Наночастицы городской пыли вызывают провоспалительную активацию клеток бронхиального эпителия человека

Аннотация

Загрязнение атмосферного воздуха остаётся актуальной экологической проблемой, в значительной степени связанной с воздействием городской пыли, содержащей взвешенные твёрдые частицы различного происхождения и состава. Особую опасность для здоровья человека представляют мелкодисперсные частицы диаметром менее 2,5 мкм (PM_2,5) и наночастицы (НЧ) диаметром менее 100–200 нм. В настоящей работе впервые проанализировано влияние НЧ городской пыли на провоспалительную активацию клеток бронхиального эпителия человека. Установлено, что нетоксичные концентрации НЧ вызывают значительное повышение уровня мРНК провоспалительных маркеров ИЛ‑8, ИЛ‑1β, ИЛ‑6 и ICAM‑1, а также увеличивают секрецию цитокинов ИЛ‑8 и ИЛ‑6. Термическая обработка НЧ пыли, удаляющая их органические компоненты, полностью блокировала их способность повышать секрецию цитокинов. В то же время повышение уровня мРНК провоспалительных маркеров под действием НЧ пыли зависело как от органических соединений, сорбированных на их поверхности, так и от неорганических компонентов.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

Б.В. Черняк – идея и концепция работы. Р.А. Зиновкин – написание текста, руководство работой. Л.А. Зиновкина, А.А. Дашкевич и А.И. Иванеев выполнили подготовку материала, проведение экспериментов и анализ данных. А.И. Иванеев, М.С. Ермолин и П.С. Федотов обеспечили подготовку наночастиц и выполнили окончательное редактирование текста.

Финансирование

Экспериментальная часть работы выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ 23-14-00084. Анализ данных, обработка результатов и подготовка текста статьи осуществлялись в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова (тема № АААА-А19-119031390114-5).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Ольге Юрьевне Плетюшкиной за неоценимую помощь в работе.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Данная статья не содержит описания исследований с участием животных или людей, проведённых кем-либо из авторов.

Список литературы

1. Zhang, R., Wang, G., Guo, S., Zamora, M. L., Ying, Q., Lin, Y., Wang, W., Hu, M., and Wang, Y. (2015) Formation of urban fine particulate matter, Chem. Rev., 115, 3803-3855, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00067.

2. Zou, Y., Wu, Y., Wang, Y., Li, Y., and Jin, C. (2017) Physicochemical properties, in vitro cytotoxic and genotoxic effects of PM1.0 and PM2.5 from Shanghai, China, Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 24, 19508-19516, https://doi.org/10.1007/s11356-017-9626-9.

3. Manisalidis, I., Stavropoulou, E., Stavropoulos, A., and Bezirtzoglou, E. (2020) Environmental and health impacts of air pollution: a review, Front. Public Health, 8, 14, https://doi.org/10.3389/fpubh.2020.00014.

4. Li, T., Yu, Y., Sun, Z., and Duan, J. (2022) A comprehensive understanding of ambient particulate matter and its components on the adverse health effects based from epidemiological and laboratory evidence, Part Fibre Toxicol., 19, 67, https://doi.org/10.1186/s12989-022-00507-5.

5. Lelieveld, J., Haines, A., and Pozzer, A. (2018) Age-dependent health risk from ambient air pollution: a modelling and data analysis of childhood mortality in middle-income and low-income countries, Lancet Planet Health, 2, e292-e300, https://doi.org/10.1016/S2542-5196(18)30147-5.

6. Avramescu, M.-L., Casey, K., Levesque, C., Chen, J., Wiseman, C., and Beauchemin, S. (2024) Identification and quantification of trace metal(loid)s in water-extractable road dust nanoparticles using SP-ICP-MS, Sci. Total Environ., 924, 171720, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171720.

7. Li, X., and Liu, X. (2021) Effects of PM2.5 on chronic airway diseases: a review of research progress, Atmosphere (Basel), 12, 1068, https://doi.org/10.3390/atmos12081068.

8. Ivaneev, A. I., Ermolin, M. S., Zinovkin, R. A., Dashkevich, A. A., Zinovkina, L. A., Chernyak, B. V., and Fedotov, P. S. (2025) Separation and preparation of nanoparticles of urban dust for biological studies, Anal. Methods, 17, 440-449, https://doi.org/10.1039/d4ay01592d.

9. Pavlyuchenkova, A. N., Vorobjeva, N. V., Dashkevich, A. A., Zinovkina, L. A., Ivaneev, A. I., Ermolin, M. S., Fedotov, P. S., Zinovkin, R. A., Chelombitko, M. A., and Chernyak, B. V. (2024) Urban dust nanoparticles induce pro-inflammatory activation of neutrophils and macrophages, Moscow Univ. Biol. Sci. Bull., 79, 154-161, https://doi.org/10.3103/s0096392524601047.

10. Ivaneev, A., Brzhezinskiy, A., Karandashev, V., Fedyunina, N., Ermolin, M., and Fedotov, P. (2024) Nanoparticles of dust as an emerging contaminant in urban environments, Environ. Geochem. Health, 46, 367, https://doi.org/10.1007/s10653-024-02139-4.

11. Zinovkin, R. A., Romaschenko, V. P., Galkin, I. I., Zakharova, V. V., Pletjushkina, O. Y., Chernyak, B. V., and Popova, E. N. (2014) Role of mitochondrial reactive oxygen species in age-related inflammatory activation of endothelium, Aging, 6, 661-674, https://doi.org/10.18632/aging.100685.

12. Vandesompele, J., De Preter, K., Pattyn, F., Poppe, B., Van Roy, N., De Paepe, A., and Speleman, F. (2002) Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes, Genome Biol., 3, RESEARCH0034, https://doi.org/10.1186/gb-2002-3-7-research0034.

13. Mangini, M., Verde, A., Boraschi, D., Puntes, V. F., Italiani, P., and De Luca, A. C. (2021) Interaction of nanoparticles with endotoxin, Nanotoxicology, 15, 558-576, https://doi.org/10.1080/17435390.2021.1898690.

14. Gupta, M. N., and Roy, I. (2020) How corona formation impacts nanomaterials as drug carriers, Mol. Pharm., 17, 725-737, https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.9b01111.

15. Bianchi, M. G., Allegri, M., Chiu, M., Costa, A. L., Blosi, M., Ortelli, S., Bussolati, O., and Bergamaschi, E. (2017) Lipopolysaccharide adsorbed to the bio-corona of TiO2 nanoparticles powerfully activates selected pro-inflammatory transduction pathways, Front. Immunol., 8, 866, https://doi.org/10.3389/fimmu.2017.00866.

16. Li, Y., Shi, Z., Radauer-Preiml, I., Andosch, A., Casals, E., Luetz-Meindl, U., Cobaleda, M., Lin, Z., Jaberi-Douraki, M., Italiani, P., Horejs-Hoeck, J., Himly, M., Monteiro-Riviere, N. A., Duschl, A., Puntes, V. F., and Boraschi, D. (2017) Bacterial endotoxin (lipopolysaccharide) binds to the surface of gold nanoparticles, interferes with biocorona formation and induces human monocyte inflammatory activation, Nanotoxicology, 11, 1157-1175, https://doi.org/10.1080/17435390.2017.1401142.

17. Jacobsen, D. E., Montoya, M. M., Llewellyn, T. R., Martinez, K., Wilding, K. M., Lenz, K. D., Manore, C. A., Kubicek-Sutherland, J. Z., and Mukundan, H. (2024) Correlating transcription and protein expression profiles of immune biomarkers following lipopolysaccharide exposure in lung epithelial cells, PLoS One, 19, e0293680, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0293680.

18. Liu, C.-W., Lee, T.-L., Chen, Y.-C., Liang, C.-J., Wang, S.-H., Lue, J.-H., Tsai, J.-S., Lee, S.-W., Chen, S.-H., Yang, Y.-F., Chuang, T.-Y., and Chen, Y.-L. (2018) PM-induced oxidative stress increases intercellular adhesion molecule-1 expression in lung epithelial cells through the IL-6/AKT/STAT3/NF-κB-dependent pathway, Part Fibre Toxicol., 15, 4, https://doi.org/10.1186/s12989-018-0240-x.

19. Wang, G., Zhang, G., Gao, X., Zhang, Y., Fan, W., Jiang, J., An, Z., Li, J., Song, J., and Wu, W. (2020) Oxidative stress-mediated epidermal growth factor receptor activation regulates PM2.5-induced over-secretion of pro-inflammatory mediators from human bronchial epithelial cells, Biochim. Biophys. Acta Gen. Subj., 1864, 129672, https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2020.129672.

20. Rudnick, R. L., and Gao, S. (2003) Composition of the continental crust, in Treatise on Geochemistry, Elsevier, p. 1-64, https://doi.org/10.1016/b0-08-043751-6/03016-4.

21. Alekseenko, V., and Alekseenko, A. (2014) The abundances of chemical elements in urban soils, J. Geochem. Explor., 147, 245-249, https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.08.003.

22. Ekstrand-Hammarström, B., Magnusson, R., Osterlund, C., Andersson, B. M., Bucht, A., and Wingfors, H. (2013) Oxidative stress and cytokine expression in respiratory epithelial cells exposed to well-characterized aerosols from Kabul, Afghanistan, Toxicol. In Vitro, 27, 825-833, https://doi.org/10.1016/j.tiv.2012.12.022.