Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (5), 683–692
Physicochemical properties and biological activity of novel cerium oxide nanoparticles modified with pyrroloquinoline quinone
Elizaveta A. Zamyatina – Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia; sonyoru162@gmail.com
Olga A. Goryacheva – Saratov State University named after N. G. Chernyshevsky, Chemistry Institute, Saratov, Russia; olga.goryacheva.93@mail.ru
Nelli R. Popova – Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia; nellipopovaran@gmail.com
Corresponding author: Nelli R. Popova, nellipopovaran@gmail.com
DOI 10.17586/2220-8054-2024-15-5-683-692
ABSTRACT Nanoscale cerium oxide (CeO2) is a bioavailable inorganic nanozyme exhibiting pronounced redox activity and capable of acting as a delivery system for bioactive compounds. We have synthesized and characterized novel CeO2 nanoparticles modified with pyrroloquinoline quinone (CeO2@PQQ). TEM analysis revealed the diameter of the CeO2@PQQ NPs to be approximately 4 nm, with a hydrodynamic diameter of 62 nm (DLS). Furthermore, the zeta potential was found to be −38 mV (ELS), and FTIR analysis confirmed the adsorption of PQQ on the surface of CeO2 NPs. The results demonstrated that CeO2@PQQ NPs exhibited no cytotoxic effects on L929 cells within the concentration range of 0.1 – 10 μM and did not adversely affect the mitochondrial function of the cells. It was demonstrated that CeO2@PQQ NPs exhibited protective effects against L929 cells when induced with oxidative stress (200 μM H2O2), leading to preservation of cell mitochondrial potential levels up to 76 % of control and cell viability up to 78 % before and after incubation with CeO2@PQQ NPs. The results indicate that CeO2@PQQ NPs can be regarded as a novel hybrid nanosystem that exhibits mitochondrial-directed control of oxidative stress.
KEYWORDS nanoparticles, oxidative stress, reactive oxygen species, antioxidants, nanocrystalline cerium oxide, CeO2, pyrroloquinoline quinone, PQQ, mitochondria
ACKNOWLEDGEMENTS This research was funded by the Russian Science Foundation, grant No. 22-63-00082. TEM studies were performed using TEM from the Simbioz Center for the Collective Use of Research Equipment of Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms (IBPPM RAS).
FOR CITATION Zamyatina E.A., Goryacheva O.A., Popova N.R. Physicochemical properties and biological activity of novel cerium oxide nanoparticles modified with pyrroloquinoline quinone. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (5), 683–692.
[In Russian] Е.А. Замятина, О.А. Горячева, Н.Р. Попова
Физико-химические характеристики и биологическая активность новых наночастиц оксида церия, модифицированных пирролохинолинхиноном
АННОТАЦИЯ Наноразмерный оксид церия (CeO2) является биодоступным неорганическим нанозимом, проявляющим выраженную окислительно-восстановительную активность и способным выступать в роли системы доставки биоактивных соединений. Нами были синтезированы и охарактеризованы новые наночастицы (NPs) CeO2, модифицированные пирролохинолинхиноном (PQQ). Показано, что CeO2@PQQ NPs имеют размер до 4 нм (ТЭМ), гидродинамический диаметр составил 62 нм (DLS), дзета-потенциал -38 мВ, PQQ адсорбируется на поверхности CeO2 NPs (FTIR). Установлено, что в диапазоне концентраций 0,1-10 мкМ CeO2@PQQ NPs не оказывают цитотоксического эффекта на культуру клеток фибробластов мыши (L929), а также не оказывают негативного влияния на митохондриальную функцию L929. Было выявлено, что при индукции окислительного стресса (200 мкМ H2O2) CeO2@PQQ NPs проявляют защитное действие в отношении L929 в концентрациях 0,1-10 мкМ, приводя к сохранению уровня митохондриального потенциала клеток до 76% от контроля и жизнеспособности клеток до 78% до и после добавления наночастиц. Результаты работы позволяют рассматривать CeO2@PQQ NPs в качестве новой гибридной наносистемы для митохондриально-направленной борьбы с окислительным стрессом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА наночастицы, окислительный стресс, активные формы кислорода, антиоксиданты, нанокристаллический оксид церия, CeO2, пирролохинолинхинон, PQQ, митохондрии
