Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1103310.32607/actanaturae.11033Research ArticlesЭкспериментальные статьиReview ArticleComparative Analysis of the Effects of Upconversion Nanoparticles on Normal and Tumor Brain CellsСравнительный анализ действия антистоксовых нанофосфоров на нормальные и опухолевые клетки нервной системыMishchenkoT. A.МищенкоТатьяна Александровна
Russian Federation
saharnova87@mail.ruMitroshinaЕ. V.МитрошинаЕ. В.
Russian Federation
saharnova87@mail.ruSmyshlyaevaА. S.СмышляеваА. С.
Russian Federation
saharnova87@mail.ruGuryevЕ. L.ГурьевЕ. Л.
Russian Federation
saharnova87@mail.ruVedunovaМ. V.ВедуноваМ. В.
Russian Federation
saharnova87@mail.ruNational Research Lobachevsky State University of Nizhny NovgorodНациональный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоPrivolzhsky Research Medical UniversityПриволжский исследовательский медицинский университет Минздрава России0708202012286940106202001062020Copyright ©; 2020, Mishchenko T.A., Mitroshina Е.V., Smyshlyaeva А.S., Guryev Е.L., Vedunova М.V.Copyright ©; 2020, Мищенко Т.А., Митрошина Е.В., Смышляева А.С., Гурьев Е.Л., Ведунова М.В.2020Mishchenko T.A., Mitroshina Е.V., Smyshlyaeva А.S., Guryev Е.L., Vedunova М.V.Мищенко Т.А., Митрошина Е.В., Смышляева А.С., Гурьев Е.Л., Ведунова М.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11033

Glioma is the most aggressive type of brain tumors encountered in medical practice. The high frequency of diagnosed cases and risk of metastasis, the low efficiency of traditional therapy, and the usually unfavorable prognosis for patients dictate the need to develop alternative or combined approaches for an early diagnosis and treatment of this pathology. High expectations are placed on the use of upconversion nanoparticles (UCNPs). In this study, we have produced and characterized UCNPs doped with the rare-earth elements ytterbium and thulium. Our UCNPs had photoluminescence emission maxima in the visible and infrared spectral regions, which allow for deep optical imaging of tumor cells in the brain. Moreover, we evaluated the toxicity effects of our UCNPs on a normal brain and glioma cells. It was revealed that our UCNPs are non-toxic to glioma cells but have a moderate cytotoxic effect on primary neuronal cultures at high concentrations, a condition that is characterized by a decreased cellular viability and changes in the functional metabolic activity of neuron-glial networks. Despite the great potential associated with the use of these UCNPs as fluorescent markers, there is a need for further studies on the rate of the UCNPs accumulation and excretion in normal and tumor brain cells, and the use of their surface modifications in order to reduce their cytotoxic effects.

Глиома – наиболее агрессивный вид опухолей головного мозга. Высокая частота диагностируемых случаев глиомы, риск образования метастазов, низкая эффективность традиционной терапии и неутешительный прогноз для пациентов диктуют необходимость поиска альтернативных или комбинированных подходов к своевременной диагностике и лечению данной патологии. Особые перспективы связывают с применением антистоксовых нанофосфоров (НАФ). В настоящей работе получены и охарактеризованы НАФ, содержащие редкоземельные элементы иттербий и тулий. Эти НАФ имеют максимумы эмиссии фотолюминесценции в видимой и инфракрасной областях спектра, что дает возможность глубокой оптической визуализации опухолевых клеток в головном мозге. Исследована токсичность НАФ в отношении нормальных клеток нервной системы и клеток глиомы. Показано, что НАФ не оказывают цитотоксического действия на опухолевые клетки, однако в высоких концентрациях проявляют умеренный цитотоксический эффект в первичных нейрональных культурах, характеризующийся снижением жизнеспособности и изменением функциональной активности нейроглиальных сетей. Высокая перспективность применения НАФ в качестве люминесцентных маркеров делает необходимым изучение скорости накопления и выведения НАФ в опухолевых и здоровых клетках нервной системы, а также возможностей модификации поверхности наночастиц для снижения токсических эффектов.

upconversion nanoparticlesprimary hippocampal culturesgliomaU-251 MGGL261toxicityfunctional neural network activityантистоксовые нанофосфорыпервичные культуры гиппокампаглиомаU-251 MGGL261токсичностьфункциональная нейросетевая активностьРоссийский фонд фундаментальных исследованийRussian Foundation for Basic Research18-29-01055Tykocki T., Eltayeb M. // J. Clin. Neurosci. 2018. V. 54. P. 7–13.Bush N.A., Chang S.M., Berger M.S. // Neurosurg. Rev. 2017. V. 40. № 1. P. 1–14.Platten M., Bunse L., Wick W., Bunse T. // Cancer Immunol. Immunother. 2016. V. 65. № 10. P. 1269–1275.Frosina G. // Nanomedicine. 2016. V. 12. № 4. P. 1083–1093.Cheng Y., Dai Q., Morshed R.A., Fan X., Wegscheid M.L., Wainwright D.A., Han Y., Zhang L., Auffinger B., Tobias A.L., et al. // Small. 2014. V. 10. № 24. P. 5137–5150.Hu Q., Gao X., Gu G., Kang T., Tu Y., Liu Z., Song Q., Yao L., Pang Z., Jiang X., et al. // Biomaterials. 2013. V. 34. № 22. P. 5640–5650.Xin H., Sha X., Jiang X., Zhang W., Chen L., Fang X. // Biomaterials. 2012. V. 33. № 32. P. 8167–8176.Mishchenko T., Mitroshina E., Balalaeva I., Krysko O., Vedunova M., Krysko D.V. // Biochim. Biophys. Acta Rev. Cancer. 2019. V. 1871. № 1. P. 99–108.Fan W., Shen B., Bu W., Chen F., He Q., Zhao K., Zhang S., Zhou L., Peng W., Xiao Q., et al. // Biomaterials. 2014. V. 35. № 32. P. 8992–9002.Mironova K.E., Khochenkov D.A., Generalova A.N., Rocheva V.V., Sholina N.V., Nechaev A.V., Semchishen V.A., Deyev S.M., Zvyagin A.V., Khaydukov E.V. // Nanoscale. 2017. V. 9. № 39. P. 14921–14928.Grebenik E.A., Kostyuk A.B., Deyev S.M. // Russian Chem. Rev. 2016. V. 85. № 12. P. 1277–1296.Sreenivasan V.K., Zvyagin A.V., Goldys E.M. // J. Phys. Condens. Matter. 2013. V. 5. № 19. P. 1–23.Dou Q., Idris N.M., Zhang Y. // Biomaterials. 2013. V. 34. № 6. P. 1722–1731.Chen J., Zhao J.X. // Sensors. 2012. V. 12. № 3. P. 2414–2435.Deyev S. M., Lebedenko E.N. // Molecular Biology. 2017. V. 51. № 6. P. 788–803.Деев С.М., Лебеденко Е.Н. // Молекуляр. биология. 2017. Т. 51. № 6. С. 907–926.Xiong L., Chen Z., Tian Q., Cao T., Xu C., Li F. // Anal. Chem. 2009. V. 81. № 21. P. 8687–8694.Generalova A.N., Rocheva V.V., Nechaev A.V., Khochenkov D.A., Sholina N.V., Semchishen V.A., Zubov V.P., Koroleva A.V., Chichkov B.N., Khaydukov E.V. // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 30089–30097.Vedunova M., Sakharnova T., Mitroshina E., Perminova M., Pimashkin A., Zakharov Y., Dityatev A., Mukhina I. // Front. Cell Neurosci. 2013. V. 7. Article 149. P. 1–10.Mosmann T. // J. Immunol. Methods. 1983. V. 65. P. 55–63.Аlyasova А.V., Terentiev I.G., Tsybusov S.N., Vedunova М.V., Мishchenko Т.А., Shakhova K.А., Kontorshchikova K.N. // Sovremennye tehnologii v medicine. 2017. V. 9. № 2. P. 145-149.Алясова А.В., Терентьев И.Г., Цыбусов С.Н., Ведунова М.В., Мищенко Т.А., Шахова К.А., Конторщикова К.Н. // Cовременные технологии в медицине. 2017. Т. 9. № 2. С. 145–149.Vedunova M.V., Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Mukhina I.V. // Oxid. Med. Cell Longev. 2015. V. 2015. P. 1–9.Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Shishkina T.V., Astrakhanova T.A., Prokhorova M.V., Vedunova M.V. // BIOCHEMISTRY MOSCOW SUPPLEMENT SERIES A-MEMBRANE AND CELL BIOLOGY. 2018. V. 12. № 2. P. 170-179.Мищенко Т.А., Митрошина Е.В., Шишкина Т.В., Астраханова Т.А., Прохорова М.В., Ведунова М.В. // Биол. мембраны. 2018. Т. 35. № 2. С. 104–114.Zakharov Y.N., Mitroshina E.V., Shirokova O.M, Mukhina I.V. // Springer Proc. Math. Stat. Model. Algorithms Technol. Netw. Anal. 2013. V. 32. P. 225–232.Wang F., Han Y., Lim C.S., Lu Y., Wang J., Xu J., Chen H., Zhang C., Hong M., Liu X. // Nat. Lett. 2010. V. 463. P. 1061–1065.Suyver J.F., Aebischer A., Biner D., Gerner P., Grimm J., Heer S., Kramer K.W., Reinhard C., Gudel H.U. // Optical Materials. 2005. V. 27. P. 1111–1130.Chen G.Y., Shen J., Ohulchanskyy T.Y., Patel N.J., Kutikov A., Li Z.P., Song J., Pandey R.K., Agren H., Prasad P.N., Han G. // ACS Nano. 2012. V. 6. P. 8280–8287.Nyk M., Kumar R., Ohulchanskyy T.Y., Bergey E.J., Prasad P.N. // Nano Lett. 2008. V. 8. № 11. P. 3834–3838.Smyshlyaeva А.S., Guryev Е.L., Kostyuk А.B., Vodeneev V.А., Deev S.М., Zvyagin А.V. // Russian Journal of Biological Physics and Chemistry. 2018. V. 3. № 4. P. 840-846.Смышляева А.С., Гурьев Е.Л., Костюк А.Б., Воденеев В.А., Деев С.М., Звягин А.В. // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2018. Т. 3. № 4. С. 840–846.Kostyuk A.B., Guryev E.L., Vorotnov A.D., Sencha L.M., Peskova N.N., Sokolova E.A., Liang L., Vodeneev V.A., Balalaeva I.V., Zvyagin A.V. // Sovrem. Technol. Med. 2018. V. 10. № 1. P. 57–63.Shirokova О.М., Frumkina L.Е., Vedunova М.V., Mitroshina Е.V., Zakharov Y.N., Khaspekov L.G., Mukhina I.V. // Sovremennye tehnologii v medicine. 2013. V. 5. № 2. P. 6-13.Широкова О.М., Фрумкина Л.Е., Ведунова М.В., Митрошина Е.В., Захаров Ю.Н., Хаспеков Л.Г., Мухина И.В. // Cовременные технологии в медицине. 2013. Т. 5. № 2. С. 6–13.Chatterjee D.K., Gnanasammandhan M.K., Zhang Y. // Small. 2010. V. 6. № 24. P. 2781–2795.Haase M., Schäfer H. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2011. V. 50. № 26. P. 5808–5829.Zhou J., Liu Z., Li F. // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. № 3. P. 1323–1349.Vedunova M.V., Mishchenko T.A., Mitroshina E.V., Ponomareva N.V., Yudintsev A.V., Generalova A.N., Deyev S.M., Mukhina I.V., Semyanov A.V., Zvyagin A.V. // RSC Adv. 2016. V. 6. P. 33656–33665.Guryev T.L., Volodina N.O., Shilyagina N.Y., Gudkov S.V., Balalaeva I.V., Volovetskiy A.B., Lyubeshkin A.V., Sen’ A.V., Ermilov S.A., Vodeneev V.A., et al. // PNAS. 2018. V. 115. № 39. P. 9690–9695.Guryev E.L., Volodina N.O., Shilyagina N.Y., Gudkov S.V., Balalaeva I.V., Volovetskiy A.B., Lyubeshkin A.V., Sen’ A.V., Ermilov S.A., Vodeneev V.A., et al. // PNAS. 2018. V. 115. № 39. P. 9690–9695.