APPLICATION OF RAMAN SPECTROSCOPY FOR STUDYING THE MECHANISMS OF NEUTROPHIL ACTIVATION BY CARBON NANOTUBES
Abstract
Using the Raman spectroscopy method we determined the mechanisms of neutrophil activation under the interaction with multi-walled сarbon nanotubes (MWCNTs) functionalized by the COOH groups (MWCNT-COOH) and in complexes with DNA (MWCNT-COOH/DNA). It was revealed that short (100–300 nm) MWCNT-COOH and MWCNT-COOH/DNA, when interacting with neutrophils, cause cytoskeleton reorganization, namely, they activate G-actin polymerization to F-actin in cells. Raman spectroscopy revealed that the investigated CNTs are not phagocytosed by neutrophils. MWCNT-COOH enhance the generation of reactive oxygen and chlorine species by neutrophils, which is confirmed by increasing the NADPH oxidase activity in the cell suspension. The interaction of neutrophils with MWCNT-COOH/DNA leads to the inhibition of the phagocyte oxygen-activating ability and to the formation of neutrophilic extracellular traps with the inclusion of carbon nanostructures. The free radical products generated by neutrophils disrupt the crystal structure of MWCNTs.
About the Authors
L. N. GolubewaBelarus
Minsk, 220006
T. A. Kulahava
Belarus
Minsk, 220006;
Minsk, 220030
Y. S. Leonik
Belarus
Minsk, 220030
M. V. Shuba
Belarus
Minsk, 220006
G. N. Semenkova
Belarus
Minsk, 220030
References
1. K. D. Patel, R. K. Singh, H.-W. Kim. Mater. Horiz., 6 (2019) 434—469
2. M. Taale, F. Schütt, K. Zheng, Y. Kumar Mishra, A. R. Boccaccini, R. Adelung, C. SelhuberUnkel. ACS Appl. Mat. Interf., 10, N 50 (2018) 43874—43886
3. H. V. Grushevskaya, V. V. Hrushevsky, N. G. Krylova, T. A. Kulahava, I. V. Lipnevich, T. I. Orekhovskaya, G. N. Semenkova, B. G. Shulitsky. Int. J. Nonlin. Phen. in Complex Sys., 13, N 4 (2010) 396—408
4. I. A. Chelnokova, L. N. Golubewa, M. N. Starodubtseva, T. A. Kulahava, Y. N. Kunitskaya, P. M. Bulai, I. E. Starodubtsev, Yu. S. Kharin, M. V. Shuba. J. Nanopart. Res., 22, N 144 (2020)
5. Е. Н. Голубева, М. В. Шуба, Н. В. Васильев, Т. А. Кулагова. Журн. прикл. спектр., 85, № 6 (2018) 999—1005 [E. N. Golubewa, M. V. Shuba, M. V. Vasilieu, T. A. Kulahava. J. Appl. Spectr., 85, N 6 (2018) 1121—1127]
6. L. Golubewa, T. Kulahava, Y. Kunitskaya, P. Bulai, M. Shuba, R. Karpicz. BBRC, 529, N 3 (2020) 647—651
7. B. S. Wong, S. L. Yoong, A. Jagusiak, T. Panczyk, H. K. Ho, W. H. Ang, G. Pastorin. Adv. Drug. Deliv. Rev., 65, N 15 (2013) 1964—2015
8. A. M. Elhissi, W. Ahmed, I. U. Hassan, V. R. Dhanak, A. D’Emanuele. J. Drug Deliv. (2012) 837327
9. H. K. Moon, S. H. Lee, H. C. Choi. ACS Nano, 3, N 11 (2009) 3707—3713
10. L. Golubewa, I. Timoshchenko, O. Romanov, R. Karpicz, T. Kulahava, D. Rutkauskas, M. Shuba, A. Dementjev, Y. Svirko, P. Kuzhir. Sci. Rep., 10, N 1 (2020) 22174
11. E. Kolaczkowska, P. Kubes. Nat. Rev. Immunol., 13 (2013) 159—175
12. Е. И. Коваленко, Г. Н. Семенкова, С. Н. Черенкевич. Цитология, 49, N 10 (2007) 837—847
13. G. N. Semenkova, S. N. Cherenkevich, V. I. Levin, A. I. Svirnovskiĭ. Biofizika, 30, N 5 (1985) 864—867
14. V. Brinkmann, U. Reichard, C. Goosmann, B. Fauler, Y. Uhlemann, D. S. Weiss, Y. Weinrauch, A. Zychlinsky. Science, 303 (2004) 1532—1535
15. V. Papayannopoulos. Nat. Rev. Immunol., 18 (2018) 134—147
16. В. Н. Мальцева, В. Г. Сафронова. Цитология, 51, N 6 (2009) 467—474
17. M. Graf, R. Prins, R. Merchant. J. Immunol., 166 (2001) 121—129
18. E. Di Carlo, G. Forni, P. L. Lollini, M. P. Colomobo, A. Modesti, P. Musiani. Blood, 97 (2001) 339—345
19. K. Watari, A. Tojo, T. Nagamura-Inoue, M. Matsuoka, S. Irie, K. Tani, Y. Yamada, S. Asano. Cancer, 89 (2000) 551—560
20. Z. Sun, P. Yang. Lancet Oncol., 5 (2004) 182—190
21. Q. D. Wu, J. H. Wang, C. Condron, D. Bouchier-Hayes, H. P. Redmond. Am. J. Physiol. Cell. Physiol., 280 (2001) 814—822
22. S.-C. Hung, N. Rajasekaran, S. Zhu, Z. Ma, E. Ghosn, E. D. Mellins J. Immunol., 200, 1 Suppl. (2018) 175.23
23. C. Farrera, K. Bhattacharya, B. Lazzaretto, F. T. Andón, K. Hultenby, G. P. Kotchey, A. Star, B. Fadeel. Nanoscale, 6 (2014) 6974—6983
24. M. Pacurari, X. J. Yin, J. Zhao, M. Ding, S. S. Leonard, D. Schwegler-Berry, B. S. Ducatman, D. Sbarra, M. D. Hoover, V. Castranova, V. Vallyathan. Environ. Health Perspect., 116, N 9 (2008) 1211—1217
25. Y. Jiang, H. Zhang, Y. Wang, M. Chen, S. Ye, Z. Hou, L. Ren. PLoS One., 8, N 6 (2013) е65756
26. F. A. Murphy, C. A. Poland, R. Duffin, K. T. Al-Jamal, H. Ali-Boucetta, A. Nunes, F. Byrne, A. Prina-Mello, Y. Volkov, S. Li, S. J. Mather, A. Bianco, M. Prato, W. MacNee, W. A. Wallace, K. Kostarelos, H. Donaldson. Am. J. Pathol., 178 (2011) 2587—2600
27. M. S. P. Boyles, L. C. Stoehr, P. Schlinkert, M. Himly, A. Duschl. Fibers, 2, N 1 (2014) 45—74
28. I. Fenoglio, E. Aldieri, E. Gazzano, F. Cesano, M. Colonna, D. Scarano, G. Mazzucco, A. Attanasio, Y. Yakoub, D. Lison, B. Fubini. Chem. Res. Toxicol., 25, N 1 (2012) 74—82
29. J. Dong, D. W. Porter, L. A. Batteli, M. G. Wolfarth, D. L. Richardson, Q. Ma. Arch. Toxicol., 89, N 4 (2015) 621—633
30. M. V. Shuba, A. G. Paddubskaya, P. P. Kuzhir, S. A. Maksimenko, V. Ksenevich, G. Niaura, D. Seliuta, I. Kašalynas, G. Valusis. Nanotechnol., 23 (2012) 495714
31. Н. В. Глебова, А. А. Нечитайлов. Письма в ЖТФ, 36, N 19 (2010) 45—50
32. Н. В. Васильев, М. В. Шуба, Е. Н. Голубева, Т. А. Кулагова, С. Н. Черенкевич. Cб. статей XII съезда БООФиБ “Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем”, 28—30 июня 2016 г., 2, Минск, изд. центр БГУ (2016) 229—233
33. A. Boyum. Tissue Antigens, 4 (2004) 269—274
34. Ю. А. Владимиров, Е. В. Проскурина. Успехи биол. химии, 49 (2009) 341—388
35. T. Kuznetsova, T. Kulahava, I. Zholnerevich, N. Amaegberi, G. Semenkova, O. Shadyro, J. Arnhold. Mol. Immunol., 87 (2017) 317—324
36. C. G. Atkins, K. Buckley, M. W. Blades, R. F. B. Turner. Appl. Spectrosc., 71, N 5 (2017) 767—793
37. N. M. Sijtsema, A. G. J. Tibbe, G. M. J. Segers-Nolten, A. J. Verhoeven, R. S. Weening, J. Greve, C. Otto. Biophys. J., 78 (2000) 2606—2613
38. H. J. Van Manen, N. Uzunbajakava, R. van Bruggen, D. Roos, C. Otto. J. Am. Chem. Soc., 125, N 40 (2003) 12112—12113
39. A. G. Masyutin, D. V. Bagrov, I. I. Vlasova, I. I. Nikishin, D. V. Klinov, K. A. Sychevskaya, G. E. Onishchenko, M. V. Erokhina. Nanomaterials, 8, N 9 (2018) 715
40. D. W. Shipp, F. Sinjab, I. Notingher. Adv. Opt. Photonic., 9, N 2 (2017) 315—428
41. V. Jaumouillé, S. Grinstein. Curr. Opin. Cell Biol., 23 (2011) 22—29
42. M. S. Boyles, L. Young, D. M. Brown, L. MacCalman, H. Cowie, A. Moisala, F. Smail, P. J. Smith, L. Proudfoot, A. H. Windle, V. Stone. Toxicol. In Vitro, 29, N 7 (2015) 1513—1528
43. I. Fenoglio, E. Aldieri, E. Gazzano, F. Cesano, M. Colonna, D. Scarano, G. Mazzucco, A. Attanasio, Y. Yakoub, D. Lison, B. Fubini. Chem. Res. Toxicol., 25, N 1 (2012) 74—82
44. K. Futosi, S. Fodor, A. Mócsai. Int. Immunopharmacol., 17, N 3 (2013) 638—650
45. K. Pulskamp, S. Diabaté, H. F. Krug. Toxicol. Lett., 168, N 1 (2007) 58—74
46. B. Chen, Y. Liu, W. M. Song, Y. Hayashi, X. C. Ding, W. H. Li. Biomed. Environ. Sci., 24, N 6 (2011) 593—601
47. A. Shvedova, A. Pietroiusti, B. Fadeel, V. Kagan. Toxicol. Appl. Pharmacol., 261, N 2 (2012) 121—133
48. J. K. Hurst, T. M. Loehr, J. T. Curnutte, H. Rosen. J. Biol. Chem., 266 (1991) 1627—1634
49. S. P. Mukherjee, B. Lazzaretto, K. Hultenby, L. Newman, A. F. Rodrigues, N. Lozano, K. Kostarelos, P. Malmberg, B. Fadeel. J. Chem., 4 (2018) 334—358
50. K. Bhattacharya, C. Sacchetti, R. El-Sayed, A. Fornara, G. P. Kotchey, J. A. Gaugler, A. Star, M. Bottini, B. Fadeel. Nanoscale, 6 (2014) 14686—14690
51. S. Keshavan, P. Calligari, L. Stella, L. Fusco, L. G. Delogu, B. Fadeel. Cell Death & Disease, 10, N 8 (2019) 569
Review
For citations:
Golubewa L.N., Kulahava T.A., Leonik Y.S., Shuba M.V., Semenkova G.N. APPLICATION OF RAMAN SPECTROSCOPY FOR STUDYING THE MECHANISMS OF NEUTROPHIL ACTIVATION BY CARBON NANOTUBES. Zhurnal Prikladnoii Spektroskopii. 2021;88(1):87-95. (In Russ.)