References

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2026-25-4-89-99

oncotomsk-4426

Research Article

ЛАБОРАТОРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

LABORATORY AND EXPERIMENTAL STUDIES

Исследование параметров процессов перекисного окисления липидов в культуре клеток HeLa, индуцированного наночастицами Fe/Fe3O4 с морфологией «ядро-оболочка»

Investigation of HeLa cell culture lipid peroxidation level induced by core-shell Fe/Fe3O4 nanoparticles

https://orcid.org/0000-0002-8650-6939

Бакина

О. В.

Bakina

O. V.

Бакина Ольга Владимировна - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории нанобиоинженерии, 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

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

Olga V. Bakina - DSc, Leading Researcher, Laboratory of Nanobioengineering, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Associate Professor, Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in Clinical Laboratory Diagnostics, Siberian State Medical University, Ministry of Health of Russia.

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

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

ovbakina@ispms.ru

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

Спирина

Л. В.

Spirina

L. V.

Спирина Людмила Викторовна - доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой биохимии и молекулярной биологии с курсом клинической лабораторной диагностики.

634050, Томск, Московский тракт, 2

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

Ludmila V. Spirina - MD, DSc, Professor, Head of the Department of Biochemistry and Molecular Biology with a course in Clinical Laboratory Diagnostics, Siberian State Medical University, Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky tract, Tomsk, 634050

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

https://orcid.org/0000-0001-6718-2812

Родкевич

Н. Г.

Rodkevich

N. G.

Родкевич Николай Григорьевич - инженер лаборатории физикохимии высокодисперсных материалов.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4

Researcher ID (WOS) A-3184-2014. Author ID (Scopus) 55570945700

Nikolay G. Rodkevich - Engineer, Laboratory of Physical Chemistry of Ultrafine Materials, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

2/4, Akademichesky Ave., Tomsk, 634055

Researcher ID (WOS) A-3184-2014. Author ID (Scopus) 55570945700

https://orcid.org/0000-0002-0251-8829

Сенькина

Е. И.

Senkina

E. I.

Сенькина Елена Ивановна - младший научный сотрудник лаборатории физикохимии высокодисперсных материалов.

634055, Томск, пр. Академический, 2/4

Researcher ID (WOS) AGN-2441-2022. Author ID (Scopus) 57657672100

Elena I. Senkina - Junior Researcher, Laboratory of Physical Chemistry of Ultrafine Materials, Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences.

2/4, Akademichesky Ave., Tomsk, 634055

Researcher ID (WOS) AGN-2441-2022. Author ID (Scopus) 57657672100

Кудрявцева

А. Д.

Kudryavtseva

A. D.

Кудрявцева Анастасия Дмитриевна – студентка.

634050, Томск, Московский тракт, 2

Anastasia D. Kudryavtseva - student, Siberian State Medical University, Ministry of Health of Russia.

2, Moskovsky tract, Tomsk, 634050

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

Августинович

А. В.

Avgustinovich

A. V.

Августинович Александра Владимировна - кандидат медицинских наук, заместитель главного врача по паллиативной помощи.

634045, Томск, ул. Нахимова, 3

Alexandra V. Avgustinovich - MD, PhD, Deputy Chief Physician for Palliative Care, B.I. Alperovich City Clinical Hospital No. 3.

3, Nakhimova St., Tomsk, 634045

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

Урмонов

У. Б.

Urmonov

U. B.

Урмонов Умиджон Бутабекович - кандидат медицинских наук, хирург отделения минимальной инвазивной хирургии Республиканского специализированного научно-практического медицинского центра онкологии и радиологии Министерства здравоохранения Республики Узбекистан; ассистент кафедры онкологии, онкогематологии и радиационной онкологии, Ташкентский государственный медицинский университет.

100173, Ташкент, Автомобильная кольцевая дорога, 14а; 100173, Ташкент, ул. Фаробий, 2

Umidjon B. Urmonov - MD, PhD, Surgeon, Department of Minimally Invasive Surgery, Republican Specialized Scientific and Practical Medical Center of Oncology and Radiology of the Ministry of Health of the Republic of Uzbekistan; Assistant Lecturer, Department Oncology, Oncohematology and Radiation Oncology, Tashkent State Medical University.

14 A, Automobile Ring Road St., Tashkent, 100173; 2, Farobiy St., Tashkent, 100173

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 Russian Academy of Sciences; Siberian State Medical University, Ministry of Health of RussiaRussian Federation

Сибирский государственный медицинский университет Минздрава РоссииРоссияSiberian State Medical University, 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 Russian Academy of SciencesRussian Federation

ОГАУЗ «Городская клиническая больница № 3 им. Б.И. Альперовича»РоссияB.I. Alperovich City Clinical Hospital No. 3Russian Federation

Республиканский специализированный научно-практический медицинский центр онкологии и радиологии Министерства здравоохранения Республики Узбекистан; Ташкентский государственный медицинский университетУзбекистанRepublican Specialized Scientific and Practical Medical Center of Oncology And Radiology of the Ministry of Health of the Republic of Uzbekistan; Tashkent State Medical UniversityUzbekistan

2026

21092026

2548999

2026

Бакина О.В., Спирина Л.В., Родкевич Н.Г., Сенькина Е.И., Кудрявцева А.Д., Августинович А.В., Урмонов У.Б.

Bakina O.V., Spirina L.V., Rodkevich N.G., Senkina E.I., Kudryavtseva A.D., Avgustinovich A.V., Urmonov U.B.

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/4426

Введение. Благодаря развитой поверхности, химической стабильности, низкой токсичности и высокой биологической активности в отношении раковых клеток применение наночастиц железа и оксида железа является перспективной стратегией противораковой терапии. Механизм токсического действия на клетки железа и оксида железа заключается в образовании активных форм кислорода. Изучение молекулярных механизмов воздействия частиц на клетки и оценка влияния соотношения железа и оксида железа на параметры процессов перекисного окисления липидов имеют важное значение для их применения. Целью исследования является синтез наночастиц Fe/Fe3O4 типа «ядро-оболочка» для изучения влияния массовой доли оксида железа на жизнеспособность клеток HeLa и содержание малонового диальдегида, битирозина, активность каталазы, супероксиддисмутазы и катепсина D и анализ окислительной модификации белков в линии раковых клеток HeLa. Материал и методы. Наночастицы Fe/Fe3O4 типа «ядро-оболочка» с массовым соотношением оксида железа от 5 до 90 мас. % были синтезированы физическим методом – электрическим взрывом проводников в кислородсодержащей атмосфере. Определение параметров перекисного окисления липидов проводили при помощи стандартных биохимических тестов. Результаты. Получены частицы Fe/Fe3O4, содержащие Fe, Fe/Fe3O4 и FeO. Массовая доля Fe/Fe3O4 варьировалась от 1 до 91 % мас. cредний размер частиц составлял около 80 нм, дзета-потенциал частиц увеличивался с 0,47 до 6,37 мВ с увеличением массовой доли оксида железа. Цитотоксичность наночастиц Fe/Fe3O4 по отношению к раковым клеткам HeLa оценивали при помощи МТТ-теста и определения параметров перекисного окисления липидов. Установлено, что наночастицы Fe/Fe3O4 с массовой долей Fe3O4 40 % оказывали значительное влияние на интенсивность перекисного окисления липидов, однако наблюдалось максимальное накопление окислительно модифицированных белков. Заключение. Выявлены особенности изменения активности перекисного окисления липидов и активности катепсина D в культуре раковых клеток HeLa для наночастиц Fe/Fe3O4. На основании полученных результатов сделан вывод, что наночастицы Fe/Fe3O4 могут быть использованы в качестве противоопухолевой добавки, однако их активность зависит от массовой доли Fe3O4. Полученные корреляции необходимо учитывать при получении наночастиц железа и оксида железа для воздействия на раковые клетки.

Introduction. The application of iron and iron oxide nanoparticles for cancer therapy is a promising strategy due to their high surface area, chemical stability, low toxicity and high biological activity against cancer cells. The mechanism of iron oxide-induced toxicity against cells is the production of reactive oxygen species. the investigation of the molecular mechanisms of the effect of particles on cells and the assessment of the influence of the mass ratio of iron to iron oxide on the lipid peroxidation parameters is of great importance for their application. Goals and Objectives: to synthesize core-shell Fe/Fe3O4 nanoparticles to study the effect of iron oxide and iron mass fraction on Hela cell viability and the content of malondialdehyde, bityrosine, catalase, superoxide dismutase and cathepsin D activity and analyze the oxidative modification of proteins in HeLa cancer cell line. Material and Methods. Core-shell Fe/Fe3O4 nanoparticles with an iron oxide mass ratio from 5 to 90 wt. % were synthesized using the electrical explosion of wires in an oxygen-containing atmosphere. Results. The resulting nanomaterials contained a phase composition of Fe, Fe3O4 and FeO, and their biological impact was evaluated by measuring lipid peroxidation levels through standard biochemical assays. The average particle size was approximately 60−80 nm, and the zeta potential of the particles increased from 0.47 to 6.37 mV with increasing mass fraction of iron oxide. The cytotoxicity of the core-shell Fe/Fe3O4 nanoparticles towards HeLa cancer cells was evaluated by an MTT assay and lipid peroxidation parameter determination. The Fe/Fe3O4 nanoparticles with Fe3O4 mass ratio of 40% was found to have a significant effect on the lipid peroxidation intensity, however a maximal protein oxidative modifications accumulation was observed. The correlations obtained need to be taken into account when obtaining iron and iron oxide nanoparticles for cancer treatment. Conclusion. We identified changes in lipid peroxidation and cathepsin D activity in HeLa cancer cell cultures induced by Fe/Fe3O4 nanoparticles. Based on these results, we concluded that Fe/Fe3O4 nanoparticles can be used as an antitumor additive, however their activity depended on Fe3O4 mass ratio. These findings are essential for producing iron and iron oxide nanoparticles for cancer cell targeting.

линия клеток HeLaнаночастицы оксида железананочастицы железаперекисное окисление липидовкаталазакатепсин D

HeLa cell lineiron oxide nanoparticlesiron nanoparticleslipid peroxidationcatalasecathepsin D

Работа выполнена в рамках деятельности Научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» (соглашение № 075-15-2025-589 от 25.06.2025).

The work was carried out within the framework of the world-class research center “New Special Purpose Materials”, agreement No. 075-15-2025-589, June 25, 2025.

References1

Yoonus J., Resmi R., Beena B. Evaluation of antibacterial and anticancer activity of green synthesized iron oxide (a-Fe2O3) nanoparticles. Mat Today Proc. 2021; 46: 2969-74. doi: 10.1016/j.m2atp3r.2020.12.426

Sachdeva V., Monga A., Vashisht R., Singh D., Singh A., Bedi N. Iron Oxide Nanoparticles: The precise strategy for targeted delivery of genes, oligonucleotides and peptides in cancer therapy. J Drug Deliv Scie Technol. 2022; 74: 103585. doi: 10.1016/j.jddst.2022.103585.

Qiao R., Fu C., Forgham H., Javed I., Huang X., Zhu J., Whittaker A.K., Davis T.P. Magnetic iron oxide nanoparticles for brain imaging and drug delivery. Adv Drug Deliv Rev. 2023; 197: 114822. doi: 10.1016/j.addr.2023.114822.

Martin M.J., Azcona P., Lassalle V., Gentili C. Doxorubicin delivery by magnetic nanotheranostics enhances the cell death in chemoresistant colorectal cancer-derived cells. Eur J Pharm Scie. 2021; 158: 105681. doi: 10.1016/j.ejps.2020.105681.

Nabavinia M., Beltran-Huarac J. Recent progress in iron oxide nanoparticles as therapeutic magnetic agents for cancer treatment and tissue engineering. ACS Appl Bio Mat. 2020; 3(12): 8172-87. doi: 10.1021/acsabm.0c00947.

Raoof F., Munawar A., Ahmad M., Rizvi S.F.A., Ali Z., Shahid A.B. Multifunctional iron oxide nanocarriers synthesis for drug delivery, diagnostic imaging, and biodistribution study. Appl Biochem Biotechnol. 2023; 195(7): 4469-84. doi: 10.1007/s12010-023-04345-9.

Gao H., Bai Y., Jia Y., Zhao Y., Kang R., Tang D., Dai E. Ferroptosis is a lysosomal cell death process. Biochem Biophys Res Commun. 2018; 503(3): 1550-56. doi: 10.1016/j.bbrc.2018.07.078.

Szlasa W, Gachowska M., KiszkaK., Rakoczy K., KielbikA., Wala K., Puchala J., Chorqzykiewicz K., Saczko J., Kulbacka J. Iron chelates in the anticancer therapy. Chem Papers, 2022; 76: 1285-94. doi: 10.1007/s11696-021-02001-2.

Sidiropoulou E., Feidantsis K., Kalogiannis S., Gallios G.P., Kas-trinaki G., Papaioannou E., Vdclav^kovd M., Kaloyianni M. Insights into the toxicity of iron oxides nanoparticles in land snails. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2018; 206-207: 1-10. doi: 10.1016/j.cbpc.2018.02.001.

Wang Y., Yu L., Ding J., Chen Y. Iron metabolism in cancer. Int. J. Molec. Scie. 2018; 20(1): 95. doi: 10.3390/ijms20010095.

Magtanong L., Mueller G.D., Williams K.J., Billmann M., Chan K., Armenta D.A., Pope L.E., Moffat J., Boone C., Myers C.L., Olzmann J.A., Bensinger S.J., Dixon S.J. Context-dependent regulation of ferroptosis sensitivity. Cell Chem Biol. 2022; 29(9): 1409-18.e6. doi: 10.1016/j.chembiol.2022.06.004.

Shah A., Sun H., Qiao Z., Khan M.U., Ali N., Gao C.Amir J., Ale-ena S., Kashif S. Synthesis of iron oxide nanoparticles and its antimicrobial, anticancer, anti-inflammatory, wound healing, and immunomodulatory activities-A Review. Phytopharm Res J. 2025; 3(3): 1-28.

Alphandery E. Bio-synthesized iron oxide nanoparticles for cancer treatment. Int J Pharm. 2020; 586: 119472. doi:10.1016/j.ijpharm.2020.119472

Zhou X., Shi Y., Ren L., Bao S., Han Y., Wu S., Zhang H., Zhong L., Zhang Q. Controllable synthesis, magnetic and biocompatible properties of Fe3O4 and a-Fe2O3 nanocrystals. J Solid State Chem. 2012; 196: 138-44. doi: 10.1016/j.jssc.2012.05.025.

Siddiqui M.A., Wahab R., Saquib Q., Ahmad J., Farshori N.N., Al-Sheddi E.S., Al-Khedhairy A.A. Iron oxide nanoparticles induced cytotoxicity, oxidative stress, cell cycle arrest, and DNA damage in human umbilical vein endothelial cells. J Trace Element Med Biol. 2023; 80: 127302. doi: 10.1016/j.jtemb.2023.127302.

Luo C., Li X., Yan H., Guo Q., Liu J., Li Y. Iron oxide nanoparticles induce ferroptosis under mild oxidative stress in vitro. Scie Rep. 2024; 14(1): 31383. doi: 10.1038/s41598-024-82917-3.

Sidhic J., Aswathi M.K., Prasad A., Tom A., Mohan P., Sarba-dhikary P., Narayanankutty A., George S., Abrahamse H., George B.P. Advancements in metal and metal oxide nanoparticles for targeted cancer therapy and imaging: Mechanisms, applications, and safety concerns. J Drug Deliv Scie Technol. 2025. 105: 106622. doi: 10.1016/j.jddst.2025.106622.

Morales M., Xue X. Targeting iron metabolism in cancer therapy. Theranostics. 2021; 11(17): 8412-29. doi: 10.7150/thno.59092.

Liang H., Guo J., Shi Y., Zhao G., Sun S., Sun X. Porous yolkshell Fe/Fe3O4 nanoparticles with controlled exposure of highly active Fe(0) for cancer therapy. Biomat. 2021; 268: 120530. doi: 10.1016/j.biomaterials.2020.120530.

Domac B.H., AlKhatib S., Zirhli O., Akdogan N.G., Ogal Dirican §.C., Bulut G., Akdogan O. Effects of PEGylated Fe-Fe3O4 core-shell nanoparticles on NIH3T3 and A549 cell lines. Heliyon. 2019; 6(1): e03124. doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e03124.

Shan K., Feng N., Zhu D., Qu H., Fu G., Li J., Cui J., Chen H., Wang R., Qi Y., Chen Y.Q. Free docosahexaenoic acid promotes ferrop-totic cell death via lipoxygenase dependent and independent pathways in cancer cells. Eur J Nutr. 2022; 61(8): 4059-75. doi: 10.1007/s00394-022-02940-w.

Rego A., Ribeiro A., Corte-Real M., Chaves S.R. Monitoring yeast regulated cell death: trespassing the point of no return to loss of plasma membrane integrity. Apoptosis. 2022; 27(9-10): 778-86. doi: 10.1007/s10495-022-01748-7.

Bakina O.V., Ivanova L.Y., Toropkov N.E., Senkina E.I., Lerner M.I., Glazkova E.A., Krinitsyn M.G. Core-Shell Fe-Fe3O4 Nanoparticles for Synthesizing PLA Composites with Low Toxicity and High Radiopacity. Phys Mesomech. 2022; 25(3): 270-78. doi: 10.1134/S1029959922030079.

Aksu Demirezen D., Yilmaz Demirezen Yilmaz D., Yildiz Y.§. Green synthesis of iron oxide nanoparticles using Ceratonia siliqua L. aqueous extract: improvement of colloidal stability by optimizing synthesis parameters, and evaluation of antibacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria. Int J Mater Res. 2022; 113(10): 849-61. doi: 10.1515/ijmr-2022-0037.

Al-Harbi L.M., Darwish M.S. Functionalized iron oxide nanoparticles: synthesis through ultrasonic-assisted co-precipitation and performance as hyperthermic agents for biomedical applications. Heliyon. 2022; 8(6). doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e09654.

Puthukkara P.A.R., Jose T.S., Lal S.D. Plant mediated synthesis of zero valent iron nanoparticles and its application in water treatment. J Env Chem Eng. 2021; 9: 104569. doi: 10.1016/j.jece.2020.104569.

Armendariz-Ontiveros M.M., Romero-Cortes T., Perez Espana VH., Cuervo-Parra J.A., Peralta-Gil M., Martinez Macias M.D.R., Fimbres Weihs G.A. Simulation of biofouling caused by Bacillus halotolerans MCC1 on FeNP-coated RO membranes. Processes. 2025; 13(5): 1422. doi: 10.3390/pr13051422.

Ju H., Liu Y., Wang Y., Lu R., Yang B., Wang D., Wang, J. The cellular response and molecular mechanism of superoxide dismutase interacting with superparamagnetic iron oxide nanoparticles. NanoImpact. 2024; 35: 100515. doi: 10.1016/j.impact.2024.100515.

Barros J. A., Batista J.G., de Moraes Zamarion V, Lugao A.B. Protein Crosslinking Onto Gold Nanoparticles by the Use of Gamma Radiation. Acta Scie Pharm Scie. 2022; 6(3): 13-19.

Kuchma E.A., Zolotukhin P.V., Belanova A.A., Soldatov M.A., Kozakov A.T., Kubrin S.P., Polozhentsev O.E., Medvedev P.V., Soldatov A.V. Effect of synthesis conditions on local atomic structure and properties of low-toxic maghemite nanoparticles for local magnetic hyperthermia in oncology. J Nanopart Res. 2022; 24(2): 25. doi: 10.1007/s11051-021-05393-0.

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