ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦЕРИЯ ПРИ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ПЕЧЕНИ

Д.Ю. Гребнев¹,², И.Ю. Маклакова¹,², М.В. Попугайло¹, Д.А. Султанова¹

DOI: 10.22138/2500-0918-2022-19-2-95-108
УДК 616-092

¹ ФГБОУ ВО Уральский государственный медицинский университет, г. Екатеринбург, Российская Федерация;

² ГАУЗ СО Институт медицинских клеточных технологий, г. Екатеринбург, Российская Федерация

Резюме: Биохимические свойства, благодаря которым наночастицы оксида церия способны выполнять функции некоторых энзимов — окисдоредуктаз, фосфатаз и пр., активно исследуются. Низкая токсичность наночастиц диоксида церия обеспечивает сравнительную безопасность его применения в медицинских целях, что позволяет рассматривать данный материал как потенциальный лекарственный препарат для терапии ряда заболеваний, прежде всего, связанных с окислительным стрессом. Количество ежегодно публикуемых экспериментальных работ, посвященных изучению наночастиц диоксида церия, за последние 20 лет увеличилось более чем в 100 раз, что свидетельствует о возрастающем интересе к данному вопросу. Вместе тем многие свойства, присущие наночастицам диоксида церия, до сих пор остаются недостаточно исследованными.
Целью исследования явилось обобщение и анализ данных, представленных в базах данных PubMed, E-Library, Google Scholar, о наночастицах оксида церия как о поглотителях активных форм кислорода (АФК) и активных форм азота, обладающих мультиферментной миметической активностью, включая активность каталазы (Cat), супероксиддисмутазы (MnSOD₂) и пероксидазы. Эти эффекты наночастиц оксида церия прежде всего направлены на модификацию окислительного стресса, что может существенно улучшить лечение многих заболеваний, в развитии которых имеет место окислительный стресс. Учитывая глобальное бремя заболеваний печени, в настоящем обзоре проанализированы экспериментальные исследования о терапевтическом влиянии наночастиц оксида церия на острые и хронические заболевания печени.

Ключевые слова: наночастицы оксида церия, CeO₂, печень, активные формы кислорода (АФК), гепатопротекторное действие

Конфликт интересов отсутствует.
Контактная информация автора, ответственного за переписку:
Гребнев Дмитрий Юрьевич
dr-grebnev77@mail.ru
Дата поступления 16.03.2022 г.
Образец цитирования:
Гребнев Д.Ю., Маклакова И.Ю., Попугайло М.В., Султанова Д.А. Перспектива применения наночастиц оксида церия при заболеваниях печени. Вестник уральской медицинской академической науки. 2022, Том 19, №2, с. 95–108, DOI: 10.22138/2500-0918-2022-19-2-95-108

ЛИТЕРАТУРА
1. Щербаков А.Б. Наноматериалы на основе диоксида церия: свойства и перспективы использования в биологии и медицине. Щербаков А.Б., Жолобак Н. М., Иванов В. К., и [др] // Биотехнология. 2011. Т. 4, №1. С.9-28
2. Casals G., Perramón M., Casals E., Portolés I., Fernández-Varo G., Morales-Ruiz M., Puntes V., Jiménez W. Cerium Oxide Nanoparticles: A New Therapeutic Tool in Liver Diseases. Antioxidants (Basel). 2021. Vol.10. №5. P.660-683. [doi: 10.3390/antiox10050660].
3. Sack-Zschauer M., Bader S and Brenneisen P. Cerium Oxide Nanoparticles as Novel Tool in Glioma Treatment: An In vitro Study. Journal of Nanomedicine & Nanotechnology.2017. Vol. 8. №6. P.1-9. [doi:10.4172/2157-7439.1000474].
4. Vazirov R., Sokovnin S., Ilves V., Bazhukova, Pizurova N., Kuznetsov M. Physicochemical characterization and antioxidant properties of cerium oxide nanoparticles. Journal of Physics: Conference Series .2018. Vol. 1115. №6. [doi :10.1088/1742-6596/1115/3/032094].
5. Ламберов А.А. Исследование механизма влияния добавок церия на свойства железокалиевой системы – активного компонента катализаторов дегидрирования углеводородов. Cообщение 2. Ламберов, А.А., Гильманов, Х.Х., Дементьева и [др]. //Катализ в промышленности. – 2014. – №. 6. – С. 60-68.
6. Das S, Dowding J.M., Klump K.E., McGinnis J.F., Self W., Seal S. Cerium oxide nanoparticles: applications and prospects in nanomedicine. Nanomedicine (Lond). 2013. Vol.8. №9. P. 1483-1508. [doi: 10.2217/nnm.13.133].
7. Орлов Ю.В. Современное состояние проблемы лечения токсических гепатитов и фиброзов печени. Орлов Ю.В., Синячкин Д.А., Халимов Ю.Ш и [др]// MEDLINE. 2017. Т. 18. С- 488-510.
8. Hirst S.M., Karakoti A., Singh S., Self W., Tyler R., Seal S. Bio-distribution and in vivo antioxidant effects of cerium oxide nanoparticles in mice. Environmental Toxicology. 2013.Vol. 28. №2. P.107-18. [doi:10.1002/tox.20704].
9. Маслова С. Физико-химические свойства и антиоксидантная активность наночастиц оксида церия, стабилизированных мальтодекстрином. Маслова С., Бажукова И.Н., Мышкина А. В и [др] //Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 12. С.2020-2027.
10. Nyoka M., Choonara Y.E., Kumar P., Kondiah P.P.D., Pillay V. Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles Using Various Methods: Implications for Biomedical Applications. Nanomaterials (Basel). 2020. Vol. 10. №2. P. 242-263. [doi: 10.3390/nano10020242].
11. Gagnon J., Fromm, K.M. Toxicity and Protective Effects of Cerium Oxide Nanoparticles (Nanoceria) Depending on Their Preparation Method, Particle Size, Cell Type, and Exposure Route. European Journal of Inorganic Chemistry .2015. Vol.2015. P. 4510-4517.
12. Eriksson P, Tal A.A, Skallberg A, Brommesson C, Hu Z, Boyd R.D, Olovsson W, Fairley N, Abrikosov I.A, Zhang X, Uvdal K. Cerium oxide nanoparticles with antioxidant capabilities and gadolinium integration for MRI contrast enhancement. Scientific Reports. 2018. Vol.8. №1. P.6999-7011. [doi: 10.1038/s41598-018-25390-z].
13. Park E.J., Choi J., Park Y.K., Park K. Oxidative stress induced by cerium oxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells. Toxicology. 2008. Vol.245. №1. P.90-100. [doi: 10.1016/j.tox.2007.12.022].
14. Darroudi M., Sarani M., Oskuee R.K., Zak A.K., Hosseini H.A., Gholami L. Green synthesis and evaluation of metabolic activity of starch mediated nanoceria. Journal of Ceramics International.2014. Vol.40. P. 2041-2045. [doi:10.1016/j.ceramint.2013.07.116].
15. Szymanski C.J, Munusamy P, Mihai C, Xie Y, Hu D, Gilles M.K, Tyliszczak T, Thevuthasan S, Baer D.R, Orr G. Shifts in oxidation states of cerium oxide nanoparticles detected inside intact hydrated cells and organelles. Biomaterials. 2015. Vol.62 P.147-154. [doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.05.04].
16. Ramachandran M., Subadevi R., Sivakumar M. Role of pH on synthesis and characterization of cerium oxide (CeO2) nano particles by modified co-precipitation method. Vacuum.2018. Vol. 161. [doi:10.1016/j.vacuum.2018.12.002].
17. López J.M., Gilbank A.L., García T., Solsona B., Agouram S., Torrente‐Murciano L. The prevalence of surface oxygen vacancies over the mobility of bulk oxygen in nanostructured ceria for the total toluene oxidation. Applied Catalysis B-environmental.2015. Vol.174. P.403-412. [doi: 10.1016/J.APCATB.2015.03.017].
18. Tok, A. I. Y., Boey, F. Y. C., Dong, Z., & Sun, X. L. (2007). Hydrothermal synthesis of CeO2 nano-particles. Journal of materials processing technology.2007. Vol. 190(1-3). P.217-222.[ doi:10.1016/j.jmatprotec.2007.02.042].
19. Barrios A.C., Rico C.M., Trujillo-Reyes J., Medina-Velo I.A., Peralta-Videa J.R., Gardea-Torresdey J.L. Effects of uncoated and citric acid coated cerium oxide nanoparticles, bulk cerium oxide, cerium acetate, and citric acid on tomato plants. Science of The Total Environment. 2016. Vol.563. P.956-964. [doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.11.143].
20. Kockrick E., Schrage C., Grigas A., Geiger D., & Kaskel S. Synthesis and catalytic properties of microemulsion-derived cerium oxide nanoparticles. Journal of Solid State Chemistry.2008. Vol. 181. P. 1614-1620. [doi = {10.1016/j.jssc.2008.04.036}].
21. Thovhogi N., Diallo A., Gurib-Fakim A., Maaza M. Nanoparticles green synthesis by Hibiscus Sabdariffa flower extract: Main physical properties. Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol.647. P.392–396. [doi: 10.1016/j.jallcom.2015.06.076.].
22. Hosseini M., Amjadi I., Mohajeri M., Mozafari M. Sol-Gel Synthesis, Physico-Chemical and Biological Characterization of Cerium Oxide/Polyallylamine Nanoparticles. Polymers (Basel). 2020. Vol.12. №7. P.1444 -1558. [doi: 10.3390/polym12071444].
23. Vassie J.A., Whitelock J.M., Lord M.S. Targeted Delivery and Redox Activity of Folic Acid-Functionalized Nanoceria in Tumor Cells. Molecular Pharmaceutics. 2018. Vol.15№3. P.994-1004. [doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.7b00920].
24. Davoodbasha M., Park BR., Rhee WJ., Lee SY., Kim JW. Antioxidant potentials of nanoceria synthesized by solution plasma process and its biocompatibility study. Archives of Biochemistry and Biophysics. 2018. Vol.645. P. 42-49. [doi: 10.1016/j.abb.2018.02.003].
25. Celardo I., de Nicola M., Mandoli C., Pedersen J.Z., Traversa E., Ghibelli L. Ce3+ ions determine redox-dependent anti-apoptotic effect of cerium oxide nanoparticles. Acs Nano. 2011. Vol.5. [doi: 10.1021/nn200126a.].
26. Ozougwu Jevas. The Role of Reactive Oxygen Species and Antioxidants in Oxidative Stress. International Journal of Pharmacy and Biosciences. 2016. Vol.3. P. 1-8.
27. Dhall A., Burns A., Dowding J.M., Das S.P., Seal S., Self W.T. Characterizing the phosphatase mimetic activity of cerium oxide nanoparticles and distinguishing its active site from that for catalase mimetic activity using anionic inhibitors. Environmental science. Nano. 2017. Vol. 4. P.1742-1749.[ doi:10.1039/C7EN00394C].
28. Singh S., Dosani T., Karakoti AS., Kumar A., Seal S., Self W.T. A phosphate-dependent shift in redox state of cerium oxide nanoparticles and its effects on catalytic properties. Biomaterials. 2011 Vol.32. №28. P.6745-53. [doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.05.073].
29. Dowding J.M., Dosani T., Kumar A., Seal S., Self WT. Cerium oxide nanoparticles scavenge nitric oxide radical (˙NO). Chemical communications. 2012. Vol.48 №40. P.4896-8. [doi: 10.1039/c2cc30485f].
30. Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends in Plant Science. 2002.Vol.7 №9. P.405-410. [doi: 10.1016/s1360-1385(02)02312-9].
31. Liu Z, Wang F, Ren J, Qu X. A series of MOF/Ce-based nanozymes with dual enzyme-like activity disrupting biofilms and hindering recolonization of bacteria. Biomaterials. 2019. Vol.208. P.21-31. [doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.04.007].
32. Fei Huang., Jianzhi Wang., Weimin Chen., Yinjia Wan., Xianming Wang., Ning Cai., Jie Liu., Faquan Yu. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers.2018. Vol.83. P. 40-49. [doi:10.1016/J. JTICE.2017.12.011].
33. Bazhukova I., Zvonareva I., Myshkina A., Bazhukov S., Gavrilov I., Meschaninov V. Catalytic activity of cerium oxide nanoparticles. 2020. P. 348-352. [doi: 10.37904/nanocon.2019.8696.].
34. Sies H, Jones D.P. Reactive oxygen species (ROS) as pleiotropic physiological signalling agents. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2020.Vol. 21. №7. P.363-383. [doi: 10.1038/s41580-020-0230-3].
35. Li S., Tan H.Y., Wang N., Zhang Z.J., Lao L., Wong C.W., Feng Y. The Role of Oxidative Stress and Antioxidants in Liver Diseases. The International Journal of Molecular Sciences. 2015. Vol.16. №11. 26087-124. [doi: 10.3390/ijms161125942].
36. Casals E., Zeng M., Parra-Robert M., Fernández-Varo G., Morales-Ruiz M., Jiménez W., Puntes V., Casals G. Cerium Oxide Nanoparticles: Advances in Biodistribution, Toxicity, and Preclinical Exploration. Small. 2020.Vol.16. №20 [ doi: 10.1002/smll.201907322].
37. Preisig R. Supplements to the editorial «Liver prorection therapy». Schweizerische Rundschau fur Medizin Praxis. 1970. Vol.59. P.1559-1560.
38. Oró D., Yudina T., Fernández-Varo G., Casals E., Reichenbach V., Casals G., González de la Presa B., Sandalinas S., Carvajal S., Puntes V., Jiménez W. Cerium oxide nanoparticles reduce steatosis, portal hypertension and display anti-inflammatory properties in rats with liver fibrosis. Journal of Hepatology. 2016. Vol.64. №3. 691-698. [doi: 10.1016/j.jhep.2015.10.020].
39. Abbasi E., Vafaei S.A., Naseri N., Darini A., Azandaryani M., Ara F., Mirzaei F. Protective effects of cerium oxide nanoparticles in non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and carbon tetrachloride-induced liver damage in rats: Study on intestine and liver. Metabolism Open. 2021. Vol.12. P.100151-100160. [doi:10.1016/j.metop.2021.100151].
40. Adebayo O.A., Akinloye O., Adaramoye O.A. Cerium Oxide Nanoparticles Attenuate Oxidative Stress and Inflammation in the Liver of Diethylnitrosamine-Treated Mice. Biological Trace Element Research. 2020. Vol.193 №1. P.214-225. [doi: 10.1007/s12011-019-01696-5].
41.Точилкина Л.П. Экспериментальная оценка гепатопротекторных свойств нанодиоксида церия. Точилкина Л.П., Ходыкина Н.В., Новикова О.Н и [др]// Медицина экстремальных ситуаций. 2020.Т.20. №2. С.237-247.
42. Ibrahim H.G., Attia N., Hashem F.E., El Heneidy M.A.. Cerium oxide nanoparticles: In pursuit of liver protection against doxorubicin-induced injury in rats. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2018. Vol.103. P.773-781. [doi: 10.1016/j.biopha.2018.04.075].
43. Córdoba-Jover B., Arce-Cerezo A., Ribera J., Pauta M., Oró D., Casals G., Fernández-Varo G., Casals E., Puntes V., Jiménez W., Morales-Ruiz M. Cerium oxide nanoparticles improve liver regeneration after acetaminophen-induced liver injury and partial hepatectomy in rats. J Nanobiotechnology. 2019.Vol.17. №1. P.112-124. [doi: 10.1186/s12951-019-0544-5].
44. Duong H.T., Dong Z., Su L., Boyer C., George J., Davis T.P., Wang J. The use of nanoparticles to deliver nitric oxide to hepatic stellate cells for treating liver fibrosis and portal hypertension. Small. 2015. Vol.11. №19. P.2291-2304. [doi: 10.1002/smll.201402870].
45. Carvajal S., Perramón M., Oró D., Casals E., Fernández-Varo G., Casals G., Parra M., González de la Presa B., Ribera J., Pastor Ó., Morales-Ruíz M., Puntes V., Jiménez W. Cerium oxide nanoparticles display antilipogenic effect in rats with non-alcoholic fatty liver disease. Scientific Reports. 2019. Vol.9. №1. P.12848 -12868. [doi: 10.1038/s41598-019-49262-2].
46. Ribera J., Rodríguez-Vita J., Cordoba B., Portolés I., Casals G., Casals E., Jiménez W., Puntes V., Morales-Ruiz M. Functionalized cerium oxide nanoparticles mitigate the oxidative stress and pro-inflammatory activity associated to the portal vein endothelium of cirrhotic rats. PLoS One. 2019. Vol.14. №6 [doi: 10.1371/journal.pone.0218716].
47. Fernández-Varo G., Perramón M., Carvajal S., Oró D., Casals E., Boix L., Oller L., Macías-Muñoz L., Marfà S., Casals G., Morales-Ruiz M., Casado P., Cutillas PR., Bruix J., Navasa M., Fuster J., Garcia-Valdecasas JC., Pavel MC., Puntes V., Jiménez W. Bespoken Nanoceria: An Effective Treatment in Experimental Hepatocellular Carcinoma. Hepatology. 2020. Vol.72. №4. P.1267-1282. [doi: 10.1002/hep.31139].

Авторы
Гребнев Дмитрий Юрьевич
Уральский государственный медицинский университет
Доктор медицинских наук, заведующий кафедрой патологической физиологии
Российская Федерация, 620028, г. Екатеринбург, ул. Репина 3
ГАУЗ СО «Институт медицинских клеточных технологий»
Старший научный сотрудник
Российская Федерация, 620026, г. Екатеринбург, ул. Карла Маркса 22а
dr-grebnev77@mail.ru

Маклакова Ирина Юрьевна
Уральский государственный медицинский университет
Доктор медицинских наук, заведующий кафедрой нормальной физиологии
Российская Федерация, 620028, г. Екатеринбург, ул. Репина 3
ГАУЗ СО «Институт медицинских клеточных технологий»
Старший научный сотрудник
Российская Федерация, 620026, г. Екатеринбург, ул. Карла Маркса 22а
makliu@mail.ru

Попугайло Михаил Владимирович
Уральский государственный медицинский университет
Кандидат медицинских наук, доцент кафедры патологической физиологии
Российская Федерация, 620028, г. Екатеринбург, ул. Репина 3
pathophis@yandex.ru

Султанова Диана Аслямовна
Уральский государственный медицинский университет
Студентка 4-го курса педиатрического факультета
Российская Федерация, 620028, г. Екатеринбург, ул. Репина 3
dina.s01@mail.ru