Toxicological ReviewToxicological ReviewТоксикологический вестник0869-7922Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman64142710.36946/0869-7922-2021-29-6-60-66Original articlesОригинальные статьиEffect of copper oxide nanoparticles on gene expression of NMDA receptorИзменение экспрессии генов рецептора NMDA под воздействием наночастиц оксида медиhttps://orcid.org/0000-0002-4109-9268SitnikovIvan AndreevichСитниковИван Андреевич
Russian Federation

Junior Researcher, Department of Molecular Biology and Electron Microscopy, FBRI YMRC PHPIW of Rospotrebnadzor, 620014, Yekaterinburg, Russia.

e-mail: sitnikovia@ymrc.ru

Младший научный сотрудник отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: sitnikovia@ymrc.ru

sitnikovia@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7029-3406ShaikhovaDaria RamilevnaШаиховаДарья Рамильевна
Russian Federation

Младший научный сотрудник отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: darya.boo@mail.ru

darya.boo@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8794-7288AmrominaAnna MikhailovnaАмроминаАнна Михайловна
Russian Federation

Младший научный сотрудник отдела молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: amrominaam@ymrc.ru

amrominaam@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642SutunkovaMarina PetrovnaСутунковаМарина Петровна
Russian Federation

Доктор медицинских наук, директор ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: sutunkova@ymrc.ru

sutunkova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479RyabovaYuliya VladimirovnaРябоваЮлия Владимировна
Russian Federation

Младший научный сотрудник отдела токсикологии и биопрофилактики ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: ryabova@ymrc.ru

ryabova@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9384-8550TazhigulovaAnastasiya ValerevnaТажигуловаАнастасия Валерьевна
Russian Federation

Лаборант-исследователь отдела токсикологии и биопрофилактики ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

e-mail: vasilyevaav@ymrc.ru

vasilyevaav@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8902-0416RuzakovVadim OlegovichРузаковВадим Олегович
Russian Federation

Помощник директора по развитию ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, г. Екатеринбург

 e-mail: ruzakov@ymrc.ru

ruzakov@ymrc.ruYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersФБУН «Екатеринбургский медицинский - научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека23122021296606604112024Copyright ©; 2021, Sitnikov I.A., Shaikhova D.R., Amromina A.M., Sutunkova M.P., Ryabova Y.V., Tazhigulova A.V., Ruzakov V.O.Copyright ©; 2021, Ситников И.А., Шаихова Д.Р., Амромина А.М., Сутункова М.П., Рябова Ю.В., Тажигулова А.В., Рузаков В.О.2021Sitnikov I.A., Shaikhova D.R., Amromina A.M., Sutunkova M.P., Ryabova Y.V., Tazhigulova A.V., Ruzakov V.O.Ситников И.А., Шаихова Д.Р., Амромина А.М., Сутункова М.П., Рябова Ю.В., Тажигулова А.В., Рузаков В.О.https://journals.eco-vector.com/0869-7922/article/view/641427

Introduction. Copper plays an important role in the metabolism of the brain, but particles of copper, in the nanometer range, exhibit neurotoxic properties and cause malfunctioning of brain cells.

Material and methods. For 6 weeks, 3 times a week, the animals were injected with a suspension of NPs of copper oxide. The determination of the expression of the genes GRIN1, GRIN2a, and GRIN2b, encoding the proteins GluN1, GluN2a, and GluN2b, respectively, was carried out by real-time PCR with probes.

Results. A statistically significant decrease in the expression level of genes encoding NMDA receptor proteins was determined when exposed to 0.5 mg/ml CuO nanoparticles (ΔCt(GRIN1) = 0.813; ΔCt(GRIN2A) = 3.477; ΔCt(GRIN2B) = 1.37) in comparison with control group (ΔCt(GRIN1) = 6.301; ΔCt(GRIN2A) = 7.823; ΔCt(GRIN2B) = 4.747).

Conclusion. Evaluation of gene expression of the NMDA receptor may be present in a genetic marker to determine the toxic effect of copper oxide nanoparticles; however, further studies are needed, including behavioral tests to confirm the clinical manifestations of neurodegenerative disorders.

Введение. Медь играет важную роль в метаболизме мозга, однако частицы меди нанометрового диапазона могут проявлять нейротоксические свойства и вызывать нарушения работы клеток мозга. 

Материал и методы. В течение 6 нед 3 раза в неделю внутрибрюшинно животным вводили суспензию НЧ оксида меди. Определение экспрессии генов GRIN1, GRIN2a и GRIN2b, кодирующих белки GluN1, GluN2a и GluN2b, соответственно проводилось методом ПЦР в реальном времени с зондами.

Результаты. Определено статистически достоверное снижение уровня экспрессии генов, кодирующих белки рецептора NMDA, при воздействии наночастиц CuO 0,5 мг/мл (ΔCt(GRIN1) = 0,813; ΔCt(GRIN2A) = 3,477; ΔCt(GRIN2B) = 1,37) в сравнении с контрольной группой (ΔCt(GRIN1) = 6,301; ΔCt(GRIN2A) = 7,823; ΔCt(GRIN2B) = 4,747). 

Заключение. Оценка уровня экспрессии генов рецептора NMDA может быть использована в качестве генетического маркера для определения токсического действия наночастиц оксида меди, однако необходимы дальнейшие исследования, включающие проведение поведенческих тестов, которые позволили бы подтвердить наличие клинических проявлений нейродегенеративных расстройств.

nanoparticlescopper oxidegene expressionNMDA receptorsнаночастицыоксид медиэкспрессия геноврецепторы NMDAUlanova T.S., Antipyeva M.V., Zabirova M.I., Volkova M.V. Determination of nanoscale particles in the air of working zone at the metallurgical production. Analiz riska zdorovyu. 2015; 1: 77–81. (in Russian)Уланова Т.С., Антипьева М.В., Забирова М.И., Волкова М.В. Определение частиц нанодиапазона в воздухе рабочей зоны металлургического производства. Анализ риска здоровью. 2015; 1: 77-81.Gurvich V.B., Katznelson B.A., Ruzakov V.O., Privalova L.I., Bushueva T.V., Grebyonkina S.V. Biochemical effects of workers exposed to aerosols of metallurgical copper production containing nanoparticles. In: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation October 20–21, 2016 [Aktualnye gigienicheskie aspekty nanotoksikologii: teoreticheskie osnovy, identifikaciya opasnosti dlya zdorovya i puti ee snizheniya: Materialy mezhdunarodnoj konferencii 20–21 oktyabrya 2016 goda]. Ekaterinburg, 2016; 21–3. (in Russian)Гурвич В.Б., Кацнельсон Б.А., Рузаков В.О., Привалова Л.И., Бушуева Т.В., Гребёнкина С.В. Биохимические эффекты у рабочих, подвергающихся влиянию аэрозолей металлургического производства меди, содержащих наночастицы. Актуальные гигиенические аспекты нанотоксикологии: теоретические основы, идентификация опасности для здоровья и пути ее снижения: Материалы международной конференции 20-21 октября 2016 г. Екатеринбург; 2016: 21-23.Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B. et al. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017; 380: 72–93.Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B. et al. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017; 380: 72-93Khamidulina Kh.Kh., Davydova Yu.O. International approaches to the evaluation of the toxicity and hazards of nanoparticles and nanomaterials. Toksikologicheskii vestnik. 2011; 6: 53–7. (in Russian)Хамидулина Х.Х., Давыдова Ю.О. Международные подходы к оценке токсичности и опасности наночастиц и наноматериалов. Токсикологический вестник. 2011; 6: 53-7.Filatov B.N., Bocharova L.I., Klauchek V.V., Maslennikov A.A., Pocheptsov A.Ya., Tochilkina L.P. Production and use of nanomaterials (toxicological and hygienic problems). Farmakologiya. 2015; 16(1): 259–66. (in Russian)Филатов Б.Н., Бочарова Л.И., Клаучек В.В., Масленников А.А., Почепцов А.Я., Точилкина Л.П. Производство и применение наноматериалов (токсиколого-гигиенические проблемы). Фармакология. 2015; 16: 259-66.De Matteis V., Cascione M., Toma C.C., Pellegrino P., Rizzello L., Rinaldi R. Tailoring Cell Morphomechanical Perturbations Through Metal Oxide Nanoparticles. V. Nanoscale Res. Lett. 2019; 14(1): 109.Takenaka S., Karg E., Roth C., Schulz H., Ziesenis A., et al. Pulmonary and systemic distribution of inhaled ultrafine silver particles in rats. Environ Health Perspect. 2001; 109: 547–51.Takenaka S., Karg E., Roth C., Schulz H., Ziesenis A., Heinzmann U. et al. Pulmonary and systemic distribution of inhaled ultrafine silver particles in rats. Environ Health Perspect. 2001; 109: 547-51.Sharma H.S., Sharma A. Nanoparticles aggravate heat stress induced cognitive deficits, blood-brain barrier disruption, edema formation and brain pathology. Prog Brain Res. 2007; 162: 245–73.Sharma H.S., Sharma A. Nanoparticles aggravate heat stress induced cognitive deficits, blood-brain barrier disruption, edema formation and brain pathology. Prog Brain Res. 2007; 162: 245-73.Linder M.C., Hazegh-Azam M. Copper biochemistry and molecular biology. Am. J. Clin. Nutr. 1996; 63: 797–811.Linder M.C., Hazegh-Azam M. Copper biochemistry and molecular biology. Am. J. Clin. Nutr. 1996; 63: 797-811.Stys P.K., You H.T., Zamponi G.W. Copper-dependent regulation of NMDA receptors by cellular prion protein: implications for neurodegenerative disorders. J. Physiol. 2012; 590: 1357–68.Stys P.K., You H.T., Zamponi G.W. Copper-dependent regulation of NMDA receptors by cellular prion protein: implications for neurodegenerative disorders. J. Physiol. 2012; 590: 1357-68.Katsnelson B.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Makeev O.G., Shur V.J., Sutunkova M.P. et al. Method for prevention of adverse health effects of general toxic and genotoxic action of copper oxide nanoparticles. Patent RF; N 2560682 (in Russian).Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Гурвич В.Б., Макеев О.Г., Шур В.Я., Сутункова М.П. и соавт. Способ профилактики вредных эффектов общетоксического и генотоксического действия наночастиц оксида меди на организм. Патент РФ № 2560682; 2015Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress. Curr. Med. Chem. 2005; 12: 1161–208.Valko M., Morris H., Cronin M.T.D. Metals, toxicity and oxidative stress. Curr. Med. Chem. 2005; 12: 1161-208.Pal A., Badyal R.K., Vasishta R.K., Attri S.V., Thapa B.R., Prasad R. Biochemical, histological, and memory impairment effects of chronic copper toxicity: a model for non-wilsonian brain copper toxicosis in wistar rat. Biol. Trace Elem. Res. 2013; 153: 257–68.Pal A., Badyal R.K., Vasishta R.K., Attri S.V., Thapa B.R., Prasad R. Biochemical, histological, and memory impairment effects of chronic copper toxicity: a model for non-wilsonian brain copper toxicosis in wistar rat. Biol. Trace Elem. Res. 2013; 153: 257-68.Hung Y.H., Bush A.I., Cherny R.A. Copper in the brain and Alzheimer’s disease. J. Biol. Inorg. Chem. 2010; 15: 61–76.Hung Y.H., Bush A.I., Cherny R.A. Copper in the brain and Alzheimer’s disease. J. Biol. Inorg. Chem. 2010; 15: 61-76.Huang Y., Shen W., Su J., Cheng B., Li D., Liu G., Zhou W.X., Zhang Y.X. Modulating the Balance of Synaptic and Extrasynaptic NMDA Receptors Shows Positive Effects against Amyloid-beta-Induced Neurotoxicity. J Alzheimers Dis. 2017; 57: 885–97.Huang Y., Shen W., Su J., Cheng B., Li D., Liu G., Zhou W.X., Zhang Y.X. Modulating the Balance of Synaptic and Extrasynaptic NMDA Receptors Shows Positive Effects against Amyloid-beta-Induced Neurotoxicity. J Alzheimers Dis. 2017; 57: 885-97.MacDonald J.F., Jackson M.F., Beazely M.A. Hippocampal long-term synaptic plasticity and signal amplification of NMDA receptors. Crit Rev Neurobiol. 2006; 18: 71–84.MacDonald J.F., Jackson M.F., Beazely M.A. Hippocampal long-term synaptic plasticity and signal amplification of NMDA receptors. Crit Rev Neurobiol. 2006; 18: 71-84.Schlief M.L., West T., Craig A.M., Holtzman D.M., Gitlin J.D. Role of the Menkes copper-transporting ATPase in NMDA receptor-mediated neuronal toxicity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006; 103: 14919–24.Schlief M.L., West T., Craig A.M., Holtzman D.M., Gitlin J.D. Role of the Menkes copper-transporting ATPase in NMDA receptor-mediated neuronal toxicity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006; 103: 14919-24.Kalia L.V., Kalia S.K., Salter M.W. NMDA receptors in clinical neurology: excitatory times ahead. Lancet Neurol. 2008; 7: 742–55.Kalia L.V., Kalia S.K., Salter M.W. NMDA receptors in clinical neurology: excitatory times ahead. Lancet Neurol. 2008; 7: 742-55.Kotermanski S.E., Johnson J.W. Mg2+ imparts NMDA receptor subtype selectivity to the Alzheimer’s drug memantine. J Neurosci. 2009; 29: 2774–9.Kotermanski S.E., Johnson J.W. Mg2+ imparts NMDA receptor subtype selectivity to the Alzheimer’s drug memantine. J Neurosci. 2009; 29: 2774-9.Wang R., Reddy P.H. Role of Glutamate and NMDA Receptors in Alzheimer’s Disease. J Alzheimers Dis. 2017; 57: 1041–8.Wang R., Reddy P.H. Role of Glutamate and NMDA Receptors in Alzheimer’s Disease. J Alzheimers Dis. 2017; 57: 1041-8.Trofimov A.N., Rotov A.Yu., Veniaminova E.A., Fomalont K., Schwarz A.P., Zubareva O.E. Behavioral alterations of adult rats evoked by neonatal LPS injections are associated with changes of ionotropic glutamate receptors gene expression in the brain. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechenova. 2020; 106(3): 356–72. (in Russian)Трофимов А.Н., Ротов, А.Ю., Вениаминова, Е.А., Фомалонт К., Шварц А.П., Зубарева О.Е. Изменение поведения и экспрессии генов ионотропных рецепторов глутамата в мозге взрослых крыс после неонатальных введений бактериального липополисахарида. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2020; 106(3): 356-72Gielen M., Retchless B.S., Mony L., Johnson J.W., Paoletti P. Mechanism of differential control of NMDA receptor activity by NR2 subunits. Nature. 2009; 459(7247): 703–7.Gielen M., Retchless B.S., Mony L., Johnson J.W., Paoletti P. Mechanism of differential control of NMDA receptor activity by NR2 subunits. Nature. 2009; 459(7247): 703-7.Hansen K.B., Yi F., Perszyk R.E., Furukawa H., Wollmuth L.P., Gibb A.J., Traynelis S.F. Structure, function, and allosteric modulation of NMDA receptors. Journal of General Physiology. 2018; 150(8): 1081–105.Hansen K.B., Yi F., Perszyk, R.E., Furukawa H., Wollmuth L.P., Gibb A.J., Traynelis S.F. Structure, function, and allosteric modulation of NMDA receptors. Journal of General Physiology. 2018; 150(8): 1081-105.Paoletti P., Bellone C., Zhou Q. NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat. Rev. Neurosci. 2013; 14: 383–400.Paoletti P., Bellone C., Zhou Q. NMDA receptor subunit diversity: impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nat. Rev. Neurosci. 2013; 14: 383-400.Omelchenko I.A., Nelson C.S., Allen C.N. Lead inhibition of Nmethyl-D-aspartate receptors containing NR2A, NR2C and NR2D subunits. J Pharmacol Exp Ther. 1997; 282(3): 1458–64.Omelchenko I.A., Nelson C.S., Allen C.N. Lead inhibition of Nmethyl-D-aspartate receptors containing NR2A, NR2C and NR2D subunits. J Pharmacol Exp Ther. 1997; 282(3): 1458-64.Hong F., Sheng L., Ze Y., Hong J., Zhou Y., Wang L. et al. Suppression of neurite outgrowth of primary cultured hippocampal neurons is involved in impairment of glutamate metabolism and NMDA receptor function caused by nanoparticulate TiO2. Biomaterials. 2015; 53: 76–85.Hong F., Sheng L., Ze Y., Hong J., Zhou Y., Wang L. et al. Suppression of neurite outgrowth of primary cultured hippocampal neurons is involved in impairment of glutamate metabolism and NMDA receptor function caused by nanoparticulate TiO2. Biomaterials. 2015; 53: 76-85.Li X., Sun W., An L. Nano-CuO impairs spatial cognition associated with inhibiting hippocampal long-term potentiation via affecting glutamatergic neurotransmission in rats. Toxicology and Industrial Health. 2018; 34(6): 409–21.Li X., Sun W., An L. Nano-CuO impairs spatial cognition associated with inhibiting hippocampal long-term potentiation via affecting glutamatergic neurotransmission in rats. Toxicology and Industrial Health. 2018; 34(6): 409-21.Stark D.T., Bazan N.G. Synaptic and extrasynaptic NMDA receptors differentially modulate neuronal cyclooxygenase-2 function, lipid peroxidation, and neuroprotection. Journal of Neuroscience. 2011; 31(39): 13710–21.Stark D.T., Bazan N.G. Synaptic and extrasynaptic NMDA receptors differentially modulate neuronal cyclooxygenase-2 function, lipid peroxidation, and neuroprotection. Journal of Neuroscience. 2011; 31(39): 13710-21.An L., Liu S., Yang Z. et al. Cognitive impairment in rats induced by nano-CuO and its possible mechanisms. Toxicology Letters. 2012; 213(2): 220–7.An L., Liu S., Yang Z. et al. Cognitive impairment in rats induced by nano-CuO and its possible mechanisms. Toxicology Letters. 2012; 213(2): 220-7.