoparticles for prostate cancer therapy with reduced risk of toxicity: an in vitro and in vivo study. Front Oncol. 2020;9:1541. doi: 10.3389/fonc.2019.01541Jin Y, Cai L, Yang Q, et al. Anti-leukemia activities of selenium nanoparticles embedded in nanotube consisted of triple-helix β-d-glucan. Carbohydr Polym. 2020;240:116329. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116329Jin Y, Cai L, Yang Q, et al. Anti-leukemia activities of selenium nanoparticles embedded in nanotube consisted of triple-helix β-d-glucan. Carbohydr Polym. 2020;240:116329. doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116329Dehkordi AJ, Mohebbi AN, Aslani MR, Ghoreyshi SM. Evaluation of nanoselenium (Nano-Se) effect on hematological and serum biochemical parameters of rat in experimentally lead poisoning. Hum Exp Toxicol. 2017;36(4):421-427. doi: 10.1177/0960327116651124Dehkordi AJ, Mohebbi AN, Aslani MR, Ghoreyshi SM. Evaluation of nanoselenium (Nano-Se) effect on hematological and serum biochemical parameters of rat in experimentally lead poisoning. Hum Exp Toxicol. 2017;36(4):421-427. doi: 10.1177/0960327116651124Rezvanfar MA, Rezvanfar MA, Shahverdi AR, et al. Protection of cisplatin-induced spermatotoxicity, DNA damage and chromatin abnormality by selenium nano-particles. Toxicol Appl Pharmacol. 2013;266(3):356-365. doi: 10.1016/j.taap.2012.11.025Rezvanfar MA, Rezvanfar MA, Shahverdi AR, et al. Protection of cisplatin-induced spermatotoxicity, DNA damage and chromatin abnormality by selenium nano-particles. Toxicol Appl Pharmacol. 2013;266(3):356-365. doi: 10.1016/j.taap.2012.11.025Sun J, Wei C, Liu Y, et al. Progressive release of mesoporous nano-selenium delivery system for the multi-channel synergistic treatment of Alzheimer’s disease. Biomaterials. 2019;197:417-431. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.12.027Sun J, Wei C, Liu Y, et al. Progressive release of mesoporous nano-selenium delivery system for the multi-channel synergistic treatment of Alzheimer’s disease. Biomaterials. 2019;197:417-431. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.12.027Hadrup N, Loeschner K, Skov K, et al. Effects of 14-day oral low dose selenium nanoparticles and selenite in rat – as determined by metabolite pattern determination. Peer J. 2016;4:e2601. doi: 10.7717/peerj.2601Hadrup N, Loeschner K, Skov K, et al. Effects of 14-day oral low dose selenium nanoparticles and selenite in rat – as determined by metabolite pattern determination. Peer J. 2016;4:e2601. doi: 10.7717/peerj.2601He Y, Chen S, Liu Z, Cheng C, Li H, Wang M. Toxicity of selenium nanoparticles in male Sprague-Daley rats at supranutritional and nonlethal levels. Life Sci. 2014;115(1-2):44-51. doi: 10.1016/j.lfs.2014.08.023He Y, Chen S, Liu Z, Cheng C, Li H, Wang M. Toxicity of selenium nanoparticles in male Sprague-Daley rats at supranutritional and nonlethal levels. Life Sci. 2014;115(1-2):44-51. doi: 10.1016/j.lfs.2014.08.023Lesnichaya M, Shendrik R, Titov E, Sukhov B. Synthesis and comparative assessment of antiradical activity, toxicity, and biodistribution of κ-carrageenan-capped selenium nanoparticles of different size: in vivo and in vitro study. IET nanobiotechnol. 2020;14(6):519–526. doi: 10.1049/iet-nbt.2020.0023Lesnichaya M, Shendrik R, Titov E, Sukhov B. Synthesis and comparative assessment of antiradical activity, toxicity, and biodistribution of κ-carrageenan-capped selenium nanoparticles of different size: in vivo and in vitro study. IET nanobiotechnol. 2020;14(6):519–526. doi: 10.1049/iet-nbt.2020.0023Urbankova L, Skalickova S, Pribilova M, et al. Effects of sub-lethal doses of selenium nanoparticles on the health status of rats. Toxics. 2021;9(2):28. doi: 10.3390/toxics9020028Urbankova L, Skalickova S, Pribilova M, et al. Effects of sub-lethal doses of selenium nanoparticles on the health status of rats. Toxics. 2021;9(2):28. doi: 10.3390/toxics9020028Нарциссов Р.П. Применение n-нитротетразоли фиолетового для количественной цитохимии дегидрогеназ лимфоцитов человека. Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1969. Т. 56. № 5. С. 85–91.Narcissov RP. [Application of n-nitrotetrazole violet for quantitative cytochemistry of human lymphocyte dehydrogenases.] Arkhiv Anatomii, Gistologii i Embriologii. 1969;56(5):85-91. (In Russ.)Sun MG, Williams J, Munoz-Pinedo C, et al. Correlated three-dimensional light and electron microscopy reveals transformation of mitochondria during apoptosis. Nat Cell Biol. 2007;9(9):1057-1065. doi: 10.1038/ncb1630Sun MG, Williams J, Munoz-Pinedo C, et al. Correlated three-dimensional light and electron microscopy reveals transformation of mitochondria during apoptosis. Nat Cell Biol. 2007;9(9):1057-1065. doi: 10.1038/ncb1630Yücel UM, Başbuğan Y, Uyar A, Kömüroğlu AU, Keleş ÖF. Use of an antiarrhythmic drug against acute selenium toxicity. J Trace Elem Med Biol. 2020;59:126471. doi: 10.1016/j.jtemb.2020.126471Yücel UM, Başbuğan Y, Uyar A, Kömüroğlu AU, Keleş ÖF. Use of an antiarrhythmic drug against acute selenium toxicity. J Trace Elem Med Biol. 2020;59:126471. doi: 10.1016/j.jtemb.2020.126471Darnell JC, Osterman DG, Saltiel AR. Synthesis of phosphatidylinositol in rat liver microsomes is accompanied by the rapid formation of lysophosphatidylinositol. Biochim Biophys Acta. 1991;1084(3):269–278. doi: 10.1016/0005-2760(91)90069-tDarnell JC, Osterman DG, Saltiel AR. Synthesis of phosphatidylinositol in rat liver microsomes is accompanied by the rapid formation of lysophosphatidylinositol. Biochim Biophys Acta. 1991;1084(3):269–278. doi: 10.1016/0005-2760(91)90069-tPoccia D, Larijani B. Phosphatidylinositol metabolism and membrane fusion. Biochem J. 2009;418(2):233–246. doi: 10.1042/bj20082105Poccia D, Larijani B. Phosphatidylinositol metabolism and membrane fusion. Biochem J. 2009;418(2):233–246. doi: 10.1042/bj20082105Piñeiro R, Falasca M. Lysophosphatidylinositol signalling: New wine from an old bottle. Biochim Biophys Acta. 2012;1821(4):694-705. doi: 10.1016/j.bbalip.2012.01.009Piñeiro R, Falasca M. Lysophosphatidylinositol signalling: New wine from an old bottle. Biochim Biophys Acta. 2012;1821(4):694-705. doi: 10.1016/j.bbalip.2012.01.009Arifin SA, Falasca M. Lysophosphatidylinositol signalling and metabolic diseases. Metabolites. 2016;6(1):6. doi: 10.3390/metabo6010006Arifin SA, Falasca M. Lysophosphatidylinositol signalling and metabolic diseases. Metabolites. 2016;6(1):6. doi: 10.3390/metabo6010006Makide K, Uwamizu A, Shinjo Y, et al. Novel lysophosphoplipid receptors: their structure and function. J Lipid Res. 2014;55(10):1986-1995. doi: 10.1194/jlr.R046920Makide K, Uwamizu A, Shinjo Y, et al. Novel lysophosphoplipid receptors: their structure and function. J Lipid Res. 2014;55(10):1986-1995. doi: 10.1194/jlr.R046920Fondevila MF, Fernandez U, Gonzalez-Rellan MJ, et al. The L-α-lysophosphatidylinositol/G protein-coupled receptor 55 system induces the development of nonalcoholic steatosis and steatohepatitis. Hepatology. 2021;73(2):606-624. doi: 10.1002/hep.31290Fondevila MF, Fernandez U, Gonzalez-Rellan MJ, et al. The L-α-lysophosphatidylinositol/G protein-coupled receptor 55 system induces the development of nonalcoholic steatosis and steatohepatitis. Hepatology. 2021;73(2):606-624. doi: 10.1002/hep.31290Calvillo-Robledo A, Cervantes-Villagrana RD, Morales P, Marichal-Cancino BA. The oncogenic lysophosphatidylinositol (LPI)/GPR55 signaling. Life Sci. 2022;301:120596. doi: 10.1016/j.lfs.2022.120596Calvillo-Robledo A, Cervantes-Villagrana RD, Morales P, Marichal-Cancino BA. The oncogenic lysophosphatidylinositol (LPI)/GPR55 signaling. Life Sci. 2022;301:120596. doi: 10.1016/j.lfs.2022.120596Wojtczak L. Effect of long-chain fatty acids and acyl-CoA on mitochondrial permeability, transport, and energy-coupling processes. J Bioenerg Biomembr. 1976;8(6):293–311. doi: 10.1007/BF00765158Wojtczak L. Effect of long-chain fatty acids and acyl-CoA on mitochondrial permeability, transport, and energy-coupling processes. J Bioenerg Biomembr. 1976;8(6):293–311. doi: 10.1007/BF00765158Su X, Han X, Mancuso DJ, Abendschein DR, Gross RW. Accumulation of long-chain acylcarnitine and 3-hydroxy acylcarnitine molecular species in diabetic myocardium: identification of alterations in mitochondrial fatty acid processing in diabetic myocardium by shotgun lipidomics. Biochemistry. 2005;44(13):5234-5245. doi: 10.1021/bi047773aSu X, Han X, Mancuso DJ, Abendschein DR, Gross RW. Accumulation of long-chain acylcarnitine and 3-hydroxy acylcarnitine molecular species in diabetic myocardium: identification of alterations in mitochondrial fatty acid processing in diabetic myocardium by shotgun lipidomics. Biochemistry. 2005;44(13):5234-5245. doi: 10.1021/bi047773aViolante S, Ijlst L, te Brinke H, et al. Carnitine palmitoyltransferase 2 and carnitine/acylcarnitine translocase are involved in the mitochondrial synthesis and export of acylcarnitines. FASEB J. 2013;27(5):2039–2044. doi: 10.1096/fj.12-216689Violante S, Ijlst L, te Brinke H, et al. Carnitine palmitoyltransferase 2 and carnitine/acylcarnitine translocase are involved in the mitochondrial synthesis and export of acylcarnitines. FASEB J. 2013;27(5):2039–2044. doi: 10.1096/fj.12-216689Fernandes J, Hu X, Smith MR, Go YM, Jones DP. Selenium at the redox interface of the genome, metabolome and exposome. Free Radic Biol Med. 2018;127:215-227. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.06.002Fernandes J, Hu X, Smith MR, Go YM, Jones DP. Selenium at the redox interface of the genome, metabolome and exposome. Free Radic Biol Med. 2018;127:215-227. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.06.002

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