DOI: https://doi.org/10.20998/0821.2020.01.08

ОБГРУНТУВАННЯ ВИКОРИСТАННЯ БІОТЕХНОЛОГІЧНОЇ ТЕСТ-СИСТЕМИ НА ОСНОВІ PARAMECIUM CAUDATUM ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТОКСИЧНОСТІ ТА АНТИОКСИДАНТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

Daria Pylypenko, Maryna Rakitianska, Anton Komarov

Анотація


Розробка ефективних експрес-методів біотестування є актуальною задачею сучасної біотехнології. Біотестування полягає у реєстрації різниці між виживанням або здатністю до розмноження тест-об’єктів у досліджуваному і контрольному зразках. Перевагою біотестування є швидкість та простота проведення дослідження. В якості тест-об’єктів використовують ряд організмів природної екосистеми (рослинні та тваринні, одноклітинні та багатоклітинні організми). Одноклітинні інфузорії виду Paramecium caudatum є поширеним тест-об’єктом завдяки високій чутливості до змін навколишнього середовища; великим розмірам клітини, що забезпечує можливість спостереження за змінами морфології та руху клітини; простоті культивування. Ці характеристики Paramecium caudatum сприяють їх застосуванню в фундаментальних дослідженнях, у сфері екологічного контролю, а також для оцінки токсичності продуктів промисловості. Ступінь токсичного впливу досліджуваних речовин на Paramecium caudatum можна оцінити задовго до загибелі за різними реакціями клітин (зміна морфології та характеру руху). Перспективним є використання даної моделі у фармації. Застосування Paramecium caudatum для первинної оцінки біологічної активності антиоксидантних лікарських речовин дозволяє вирішити біоетичні питання, пов’язані із використанням лабораторних тварин. Дана модель продемонструвала свою ефективність для вивчення антиоксидантної активності ліпосомальних препаратів. Встановлено, що ліпідний склад ліпосомальних препаратів впливає на виживання культури у хронічному досліді. Антиоксидантна активність досліджуваних препаратів в дозі 50 мкг/мл зростала в ряду убіхінон<куркумін<кверцетин.

Ключові слова


біотестування; інфузоріх; Paramecium caudatum; оцінка токсичності; антиоксидантна активність; ліпосомальні препарати

Повний текст:

PDF

Посилання


Goncharuk V.V., Kovalenko V.F. Teoreticheskie aspekty biotestirovanija prirodnyh i pit'evyh vod. Himija i tehnologija vody. 2012. vol. 34, no. 2. pp. 171-178.

Ryzhkina I.S., Kiseleva Y.V., Murtazina L.I., Kuznetsova T.V., Zainulgabidinov E.R., Knyazev I.V., Petrov A.M., Kondakov S.E., Konovalov A.I. Diclofenac sodium aqueous systems at low concentrations: Interconnection between physicochemical properties and action on hydrobionts. J. of Environmental Sciences. 2020. vol. 88. pp. 177-186.

DSTU 4173:2003. Vyznachennia hostroi letalnoi toksychnosti na Daphnia magna Straus ta Ceriodaphnia affinis Lilljeborg (Cladocera, Crustacea). Kyiv: Derzhspozhyvstandart of Ukraine, 2004. 17 p.

DSTU 4174:2003. Vyznachennia khronichnoi toksychnosti khimichnykh rechovyn ta vody na Daphnia magna Straus i Ceriodaphnia affinis Lilljeborg (Cladocera,Crustacea). Kyiv: Derzhspozhyvstandart of Ukraine, 2004. 22 p.

GOST 31674-2012 Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metody opredelenija obshhej toksichnosti. M: Standartinform, 2014. 16 с.

Cheremnyh E.G., Kuleshin A.V., Kuleshina O.N. Biotestirovanie pishhevyh dobavok na infuzorijah. Vestnik RUDN. Ser.: Jekologija i bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2011. vol. 3. рр. 5-12.

Karami M., Shahrokhi S. S., Kazemi B., Moezzi, S. S. A new approach for aggregation of Paramecium caudatum by nitric oxide. Iranian J. of microbiology. 2013. vol. 5. no. 1. pp. 91–98.

Kryuchkova M., Danilushkina A., Lvovab Y., Fakhrullin R. Evaluation of toxicity of nanoclays and grapheme oxide in vivo: a Paramecium caudatum study. Environmental Science: Nano. 2016. vol. 3. pp. 442-452.

Karpuhina O.V., Inozemcev A.N., Gumargalieva K.Z. Citoprotektornye svojstva dipeptidnyh mimetikov faktora rosta nervov i mozgovogo nejrotroficheskogo faktora, GK-2 i GSB-106, v modeli okislitel'nogo stressa u infuzorij. Farmakokinetika i Farmakodinamika. 2018. vol. 4. рр. 37-41.

Volodina T. A. Obosnovanie optimal'nogo sostava kompozicij iz rastitel'nyh jekstraktov s ispol'zovaniem biologicheskogo testa na paramecijah. Omskij nauchnyj vestnik. 2012. vol. 2, no. 114. рр. 30-31

Fedorovska M. I., Polovko N. P., Strilets O. P. Vyvchennia antyoksydantnykh vlastyvostei dermatokosmetychnykh zasobiv z roslynnymy substantsiiamy na biolohichnii modeli Paramecium caudatum. Ukrainskyi biofarmatsevtychnyi zhurnal. 2018. vol. 2, no. 55. рр. 22-25.

Mayne R., Morgan J., Whiting J., Phillips N., Adamatzky A. On measuring nanoparticle toxicity and clearance with Paramecium caudatum. Scientific reports. 2019. no. 8957. 9 р. doi: 10.1038/s41598-019-45353-2

Uiterwaal S. F., Lagerstrom I. T., Luhring T. M., Salsbery M. E., DeLong, J. P. Trade-offs between morphology and thermal niches mediate adaptation in response to competing selective pressures. Ecology and evolution. 2020. vol. 10, no. 3. pp. 1368–1377.

Haga N., Haneda K. Paramecium as a bioassay system for elucidation of cytotoxicity and biocompatibility of nanoparticles: effects of carbon nanofibers on proliferation and survival. Japanese J. of Protozoology. 2007. vol. 40, no. 2. pp. 113-121.

Kawamoto K., Oashi T., Oami K., Liu W., Jin Y., Saito N., Sato I., Tsuda S. Perfluorooctanoic acid (PFOA) but not perfluorooctane sulfonate (PFOS) showed DNA damage in comet assay on Paramecium caudatum. J. of toxicological sciences. 2010. vol. 35, no. 6. pp. 835–841.

Heydarnejad M. S. Survival of Paramecium caudatum at Various pH Values and Under Normoxic and Hypoxic Conditions. Pakistan J. of Biological Sciences. 2008. vol. 11. pp. 392-397.

Karpuhina O. V., Gumargalieva K. Z., Inozemcev A. N. Osobennosti kinetiki rosta kul'tury Paramecium caudatum v modeli okislitel'nogo stressa. Vestnik Tehnologicheskogo Universiteta. 2015. vol. 10. рр. 9-11.

Chistjakova A. S., Slivkin A. I., Sorokina A. A., Ocenka membranstabilizirujushhego dejstvija preparatov travy gorca pochechujnogo. Vestnik VGU. Ser.: Himija. Biologija. Farmacija. 2014. vol. 4. рр. 140-143.

Zhukova C. I., Adel'shin F. K., Hrapova N. P. Sposob ocenki toksichnosti bakterial'nyh antigenov. Patent RF, no. 2281507, 2006.

Suezov R., Grishina P., Ponyaev A., Medvedskiy N., Eremin A. Relative cytotoxicity of complexes of platinum(II) and palladium(II) against pure cell culture Paramecium caudatum and human cell lines A431 and HaCaT. Mediterranean J. of Chemistry. 2018. vol. 7, no. 1. pp. 28-38.

Amanchi N. R., Hussain M. M. Cytotoxic effects of delfin insecticide (Bacillus thuringiensis) on cell behaviour, phagocytosis, contractile vacuole activity and macronucleus in a protozoan ciliate Paramecium caudatum. African J. of Biotechnology. 2008. vol. 7, no. 15. pp. 2637-2643.

Schlaepfer C. H., Wessel R. Excitable Membranes and Action Potentials in Paramecia: An Analysis of the Electrophysiology of Ciliates. J. of undergraduate neuroscience education : JUNE : a publication of FUN, Faculty for Undergraduate Neuroscience. 2015. vol. 14, no. 1, pp. A82–A86.

Kutomi O., Takemura M., Kamachi H., Noguchi M. Estimation of Effective Concentrations of ATP‐Regenerating Enzymes in Cilia of Paramecium caudatum. J. of Eukaryotic Microbiology. 2011. vol. 59, no. 1. pp. 49-53.

Johri P., Marinov G. K., Doak T. G., Lynch M. Population Genetics of Paramecium Mitochondrial Genomes: Recombination, Mutation Spectrum, and Efficacy of Selection. Genome biology and evolution. 2019. vol. 11, no. 5, pp. 1398–1416.

Gupta G. S., Kumar A., Senapati V. A., Pandey A. K., Shanker R., Dhawan A. Laboratory Scale Microbial Food Chain To Study Bioaccumulation, Biomagnification, and Ecotoxicity of Cadmium Telluride Quantum Dots. Environmental science technology. 2017. vol. 51, no. 3. pp. 1695–1706.

Flores E., Thompson L., Sirisaengtaksin N., Nguyen A. T., Ballard A., Krachler, A. M. Using the Protozoan Paramecium caudatum as a Vehicle for Food-borne Infections in Zebrafish Larvae. J. of Visualized Experiments. 2019. vol. 143. e58949. doi:10.3791/58949

Peterson T. S., Ferguson J. A., Watral V. G., Mutoji K. N., Ennis D. G., Kent M. L. Paramecium caudatum enhances transmission and infectivity of Mycobacterium marinum and M. chelonae in zebrafish Danio rerio. Diseases of aquatic organisms. 2013. vol. 106, no. 3. pp. 229–239.

Krenek S., Petzoldt T., Berendonk T. U. Coping with temperature at the warm edge--patterns of thermal adaptation in the microbial eukaryote Paramecium caudatum. PloS one. 2012. vol. 7, no. 3. e30598. doi: 10.1371/journal.pone.0030598

Yang J., Wei H., Yalin T., Alan W., Xiaofeng L., Jiqiu, L. Combined effects of food resources and exposure to ammonium nitrogen on population growth performance in the bacterivorous ciliate Paramecium caudatum. European J. of protistology. 2019. vol. 71. 125631. doi: 10.1016/j.ejop.2019.125631

Mansano A. S., Moreira R. A., Pierozzi M., Oliveira T., Vieira E. M., Rocha O., Regali-Seleghim M. H. Effects of diuron and carbofuran pesticides in their pure and commercial forms on Paramecium caudatum: The use of protozoan in ecotoxicology. Environmental pollution. 2016. vol. 213, pp. 160–172.

Yangora Y. M., Farooq S., Mustapha R. K., Savi M., Hamid H., Sonia H., Dutta J. Studies on the effect of chlorpyrifos (organophosphate) and cypermethrin (synthetic pyrethroid) on the growth of Paramecium. Bayero J. of Pure and Applied Sciences. 2017. vol. 10, no. 1. pp. 290 – 294.

Dalinova A., Chisty L., Kochura D., Garnyuk V., Petrova M., Prokofieva D., Yurchenko A., Dubovik V., Ivanov A., Smirnov S., Zolotarev A., Berestetskiy A. Isolation and Bioactivity of Secondary Metabolites from Solid Culture of the Fungus, Alternaria sonchi. Biomolecules. 2020.,vol. 10, 18 р. doi: 10.3390/biom10010081

Shadrin I.A. Toksikologicheskij analiz nekotoryh kormov po reakcii vyzhivaemosti infuzorij Paramecium caudatum. Vestnik KrasGAU. 2008. vol. 2. рр. 128-134 .

Kozhaeva V. B., Samsonov V. P. Sposob opredelenija toksichnosti vozduha po реакции инфузорий Paramecium caudatum. Patent RF, no. 2335770, 2008.

Shadrin I.A. Ocenka toksichnosti pochv razlichnyh rajonov g. Krasnojarska po reakcii vyzhivaemosti infuzorii Paramecium caudatum. Vestnik KrasGAU. 2007. vol. 3. рр. 116-122.

Shiny K.J., Remani K.N., Nirmala E., Jalaja T.K., Sasidharan V.K. Biotreatment of wastewater using aquatic invertebrates, Daphnia magna and Paramecium caudatum. Bioresource Technology. 2005. vol. 96, no. 1. pp. 55-58.

Kvitek L., Vanickova M., Panacek A., Soukupova J., Dittrich M., Valentova E., Prucek R., Bancirova M., Milde D., Zboril R. Initial Study on the Toxicity of Silver Nanoparticles (NPs) against Paramecium caudatum. The J. of Physical Chemistry C. 2009. vol. 113, pp. 4296–4300.

Mayne R., Whiting J., Adamatzky A. Toxicity and Applications of Internalised Magnetite Nanoparticles Within Live Paramecium caudatum Cells. BioNanoScience. 2018. vol. 8, no. 1. pp. 90–94.

Thomason H., Montagnes D. J. Developing a quick and inexpensive in vitro (non-animal) bioassay for mascara irritation. International J. of cosmetic science. 2014. vol. 36, no. 2. pp. 134–139.

Shourav, M. K., Kim, J. K. Long-Term Tracking of Free-Swimming Paramecium caudatum in Viscous Media Using a Curved Sample Chamber. Micromachines. 2018. vol. 9, no. 1. 7 р. doi: 10.3390/mi9010007

Wang S., Guo J., Ono T., Kool E. T. DNA polyfluorophores for real-time multicolor tracking of dynamic biological systems. Angewandte Chemie. 2012. vol. 51, no. 29. pp. 7176–7180.

Ogawa N., Oku H., Hashimoto K. Ishikawa M. Motile cell galvanotaxis control using high-speed tracking system. Pro-ceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation. 2004. vol. 2. pp. 1646-1651.

Zhukova C. I., F Adel'shin.K., Hrapova N.P., Piven' N.N., Proshina O.B., Zasjadkina A.V., Plehanova N.G., Avrorova I.V. Ispol'zovanie infuzorij Paramecium caudatum dlja ocenki toksichnosti antigenov vozbuditelej osobo opasnyh infekcij. Zhurnal mikrobiologii, jepidemiologii i immunobiologii. 2005. vol. 5. рр. 81-84.

Velichko V. P., Semenova E. F., Stojko T. G., Shpichka A. I., Moiseeva I. Ja. Toksichnost' rozovogo i jeremotecevogo masla v otnoshenii kul'tury Paramecium caudatum. Uchenye zapiski Krymskogo federal'nogo universiteta im. V. I. Vernadskogo. Ser.: Biologija, himija. 2015. vol. 1(67), no. 1. рр. 10–15.

Karpuhina O.V., Gumargalieva K.Z., Inozemcev A.N. Issledovanie metall-inducirovannogo okislitel'nogo stressa u odnokletochnyh organizmov. Fundamental'nye issledovanija - Biologicheskie nauki. 2013. vol. 11, no. 4. рр. 671-674.

Logvinova E. E., Brezhneva T. A., Slivkin A. I. Sravnitel'nyj analiz membranstabilizirujushhego dejstvija preparatov plodov rjabiny chernoplodnoj. Vestnik VGU. Ser.: Himija. Biologija. Farmacija. 2015. vol. 4. рр. 126-129.

Ogaj M. A., Stepanova Je. F., Holodov D. B., Nikolaevskij V. A. Antioksidantnyj i membranostabilizirujushhij jeffekt taurina. Vestnik VGU. Ser.: Himija. Biologija. Farmacija. 2011. vol. 1. рр. 186-191.

Wu D., Yan Y., Pei S., Zhang M. Inhibitory Effect of Three Heavy Metal Pollutants on Antioxidant Enzymes of Paramecium caudatum. Advanced Materials Research. 2014. vol. 1065-1069. pp. 3071-3076.

Morgunov I. G., Karpukhina O. V., Kamzolova S. V., Samoilenko V. A., Inozemtsev A. N. Investigation of the effect of biologically active threo-Ds-isocitric acid on oxidative stress in Paramecium caudatum. Preparative biochemistry biotechnology. 2018. vol. 48, no. 1. pp. 1–5.

Stepanova Je.F., Temirbulatova A.M, Voronova L.S., Zilfika-rov I.N. Razrabotka siropov kompozitnogo sostava s fitokomponentami adaptogennogo dejstvija. Nauchnye vedomosti. Ser.: Medicina. Farmacija. 2011. vol. 22 (117), no. 16/2. рр. 131-137

Trineeva O. V., Slivkin A. I. Issledovanie membran stabilizirujushhej, antioksidantnoj i antitoksicheskoj aktivnosti vodnyh izvlechenij iz lekarstvennogo rastitel'nogo syr'ja (na primere plodov oblepihi krushinovidnoj i list'ev krapivy dvudomnoj) na test-sisteme Paramecium caudatum. Vestnik VGU. Ser.: Himija. Biologija. Farmacija. 2016. vol. 1. рр. 165-169.

Trutaev I.B. Jeksperimental'noe izuchenie vlijanija sinteticheskih oligopeptidov na modeli svobodnozhivushhej infuzorii-tufel'ki Paramecium caudatum. Ukrainskyi biofarmatsevtychnyi zhurnal. 2011. vol. 5, no. 16. рр. 42-45.

Shahrokhi, S. S., Kesmati, M., Kazemi, B. Interaction of nicotine with morphine potency in Paramecium caudatum. Heliyon. 2019. vol. 5, no. 8. e02336. doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e02336

Kim V. Je., Stepanova Je. F. Jekspress-analiz biologicheskoj aktivnosti kompleksnogo fitoizvlechenija i razrabotka mikrokapsul na ego osnove. Vestnik VGU. Ser.: Himija. Biologija. Farmacija. 2015. vol. 4. рр. 122-125.

Puzyreva I.N., Ogaj M.A., Petrov A.Ju. Jekspress-analiz biologicheskoj aktivnosti kompozicii iz spirtovodnogo izvlechenija rastoropshi, astragala i taurina. Nauchnye vedomosti. Ser.: Medicina. Farmacija. 2016. vol. 12(233), no. 34. рр. 131-134

Umnova O.A. Sravnenie biologicheskoj aktivnosti fitohimicheskih kompozicij v nativnoj i liposomal'nyh formah. Vestnik Moskovskogo U. Ser.: 2 Himija. 2010. vol. 51. рр. 476-484.

Izhagaev A.A., Bakulin K.S., Ogaj M.A., Kovtun E.V., Izhagaeva S.G., Nam N.L., Belenova A.S. Razrabotka sostava, tehnologii poluchenija, biologicheskie issledovanija lekarstvennogo siropa s jetilmetilgidroksipiridina sukcinatom dlja profilaktiki i lechenija gipoksicheskih sostojanij. Nauchnye rezul'taty biomedicinskih issledovanij. 2019. vol. 5, no. 2. рр. 43-51.

Lucenko S.V., Cheremnyh E.G., Sedjakina N.E., Moldogazieva N.T., Gromovyh T.I., Fel'dman N.B. Issledovanie biologicheskoj aktivnosti liposomnogo sangvinarina na kul'turah opuholevyh kletok i prostejshih. Vestnik TGU. Biologija. 2018. vol. 44. рр. 99-117.

Pylypenko D.M., Rakitianska M.A., Komarov A.I. Perspektyvy vykorystannia biotekhnolohichnoi test-systemy na osnovi kultury Paramecium caudatum dlia skryninhu liposomalnykh form antyoksydantiv. Biotekhnolohiia: zvershennia ta nadii: zbirnyk tez VIII Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi onlain konferentsii studentiv, aspirantiv ta molodykh vchenykh. Kyiv : NUBiP of Ukraine, 2019. рр. 62.

Komarov A.I., Pylypenko D.M. Doslidzhennia membranostabilizuiuchoi ta antyoksydantnoi aktyvnosti liposomalnykh form preparativ na test-systemi Paramecium caudatum. Suchasni dosiahnennia farmatsevtychnoi tekhnolohii i biotekhnolohii : zbirnyk naukovykh prats. Issue 6. Kharkiv: NUPh Publ., 2019. рр. 233.