References

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2022-21-4-80-89

oncotomsk-2245

Research Article

ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

LABORATORY AND EXPERIMENTAL STUDIES

Влияние содержания Fe3O4 в наночастицах Fe3O4-Fe со структурой ядро-оболочка на их противоопухолевую активность in vitro

Role of the Fe3O4 mass ratio in Fe3O4-Fe nanoparticles with the core-shell structure on their anticancer activity in vitro

Бакина

О. В.

Bakina

O. V.

Бакина Ольга Владимировна - доктор технических наук, старший научный сотрудник, ИФПМ СО РАН; доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики, СибГМУ Минздрава России.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4; 634050, Томск, Московский тракт, 2.

SPIN-код: 9002-1344. Researcher ID (WOS): A-3184-2014. Author ID (Scopus): 57200860509.

Olga V. Bakina - DSc, Senior Researcher, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Associate Professor of the Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course of clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2/4, Akademichesky Ave., 634055, Tomsk; 2, Moskovsky tract, 634050, Tomsk.

Researcher ID (WOS): A-3184-2014. Author ID (Scopus): 57200860509.

ovbakina@ispms.tsc.ru

https://orcid.org/0000-0002-1564-0858

Ложкомоев

А. С.

Lozhkomoev

A. S.

Ложкомоев Александр Сергеевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4.

Researcher ID (WOS): O-3024-2013. Author ID (Scopus): 26664893000.

Aleksandr S. Lozhkomoev - DSc, Head of Laboratory, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Science.

2/4, Akademichesky Ave., 634055, Tomsk.

Researcher ID (WOS): O-3024-2013. Author ID (Scopus): 26664893000.

https://orcid.org/0000-0002-1728-7947

Казанцев

С. О.

Kazantsev

S. O.

Казанцев Сергей Олегович - младший научный сотрудник.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4.

SPIN-код: 2529-0738. Researcher ID (WOS): A-9259-2019. Author ID (Scopus): 56985661000.

Sergey O. Kazantsev - Junior Researcher, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Science.

2/4, Akademichesky Ave., 634055, Tomsk.

Researcher ID (WOS): A-9259-2019. Author ID (Scopus): 56985661000.

https://orcid.org/0000-0001-7301-7581

Августинович

А. В.

Avgustinovich

A. V.

Августинович Александра Владимировна - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник отделения абдоминальной онкологии.

634009, Томск, пер. Кооперативный, 5.

SPIN-код: 2952-6119. Researcher ID (WOS): D-6062-2012. Author ID (Scopus): 56392965300.

Alexandra V. Avgustinovich - MD, PhD, Senior Researcher, Department of Abdominal Oncology, Cancer Research Institute Cancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of Sciences.

5, Kooperativny St., 634009, Tomsk.

Researcher ID (WOS): D-6062-2012. Author ID (Scopus): 56392965300.

https://orcid.org/0000-0002-4701-0375

Афанасьев

С. Г.

Afanasyev

S. G.

Афанасьев Сергей Геннадьевич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделением абдоминальной онкологии.

634009, Томск, пер. Кооперативный, 5.

SPIN-код: 9206-3037. Researcher ID (WOS): D-2084-2012. Author ID (Scopus): 7005336732.

Sergey G. Afanasyev - MD, DSc, Professor, Head of the Department of Abdominal Oncology, Cancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of Sciences.

5, Kooperativny St., 634009, Tomsk.

Researcher ID (WOS): D-2084-2012. Author ID (Scopus): 7005336732.

https://orcid.org/0000-0002-5269-736X

Спирина

Л. В.

Spirina

L. V.

Спирина Людмила Викторовна - доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник, НИИ онкологии, Томский НИМЦ РАН; и. о. заведующей кафедрой биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики, СибГМУ Минздрава России.

634050, Томск, Московский тракт, 2; 634009, Томск, пер. Кооперативный, 5.

Researcher ID (WOS): A-7760-2012. Author ID (Scopus): 36960462500.

Lyudmila V. Spirina - MD, DSc, Leading Researcher, Cancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of Sciences; acting head of department of biochemistry and molecular biology with a course of clinical laboratory diagnostics, Siberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky tract, 634050, Tomsk; 5, Kooperativny St., 634009, Tomsk.

Researcher ID (WOS): A-7760-2012. Author ID (Scopus): 36960462500.

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Сибирский государственный медицинский университет Минздрава РоссииРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Siberian State Medical University of the Ministry of Health of RussiaRussian Federation

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

Научно-исследовательский институт онкологии, Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наукРоссияCancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of SciencesRussian Federation

Сибирский государственный медицинский университет Минздрава России; Научно-исследовательский институт онкологии, Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наукРоссияSiberian State Medical University of the Ministry of Health of Russia; Cancer Research Institute, Tomsk National Research Medical Center, Russian Academy of SciencesRussian Federation

2022

03092022

2148089

2022

Бакина О.В., Ложкомоев А.С., Казанцев С.О., Августинович А.В., Афанасьев С.Г., Спирина Л.В.

Bakina O.V., Lozhkomoev A.S., Kazantsev S.O., Avgustinovich A.V., Afanasyev S.G., Spirina l.V.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.siboncoj.ru/jour/article/view/2245

Введение. В настоящее время основное число препаратов, применяемых в терапии опухолей, имеют высокую токсичность. Применение магнитных наночастиц оксидов железа в качестве противоопухолевых агентов позволяет предотвратить нецелевую цитотоксичность и другие побочные эффекты традиционной химиотерапии. Однако оно в значительной степени ограничено их низкой эффективностью. Применение в наночастицах гальванической пары Fe3O4-Fe позволит контролировать выделение токсичных ионов железа и, соответственно, активность наночастиц. Целью исследования явилась разработка наночастиц Fe3O4-Fe с противоопухолевой активностью in vitro. Материал и методы. Для достижения поставленной цели синтезированы наночастицы (НЧ), содержащие от 5 до 90 % железа, проведено систематическое исследование структурных, текстурных, зарядовых, морфологических и магнитных свойств наночастиц, а также их активности in vitro в отношении опухолевых линий MCF-7 и HeLa. Для получения наночастиц Fe3O4-Fe использовали электрический взрыв проволоки. Физико-химические свойства исследованы при помощи рентгенофазового анализа, тепловой десорбции азота, просвечивающей электронной микроскопии, микроэлектрофореза. Противоопухолевую активность исследовали при помощи МТТ-теста. Результаты. В результате электрического взрыва железной проволоки в газовой смеси аргон + кислород, содержащей кислород в диапазоне 1‒5 об. %, были получены НЧ Fe3O4-Fe с 5‒90 % масс. Fe3O4 соответственно. Исследование физико-химических свойств наночастиц показало, что зета-потенциал не зависит от содержания Fe3O4 в НЧ и составляет -30 мВ. Средний размер частиц проходит через максимум (минимум величины удельной поверхности) при содержании Fe3O4 W=20 %, что можно объяснить механизмом образования оксидной фазы при электрическом взрыве. При помощи МТТ-теста установлено, что наибольшей цитоксичностью обладают наночастицы, содержащие 5 % масс. Fe3O4, в присутствии которых в концентрации 1 мг/мл количество живых клеток снижалось до 16 % относительно контроля. Заключение. Впервые показано, что частицы Fe3O4-Fe можно использовать в качестве противоопухолевого агента. Возможность регулирования магнитных свойств НЧ можно использовать для нацеливания на определенный участок опухолевой ткани с помощью внешнего магнитного поля, а установленная взаимосвязь магнитного момента с активностью НЧ в отношении клеточной линии MCF-7 имеет большие перспективы для клинического применения.

Introduction. Currently, most of the drugs used in tumor therapy are highly toxic and cause various toxic effects. Therefore, many drug delivery methods are being developed. The use of nanotechnology is one of the most promising methods. The use of magnetic iron oxide nanoparticles as antitumor agents makes it possible to prevent off-target cytotoxicity and other side effects of traditional chemotherapy. The use of nanoparticles is limited by their low efficiency. the Fe3O4/Fe galvanic couple makes it possible to control the release of toxic iron ions and, accordingly, the activity of nanoparticles. Purpose. The aim of this study is to develop new Fe3O4-Fe nanoparticles with a core-shell structure with antitumor activity in vitro. Nanoparticles containing from 5 % to 90 % iron were synthesized, and a systematic study of the structural, textural, charge, morphological, and magnetic properties of nanoparticles, as well as their in vitro activity against the MCF-7 and HeLa tumor lines, was carried out. Methods. Fe3O4-Fe nanoparticles were obtained by electric explosion of an iron wire in a mixture of gases: argon and oxygen. The mass fraction of the components was regulated by varying the ratio of the components of the gas mixture. The physicochemical properties of nanoparticles were studied using X-ray phase analysis, thermal desorption of nitrogen, transmission electron microscopy, and microelectrophoresis. Antitumor activity was studied using the MTT test against HeLa and MCF-7 cell lines. Results. As a result of the electric explosion of an iron wire in an argon + oxygen gas mixture containing oxygen in the range of 1 – 5 vol. %, Fe3O4-Fe NPs with 5 – 90 % wt. Fe3O4, respectively. The study of the physicochemical properties of nanoparticles showed that the zeta potential does not depend on the content of Fe3O4 in NPs and is -30 mV. The change in the specific surface area and the average particle size passes through a maximum at the content of Fe3O4 W=20 %, which can be explained by the mechanism of oxide phase formation during an electric explosion. Using the MTT test, it was found that nanoparticles containing 5 wt. Fe3O4, in the presence of which, at a concentration of 1 mg/ml, the number of living cells decreased to 16 % relative to the control. Conclusion. In this work, we have shown for the first time that Fe3O4-Fe NPS in the concentration range of 50–100 µg/mL can be used as an antitumor agent. The ability to control the magnetic properties of NPs can be used to target a specific area of tumor tissue using an external magnetic field, and the established relationship between the magnetic moment and the activity of NPs in relation to the MCF-7 cell line has great prospects for clinical application.

железооксид железаопухолевые клеткинаночастицы

ironiron oxidecancer cellsnanoparticles

Настоящее исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Министерства науки и технологий Израиля в соответствии с исследовательским проектом № 19-53-06006.

This study was financially supported by the Russian Foundation for Basic Research (RFBR) and the Israeli Ministry of Science and Technology in accordance with research project no. 19-53-06006.

References1

Park J., An K., Hwang Y., Park J.G., Noh H.J., Kim J.Y., Park J.H., Hwang N.M., Hyeon T. Ultra-large-scale syntheses of monodisperse nano-crystals. Nat Mater. 2004; 3(12): 891–5. doi: 10.1038/nmat1251.

Soetaert F., Korangath P., Serantes D., Fiering S., Ivkov R. Cancer therapy with iron oxide nanoparticles: Agents of thermal and immune therapies. Adv Drug Deliv Rev. 2020. doi: 10.1016/j.addr.2020.06.025.

Ebadi M., Buskaran K., Bullo S., Hussein M.Z., Fakurazi S., Pastorin G. Drug delivery system based on magnetic iron oxide nanoparticles coated with (polyvinyl alcohol-zinc/aluminium-layered double hydroxide-sorafenib). Alexandria Eng J. 2021. 60(1): 733–47. doi: 10.1016/j.aej.2020.09.061.

Hernández-Hernández A.A., Aguirre-Álvarez G., Cariño-Cortés R., Mendoza-Huizar L.H., Jiménez-Alvarado R. Iron oxide nanoparticles: synthesis, functionalization, and applications in diagnosis and treatment of cancer. Chem Papers. 2020.74(11): 3809–24. doi: 10.1007/s11696-020-01229-8.

Yalcin S., Gündüz U. Iron oxide-based polymeric magnetic nano-particles for drug and gene delivery: in vitro and in vivo applications in cancer. Handbook Polym Ceram Nanotechnol. 2021: 1271–92. doi: 10.1007/978-3-030-10614-0_38-1.

Revia R.A., Zhang M. Magnetite nanoparticles for cancer diagnosis, treatment, and treatment monitoring: recent advances. Mater Today (Kidlington). 2016; 19(3): 157–68. doi: 10.1016/j.mattod.2015.08.022.

Pinna N., Grancharov S., Beato P., Bonville P., Antonietti M., Niederberger M. Magnetite nanocrystals: nonaqueous synthesis, characterization, and solubility. Chem Mater. 2005. 17(11): 3044–9. doi: 10.1021/cm050060+.

Chen Z., Yin J.J., Zhou Y.T., Zhang Y., Song L., Song M., Hu S., Gu N. Dual enzyme-like activities of iron oxide nanoparticles and their implication for diminishing cytotoxicity. ACS Nano. 2012; 6(5): 4001–12. doi: 10.1021/nn300291r.

Ahamed M., Alhadlaq H.A., Majeed Khan M.A., Javed Akhtar M. Selective killing of cancer cells by iron oxide nanoparticles mediated through reactive oxygen species via p53 pathway. J Nanopart. Res. 2013. 15(1): 1–11 doi: 10.1007/s11051-012-1225-6.

Zhang C., Bu W., Ni D., Zhang S., Li Q., Yao Z., Zhang J., Yao H., Wang Z., Shi J. Synthesis of iron nanometallic glasses and their application in cancer therapy by a localized Fenton reaction. Angewandte Chemie. 2016. 128(6): 2141–6. doi: 10.1002/anie.201510031.

Yarjanli Z., Ghaedi K., Esmaeili A., Rahgozar S., Zarrabi A. Iron oxide nanoparticles may damage to the neural tissue through iron accumulation, oxidative stress, and protein aggregation. BMC Neurosci. 2017; 18(1): 51. doi: 10.1186/s12868-017-0369-9.

Buiculescu R., Stefanakis D., Androulidaki M., Ghanotakis D., Chaniotakis N.A. Controlling carbon nanodot fluorescence for optical biosensing. Analyst. 2016. 141(13): 4170–80. doi: 10.1039/c6an00783j.

Huo M., Wang L., Chen Y., Shi J. Tumor-selective catalytic nano-medicine by nanocatalyst delivery. Nat Commun. 2017; 8(1): 357. doi: 10.1038/s41467-017-00424-8.

Saeed M., Ren W., Wu A. Therapeutic applications of iron oxide based nanoparticles in cancer: basic concepts and recent advances. Biomater Sci. 2018. 6(4): 708–25. doi: 10.1039/c7bm00999b.

Tian X., Ruan L., Zhou S., Wu L., Cao J., Qi X., Zhang X., Shen S. Appropriate size of Fe3O4 nanoparticles for cancer therapy by ferroptosis. ACS App Bio Mater 2022. 5(4): 1692–9. doi:10.1021/acsabm.2c00068.

Niu X., Chen J., Gao J. Nanocarriers as a powerful vehicle to overcome blood-brain barrier in treating neurodegenerative diseases: Focus on recent advances. Asian J Pharm Sci. 2019; 14(5): 480–96. doi: 10.1016/j.ajps.2018.09.005.

Lozhkomoev A.S., Pervikov A.V., Kazantsev S.O., Sharipova A.F., Rodkevich N.G., Toropkov N.E., Suliz K.V., Svarovskaya N.V., Kondranova A.M., Lerner M.I. Synthesis of Fe/Fe3O4 core-shell nanoparticles by electrical explosion of the iron wire in an oxygen-containing atmosphere. J Nanopart Res. 2021. 23(3): 1–12. doi: 10.1007/s11051-021-05180-x.

Hwang N., Barron A.R. BET surface area analysis of nanoparticles. The Connexions project. 2011: 1–11.

ГОСТ ISO 10993-5-2011. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследования на цитотоксичность: методы in vitro». 2013.

GOST ISO 10993-5-2011. Medical devices. Biological evaluation of medical devices. Part 5. Tests for in vitro cytotoxicity. 2013. (in Russian).

van Meerloo J., Kaspers G.J., Cloos J. Cell sensitivity assays: the MTT assay. Methods Mol Biol. 2011; 731: 237–45. doi: 10.1007/978-1-61779-080-5_20.

Hussey R.J., Cohen M. The oxidation of Fe in the temperature range 450–550 °C. II. The pressure range 10–3–760 Torr. Corrosion Sci. 1971. 11(10): 713–21. doi:10.1016/S0010-938X(71)80004-5.

Sindhu T.K., Sarathi R., Chakravarthy S.R. Understanding nano-particle formation by a wire explosion process through experimental and modelling studies. Nanotechnology. 2008; 19(2). doi: 10.1088/0957-4484/19/02/025703.

Chen D., Tang Q., Li X., Zhou X., Zang J., Xue W.Q., Xiang J.Y., Guo C.Q. Biocompatibility of magnetic Fe₃O₄ nanoparticles and their cytotoxic effect on MCF-7 cells. Int J Nanomedicine. 2012; 7: 4973–82. doi: 10.2147/IJN.S35140.

Petros R.A., DeSimone J.M. Strategies in the design of nano-particles for therapeutic applications. Nat Rev Drug Discov. 2010; 9(8): 615–27. doi: 10.1038/nrd2591.

Popescu R.C., Savu D., Dorobantu I., Vasile B.S., Hosser H., Boldeiu A., Temelie M., Straticiuc M., Iancu D.A., Andronescu E., Wenz F., Giordano F.A., Herskind C., Veldwijk M.R. Efficient uptake and retention of iron oxide-based nanoparticles in HeLa cells leads to an effective intracellular delivery of doxorubicin. Sci Rep. 2020; 10(1). doi: 10.1038/s41598-020-67207-y.

Ye P., Ye Y., Chen X., Zou H., Zhou Y., Zhao X., Kong X. Ultrasmall Fe3O4 nanoparticles induce S-phase arrest and inhibit cancer cells proliferation. Nanotechnol. Rev. 2020; 9(1): 61–9. doi: 10.1515/ntrev-2020-0006.

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