Протеомное профилирование плазмы крови при хронической экспериментальной экспозиции оксидом алюминия как инструмент прогноза негативных эффектов со стороны критических органов и систем человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Высокоинформативные методы исследования, к числу которых относится протеомное профилирование, обеспечивают возможность прогнозирования на самых ранних этапах негативных эффектов со стороны критических органов и систем человека. В сочетании с токсикологическими исследованиями данные методы позволяют экстраполировать на человека изменения белкового профиля плазмы крови, выявленные в эксперименте на биологических моделях. Определение экспрессии, функциональных характеристик и тканевой принадлежности изменённых белков и пептидов обеспечивает уточнение механизмов нарушений гомеостаза на клеточно-молекулярном уровне, связанных с воздействием химических веществ.

Цель работы — выявление и оценка изменений протеомного профиля плазмы крови при экспериментальной экспозиции оксидом алюминия для прогнозирования негативных эффектов со стороны критических органов и систем человека.

Материалы и методы. При моделировании ингаляционной экспозиции оксидом алюминия в дозе 0,0025 мг/(кг · день), эквивалентной дозе в натурных условиях экспозиции при годовом периоде осреднения, и с учётом межвидового переноса доз в эксперименте на крысах линии Wistar исследовано содержание данного металла в моче и проведён сравнительный анализ протеомного профиля плазмы крови экспонированных и неэкспонированных особей. Методами статистического и биоинформационного анализа данные, полученные в эксперименте, экстраполированы на человека для прогнозирования негативных эффектов со стороны критических органов и систем при хронической аэрогенной экспозиции оксидом алюминия.

Результаты. При хроническом ингаляционном поступлении оксида алюминия в дозе 0,0025 мг/(кг · день) у животных опытной группы содержание алюминия в моче установлено в 3,5 раза выше относительно аналогичного показателя в контрольной группе. В результате денситометрического измерения и сравнительного анализа протеомных карт плазмы крови экспонированных и неэкспонированных животных установлено 13 белковых пятен, интенсивность которых в группах достоверно отличается и доказанно связана с содержанием алюминия в моче. При сопоставлении масс-спектров данных белковых пятен идентифицировано 8 белков, совпадающих с белками библиотечного масс-спектра (актин-связывающий Rho-активирующий белок; альдегиддегидрогеназа, цитозоль 1; аполипопротеин А-I; белок Sec22b, транспортирующий везикулы; фактор элонгации 1-γ; нейросекреторный белок Vgf; пумилио гомолог 3; тенеурин-2). В результате биоинформационного анализа установлены гены, кодирующие выявленные белки, их участие в биологических процессах (клеточные и метаболические процессы, процессы биологического регулирования), а также ткани органов, в которых они имеют повышенную экспрессию (печень, головной мозг, сердце, мышцы, тонкая кишка, селезёнка, матка, яички, надпочечники). У человека определены ортологи установленных генов, что позволяет использовать белки, выявленные в эксперименте, в качестве маркёров негативных ответов и предполагать развитие патологий сердечно-сосудистой системы, печени и головного мозга в условиях длительной аэрогенной экспозиции оксидом алюминия.

Ограничения исследования. Проведённое исследование на крысах линии Wistar моделировало только хроническое ингаляционное воздействие оксида алюминия.

Заключение. Установлена трансформация протеомного профиля плазмы крови в эксперименте на биологической модели при хроническом ингаляционном воздействии оксида алюминия в дозе 0,0025 мг/(кг · день). Экстраполяция полученных данных и обнаружение ортологичных генов у человека позволяют предположить развитие негативных эффектов в виде болезней сердечно-сосудистой системы, печени и головного мозга при хроническом ингаляционном поступлении оксида алюминия в организм. Полученные данные расширяют теоретические представления о механизмах токсического действия химических веществ, в том числе оксидных соединений алюминия, на клеточно-молекулярном уровне для прогнозирования негативных эффектов со стороны критических органов и систем человека.

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Роспотребнадзора (протокол заседания № 2 от 11.02.2021 г.), проведено согласно общепринятым научным принципам Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации (ред. 2013 г.).

Участие авторов:
Землянова М.А. — концепция и дизайн исследования, редактирование;
Пескова Е.В. — концепция и дизайн исследования, сбор данных литературы, статистическая обработка материала, написание текста;
Степанков М.С. — сбор материала, обработка материала.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт средств федерального бюджета.

Поступила: 21.08.2023 / Принята к печати: 26.09.2023 / Опубликована: 20.11.2023

Об авторах

Марина Александровна Землянова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека;
ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»;
ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zem@fcrisk.ru
ORCID iD: 0000-0002-8013-9613

Заведующая отделом биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», доктор медицинских наук, доцент, 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82

e-mail: zem@fcrisk.ru

Россия

Екатерина Владимировна Пескова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-8050-3059

Младший научный сотрудник лаборатории биохимической и наносенсорной диагностики отдела биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», аспирант ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82

e-mail: peskova@fcrisk.ru

Россия

Марк Сергеевич Степанков

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-7226-7682

Младший научный сотрудник лаборатории биохимической и наносенсорной диагностики отдела биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», аспирант ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Россия, Пермь, ул. Монастырская, д. 82.

e-mail: stepankov@fcrisk.ru

Россия

Список литературы

  1. Hilton I.B., Gersbach C.A. Enabling functional genomics with genome engineering. Genome Res. 2015; 25(10): 1442–55. https://doi.org/10.1101/gr.190124.115
  2. Merrick A. The plasma proteome, adductome and idiosyncratic toxicity in toxicoproteomics research. Brief Funct. Genomic Proteomic. 2009; 7(1): 35–49. https://doi.org/10.1093/bfgp/eln004
  3. Hye A., Lynham S., Thambisetty M., Causevic M., Campbell J., Byers H.L., et. al. Proteome-based plasma biomarkers for Alzheimer’s disease. Brain. 2006; 129(Pt. 11): 3042–50. https://doi.org/10.1093/brain/awl279
  4. Madeira C., Costa P.M. Proteomics in systems toxicology. Adv. Protein. Chem. Struct. Biol. 2021; 127: 55–91. https://doi.org/10.1016/bs.apcsb.2021.03.001
  5. Bittencourt L.O., Damasceno-Silva R.D., Aragão W.A.B., Eiró-Quirino L., Oliveira A.C.A., Fernandes R.M., et. al. Global proteomic profile of aluminum-induced hippocampal impairments in rats: are low doses of aluminum really safe? Int. J. Mol. Sci. 2022; 23(20): 12523. https://doi.org/10.3390/ijms232012523
  6. El-Hussainy M.A., Hussein A.M., Abdel-Aziz A., El-Mehasseb I. Effects of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles on ECG, myocardial inflammatory cytokines, redox state, and connexin 43 and lipid profile in rats: possible cardioprotective effect of gallic acid. Can. J. Physiol. Pharmacol. 2016; 94(8): 868–78. https://doi.org/10.1139/cjpp-2015-0446.17
  7. Bogdanović M., Janeva A.B., Bulat P. Histopathological changes in rat liver after a single high dose of aluminium. Arh. Hig. Rada Toksikol. 2008; 59(2): 97–101. https://doi.org/10.2478/10004-1254-59-2008-1859.22
  8. Chen L., Yokel R.A., Hennig B., Toborek M. Manufactured aluminum oxide nanoparticles decrease expression of tight junction proteins in brain vasculature. J. Neuroimmune Pharmacol. 2008; 3(4): 286–95. https://doi.org/10.1007/s11481-008-9131-5
  9. Vinardell M.P., Sordé A., Díaz J., Baccarin T., Mitjans M. Comparative effects of macro-sized aluminum oxide and aluminum oxide nanoparticles on erythrocyte hemolysis: influence of cell source, temperature and size. J. Nanopart. Res. 2015; 17: 80. https://doi.org/10.1007/s11051-015-2893-9
  10. Lin W., Stayton I., Huang Y., Zhou X., Ma Y. Cytotoxicity and cell membrane depolarization induced by aluminum oxide nanoparticles in human lung epithelial cells A549. Toxicol. Environ. Chem. 2008; 90(5): 983–96. https://doi.org/10.1080/02772240701802559
  11. Willhite C.C., Karyakina N.A., Yokel R.A., Yenugadhati N., Wisniewski T.M., Arnold I., et al. Systematic review of potential health risks posed by pharmaceutical, occupational and consumer exposures to metallic and nanoscale aluminum, aluminum oxides, aluminum hydroxide and its soluble salts. Crit. Rev. Toxicol. 2014; 44(Suppl. 4): 1–80. https://doi.org/10.3109/10408444.2014.934439
  12. Bahadar H., Maqbool F., Niaz K., Abdollahi M. Toxicity of nanoparticles and an overview of current experimental models. Iran Biomed. J. 2016; 20(1): 1–11. https://doi.org/10.7508/ibj.2016.01.001
  13. López-Pedrouso M., Varela Z., Franco D., Fernández J.A., Aboal J.R. Can proteomics contribute to biomonitoring of aquatic pollution? A critical review. Environ. Pollut. 2020; 267: 115473. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115473
  14. Martins C., Dreij K., Costa P.M. The state-of-the art of environmental toxicogenomics: Challenges and perspectives of “omics” approaches directed to toxicant mixtures. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(23): 4718. https://doi.org/10.3390/ijerph16234718
  15. Koonin E.V., Galperin M.Y. Sequence – Evolution – Function: Computational Approaches in Comparative Genomics. Boston: Kluwer Academic; 2003.
  16. Шугалей И.В., Гарабаджиу А.В., Илюшин М.А., Судариков А.М. Некоторые аспекты влияния алюминия и его соединений на живые организмы. Экологическая химия. 2012; 21(3): 172–86. https://elibrary.ru/stgsyt
  17. Yildirim A., Ozgur E., Bayindir M. Impact of mesoporous silica nanoparticle surface functionality on hemolytic activity, thrombogenicity and non-specific protein adsorption. J. Mater. Chem. B. 2013; 1(14): 1909–20. https://doi.org/10.1039/C3TB20139B
  18. Arai A., Spencer J.A., Olson E.N. STARS, a striated muscle activator of Rho signaling and serum response factor-dependent transcription. J. Biol. Chem. 2002; 277(27): 24453–9. https://doi.org/10.1074/jbc.M202216200
  19. Kuwahara K., Teg Pipes G.C., McAnally J., Richardson J.A., Hill J.A., Bassel-Duby R., et al. Modulation of adverse cardiac remodeling by STARS, a mediator of MEF2 signaling and SRF activity. J. Clin. Invest. 2007; 117(5): 1324–34. https://doi.org/10.1172/JCI31240
  20. Yi X., Bekeredjian R., DeFilippis N.J., Siddiquee Z., Fernandez E., Shohet R.V. Transcriptional analysis of doxorubicin-induced cardiotoxicity. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2006; 290(3): H1098–102. https://doi.org/10.1152/ajpheart.00832.2005
  21. Wallace M.A., Russell A.P. Striated muscle activator of Rho signaling is required for myotube survival but does not influence basal protein synthesis or degradation. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2013; 305(4): 414–26. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00421.2012
  22. Kiefer F.W., Vernochet C., O’Brien P., Spoerl S., Brown J.D., Nallamshetty S., et al. Retinaldehyde dehydrogenase 1 regulates a thermogenic program in white adipose tissue. Nat. Med. 2012; 18(6): 918–25. https://doi.org/10.1038/nm.2757
  23. Kiefer F.W., Orasanu G., Nallamshetty S., Brown J.D., Wang H., Luger P., et al. Retinaldehyde dehydrogenase 1 coordinates hepatic gluconeogenesis and lipid metabolism. Endocrinology. 2012; 153(7): 3089–99. https://doi.org/10.1210/en.2011-2104
  24. Sanders T.J., McCarthy N.E., Giles E.M., Davidson K.L., Haltalli M.L., Hazell S., et al. Increased production of retinoic acid by intestinal macrophages contributes to their inflammatory phenotype in patients with Crohn’s disease. Gastroenterology. 2014; 146(5): 1278–88.e1-2. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2014.01.057
  25. Halley P., Kadakkuzha B.M., Faghihi M.A., Magistri M., Zeier Z., Khorkova O., et al. Regulation of the apolipoprotein gene cluster by a long noncoding RNA. Cell Rep. 2014; 6(1): 222–30. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2013.12.015
  26. Zhang Y., Zanotti I., Reilly M.P., Glick J.M., Rothblat G.H., Rader D.J. Overexpression of apolipoprotein A-I promotes reverse transport of cholesterol from macrophages to feces in vivo. Circulation. 2003; 108(6): 661–63. https://doi.org/10.1161/01.CIR.0000086981.09834.E0
  27. Sun X., Wu X. Association of apolipoprotein A1 with osteoporosis: a cross-sectional study. BMC Musculoskelet. Disord. 2023; 24(1): 157. https://doi.org/10.1186/s12891-023-06264-6
  28. Lewis J.E., Brameld J.M., Jethwa P.H. Neuroendocrine role for VGF. Front. Endocrinol. (Lausanne). 2015; 6: 3. https://doi.org/10.3389/fendo.2015.00003
  29. Hahm S., Mizuno T.M., Wu T.J., Wisor J.P., Priest C.A., Kozak C.A., et al. Targeted deletion of the Vgf gene indicates that the encoded secretory peptide precursor plays a novel role in the regulation of energy balance. Neuron. 1999; 23(3): 537–48. https://doi.org/10.1016/s0896-6273(00)80806-5
  30. Узбеков М.Г., Гурович И.Я., Иванова С.А. Потенциальные биомаркеры психических заболеваний в аспекте системного подхода. Социальная и клиническая психиатрия. 2016; (1): 77–94. https://elibrary.ru/witqmh

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Землянова М.А., Пескова Е.В., Степанков М.С., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.