Використання нових носіїв для доставки генів у клітини стрімко зростає, тому дослідження фітотоксичного і мутагенного потенціалу носіїв генів є важливим для виключення їх негативних побічних ефектів. Встановлено, що полі-ДМАЕМА носії в концентрації 0,0025 % володіють низьким рівнем токсичності щодо цибулі Allium cepa. У вищій дозі (0,025 %) досліджувані носії незначно (на 26–55 %) підвищували каталазну активність, але не впливали на супероксиддисмутазну активність і вміст малонового діальдегіду в корені проростків A. cepa. Результати ана-телофазного тесту на A. cepa не виявли генотоксичної дії полі-ДМАЕМА носіїв в обох використаних концентраціях (0,0025 і 0,025 %). ПЕГ-вмісні полі-ДMAEMA носії (БГП24 та БГП26) у 10-кратній концентрації (0,025 %) викликали достовірне підвищення рівня хромосомних аберацій у клітинах A. cepa. Результати тесту Еймса (–S9 та +S9) свідчать про відсутність мутагенного потенціалу полімерів на основі ДMAEMA. Отже, низька фітотоксичність і відсутність мутагенної дії нових полімерних носіїв на основі ДMAEMA підтверджують їхній потенціал як перспективних носіїв для доставки генів у клітини рослин.
РЕЗЮМЕ. Ипользование новых носителей для доставки генов у клетки быстро увеличиваются, поэтому исследование фитотоксического и мутагенного потенциала носителей генов является важным для исключения их отрицательных побочных эффектов. Установлено, что поли-ДМАЕМА носители в концентрации 0,0025 % владеют низкой токсичностью для лука Allium cepa. В более высокой дозе (0,025 %) они незначительно повышали активность каталазы (на 26–55 %), но не влияли на активность супероксид-дисмутазы и содержание малонового диальдегида в корнях проростков A. cepa. Результаты A. cepa анателофазного теста не показали генотоксического потенциала исследуемых поли-ДМАЕМА носителей в обеих концентрациях (0,0025 и 0,025 %). ПЭГ-содержащие поли-ДMAEMA носители (БГП24 и БГП26) в 10× концентрации (0,025 %) достоверно повышали уровень хромосомных аберраций в клетках A. cepa. Результаты теста Эймса (–S9 и +S9) показали отсутствие мутагенного потенциала полимеров на основе ДMAEMA. Таким образом, низ-кая фитотоксичность и отсутствие мутагенного действия новых полимерных носителей на основе ДMAEMA свидетельствуют об их перспективности для доставки генов в клетки растений.
Ключові слова: полі(2-диметиламіно)етил метакрилат, полімерний носій, ана-телофазний тест, тест Еймса, каталаза, супероксиддисмутаза, малоновий ді-
альдегід
поли(2-диметиламино)этил метакрилат, полимерный носитель, анателофазний тест, тест Эймса, каталаза, супероксиддисмутаза, малоновый диальдегид
Повний текст та додаткові матеріали
Цитована література
1. Cunningham, F.J., Goh, N.S., Demirer, G.S., Matos, J.L., and Landry, M.P., Nanoparticle-mediated delivery towards advancing plant genetic engineering, Trends Biotechnol., 2018, vol. 36, no. 9, pp. 882–897. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2018.03.009
2. Demirer, G.S., Zhang, H., Matos, J.L., Goh, N.S., Cunningham, F.J., Sung, Y., Chang, R., Aditham, A.J., Chio, L., Cho, M.J., Staskawicz, B., and Landry, M.P., High-aspect ratio nanomaterials enable delivery of functional genetic material without DNA integration in mature plants, Nat. Nanotechnol., 2019, vol. 14, no. 5, pp. 456–464. https://doi.org/10.1038/s41565-019-0382-5
3. Tomlinson and Rolland, A.P., Controllable gene therapy: pharmaceutics of non-viral gene delivery systems, J. Control. Release, 1996, vol. 39, nos. 2–3, pp. 357–372. https://doi.org/10.1016/0168-3659(95)00166-2
4. Lv, H., Zhang S., Wang B., Cui S., and Yan J. Toxicity of cationic lipids and cationic polymers in gene delivery. J. Control. Release, 2006, vol. 114, no. 1, pp. 100–109. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.006.04.014
5. Cerda-Cristerna B.I., Flores H., Pozos-Guillén A., Pérez E., Sevrin C., and Grandfils C. Hemocompatibility assessment of poly(2-dimethylaminoethylmethacrylate) (PDMAEMA)-based polymers, J. Control. Release, 2011, vol. 153, no. 3, pp. 269–277. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2011.04.016
6. Plamper, F.A., Synatschke, C.V., Majewski, A.P., Schmalz, A., Schmalz, H., and Müller, A.H.E., Star-shaped poly[2-(dimethylamino)ethyl methacrylate] and its derivatives: toward new properties and applications, Polimery, 2014, vol. 59, no. 1, pp. 66–73. https://doi.org/10.14314/polimery.2014.066
7. Zhang, S., Xu, Y., Wang, B., Qiao, W., Liu, D., and Li, Z., Cationic compounds used in lipoplexes and polyplexes for gene delivery, J. Control. Release, 2004, vol. 100, no. 2, pp. 165–180. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2004.08.019
8. Agarwal, S., Zhang, Y., Maji, S., and Greiner, A., PDMAEMA based gene delivery materials, Materials Today, 2012, vol. 15, no. 9, pp. 388–393. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70165-7
9. Arnold, A.E, Czupiel, P., and Shoichet, M., Engineered polymeric nanoparticles to guide the cellular internalization and trafficking of small interfering ribonucleic acids, J. Control. Release, 2017, vol. 259, pp. 3–15. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2017.02.019
10. Cheng, Q., Du, L.L., Meng, L.W., Han, S.C., Wei, T., Wang, X.X., Wu, Y.D., Song, X.Y., Zhou, J.H., Zheng, S.Q., Huang, Y.Y., Liang, X.J., Cao, H.Q., Dong, A.J., and Liang, Z.C., The promising nanocarrier for doxorubicin and siRNA co-delivery by PDMAEMA-based amphiphilic nanomicelles, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, no. 7, pp. 4347–4356. https://doi.org/10.1021/acsami.5b11789
11. Ficen, S.Z., Guler, Z., Mitina, N., Finuk, N., Stoika, R., Zaichenko, A., and Ceylan, S.E., Biophysical study of novel oligoelectrolyte based non-viral gene delivery systems to mammalian cells, J. Gene Med., 2013, vol. 15, no. 5, pp. 193–204. https://doi.org/10.1002/jgm.2710
12. Filyak, Ye., Finiuk, N., Mitina, N., Bilyk, O., Titorenko, V., Hrydzhuk, O., Zaichenko, A., and Stoika, R., A novel method for genetic transformation of yeast cells using oligoelectrolyte polymeric nanoscale carriers, BioTechniques, 2013, vol. 54, no. 1, pp. 35–43. https://doi.org/10.2144/000113980
13. Finiuk, N., Chaplya, A., Mitina, N., Boiko, N., Lobachevska, O., Miahkota, O., Yemets, A., Blume, Ya., and Stoika, R., Genetic transformation of moss Ceratodon purpureus by means of polycationic carriers of DNA, Cytol. Genet., 2014, vol. 48, no. 6, pp. 345–351. https://doi.org/10.3103/S0095452714060048
14. Finiuk, N., Buziashvili, A., Burlaka, O., Zaichenko, A., Mitina, N., Miagkota, O., Lobachevska, O., Stoika, R., Blume, Ya., and Yemets, A., Investigation of novel oligoelectrolyte polymer carriers for their capacity of DNA delivery into plant cells, Plant Cell Tiss. Organ Cult., 2017, vol. 131, pp. 27–39. https://doi.org/10.1007/s11240-017-1259-7
15. von Gersdorff, K., Sanders, N.N., Vandenbroucke, R., De Smedt, S.C., Wagner, E., and Ogris, M., The internalization route resulting in successful gene expression depends on both cell line and polyethylene-minepolyplex type, Mol. Ther., 2006, vol. 14, no. 5, pp. 745–753. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2006.07.006
16. You, Y.Z., Manickam, D.S., Zhou, Q.H., and Oupický, D., Reducible poly(2-dimethylaminoethyl methacrylate): synthesis, cytotoxicity, and gene delivery activity, J. Control. Release, 2007, vol. 122, no. 3, pp. 217–225. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2007.04.020
17. Marslin, G., Sheeba, C.J., and Franklin, G., Nanoparticles alter secondary metabolism in plants via ROS burst, Front. Plant Sci., 2017, vol. 8, p. 832. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00832
18. Rao, S. and Shekhawat, G.S., Phytotoxicity and oxidative stress perspective of two selected nanoparticles in Brassica juncea, 3 Biotech, 2016, vol. 6, no. 2, p. 244. https://doi.org/10.1007/s13205-016-0550-3
19. Schallon, A., Jerome, V., Walther, A., Synatschke, C.V., Muller, A.H.E., and Freitag, R., Performance of three PDMAEMA-based polycation architectures as gene delivery agents in comparison to linear and branched PEI, React. Funct. Polym., 2010, vol. 70, no. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2009.09.006
20. Voronov, S.A., Kiselyov, E.M., Minko, S.S., Budishevska, O.G., and Roiter, Y.V., Structure and reactivity of peroxide monomers, J. Polym. Sci. Pol. Chem., 1996, vol. 34, no. 12, pp. 2507–2511. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0518(19960915)34:12<2507::AID-POLA24>3.0.CO;2-B
21. Paiuk, O., Mitina, N., Slouf, M., Pavlova, E., Finiuk, N., Kinash, N., Karkhut, A., Manko, N., Gromovoy, T., Hevus, O., Shermolovich, Y., Stoika, R., and Zaichenko, A., Fluorine-containing block/branched polyamphiphiles forming bioinspired complexes with biopolymers, Colloids Surf. B Biointerfaces, 2019, vol. 174, pp. 393–400. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2018.11.047
22. Zaichenko A., Mitina, N., Shevchuk, O., Rayevska, K., Lobaz, V., Skorokhoda, T., and Stoika, R., Development of novel linear, block and branched oligoelectrolytes and functionally targeting nanoparticles, Pure Appl. Chem., 2008, vol. 80, no. 11, pp. 2309–2326. https://doi.org/10.1351/pac200880112309
23. Kirmse, W., Organic Elemental Analysis: Ultramicro, Micro, and Trace Methods, New York: Academic, 1983.
24. Critchfield, F.E., Organic Functional Group Analysis—International Series of Monographs on Analytical Chemistry, Pergamon Press, 1963.
25. Fiskesjo, G., Allium test, Methods Mol. Biol., 1995, vol. 43, pp. 19–127.
26. Cove, D., Perroud, P.F., Charron, A., McDaniel, S., Khandelwal, A., and Quatrano, R., The moss Physcomitrella patens. A novel model system for plant development and genomic studies, in Emerging Model Organisms, A Laboratory Manual, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2009. https://doi.org/10.1101/pdb.emo115
27. Goth, L., A simple method for determination of serum catalase activity and revision of reference range, Clin. Chim., 1991, vol. 196, nos. 2–3, pp. 143–151. https://doi.org/10.1016/0009-8981(91)90067-M
28. Kumar, G. and Knowles, N.R., Changes in lipid peroxidation and lipolytic and free-radical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanum tuberosum) seed-tubers, Plant Physiol., 1993, vol. 102, no. 1, pp. 115–124. https://doi.org/10.1104/pp.102.1.115
29. Rank, J. and Nielsen, M.H., A modified Allium test as a tool in the screening of the genotoxicity of complex mixtures, Hereditas, vol. 118, no. 1, pp. 49–53. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.1993.t01-3-00049.x
30. Kiełkowska, A., Allium cepa root meristem cells under osmotic (sorbitol) and salt (NaCl) stress in vitro,Acta Bot. Croat., 1993, vol. 76, no. 2, pp. 146–153. https://doi.org/10.1515/botcro-2017-0009
31. Mortelmans, K. and Zeiger, E., The Ames Salmonella/microsome mutagenicity assay, Mutat. Res., 2000, vol. 455, nos. 1–2, pp. 29–60. https://doi.org/10.1016/s0027-5107(00)00064-6
32. OECD Guideline for Testing of Chemicals: Bacterial Reverse Mutation Test, TG 471. Adopted July 1997. Available at chrome-extension://oemmndcbldboiebfnladdacbdfmadadm/https://www.oecd.org/chemicalsafety/risk-assessment/1948418.pdf.
33. Yang, J., Cao, W., and Rui, Y., Interactions between nanoparticles and plants: phytotoxicity and defense mechanisms, J. Plant Interact., 2017, vol. 12, no. 1, pp. 158–169. https://doi.org/10.1080/17429145.2017.1310944
34. Rajeshwari, A., Roy, B., Chandrasekaran, N., and Mukherjee, A., Cytogenetic evaluation of gold nanorods using Allium cepa test, Plant Physiol. Biochem., 2016, vol. 109, pp. 209–219. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.10.003
35. Shetty, A., Venkatesh, T., Suresh, P.S., and Tsutsumi, R., Exploration of acute genotoxic effects and antigenotoxic potential of gambogic acid using Allium cepa assay, Plant Physiol. Biochem., 2017, vol. 118, pp. 643–652. https://doi.org/10.1016/j.plaphy. 2017.08.005
36. Ahmed, B., Dwivedi, S., Abdin, M.Z., Azam, A., Al-Shaeri, M., Khan, M.S., Saquib, Q., Al-Khedhairy, A.A., and Musarrat, J., Mitochondrial and chromosomal damage induced by oxidative stress in Zn2+ ions, ZnO-bulk and ZnO-NPs treated Alliumcepa roots, Sci. Rep., 2017, vol. 7, p. 40685. https://doi.org/10.1038/srep40685
37. Lah, B., Zinko, B., Tisler, T., and Marinsek-Logara, R., Genotoxicity detection in drinking water by Ames test, Zimmermann test and Comet assay, Acta Chim. Slov., 2005, vol. 52, pp. 341–348.
38. McCarren, P., Springer, C., and Whitehead, L., An investigation into pharmaceutically relevant mutagenicity data and the influence on Ames predictive potential, J. Cheminform., 2011, vol. 3, p. 51. https://doi.org/10.1186/1758-2946-3-51
39. Lin, S., Du, F., Wang, Y., Li, S., Liang, D., Yu, L., and Li, Z., An acid-labile block copolymer of PDMAEMA and PEG as potential carrier for intelligent gene delivery systems, Biomacromolecules, 2008, vol. 9, no. 1, pp. 109–115. https://doi.org/10.1021/bm7008747
40. Sharma, R., Lee, J.-S., Bettencourt, R.C., Xiao, Ch., Konieczny, S.F., and Won, Y.-Y., Effects of the incorporation of a hydrophobic middle block into a PEG-polycation diblock copolymer on the physicochemical and cell interaction properties of the polyer-DNA complexes, Biomacromolecules, 2008, vol. 9, no. 1, pp. 3294–3297. https://doi.org/10.1021/bm800876v
41. Pirotton, S., Muller, C., Pantoustier, N., Botteman, F., Collinet, S., Grandfils, C., Dandrifosse, G., Degée, P., Dubois, P., and Raes, M., Enhancement of transfection efficiency through rapid and noncovalent post-PEGylation of poly(dimethylaminehtylmethacrlyate)/DNA complex, Pharm. Res., 2004, vol. 21, no. 8, pp. 1471–1479. https://doi.org/10.1023/b:pham.0000036923.25772.97
42. Hong, J., Peralta-Videa, J.R., Rico, C., Sahi, S., Viveros, M.N., Bartonjo, J., Zhao, L., and Gardea-Torresdey, J.L., Evidence of translocation and physiological impacts of foliar applied CeO2 nanoparticles on cucumber (Cucumis sativus) plants, Environ. Sci. Technol., 2014, vol. 48, no. 8, pp. 4376–4385. https://doi.org/10.1021/es404931g
43. Song, U. and Lee, E.J., Ecophysiological responses of plants after sewage sludge compost applications, J. Plant Biol., 2010, vol. 53, pp. 259–267. https://doi.org/10.1007/s12374-010-9112
44. Garg, N., and Manchanda, G., ROS generation in plants: boon or bane? Plant Biosyst., 2009, vol. 143, pp. 81–96. https://doi.org/10.1080/11263500802633626
45. Kenneth, W.A., Advanced Techniques in Chromosome Research, CRC Press, 1991.