Colloidal Nanocrystalline Luminophors Doped by Rare-earth Ions for Biological Testing

nReVO4:Eu3+ (Re Gd, Y, Sm, La) luminescent nanocrystals of different shape and size from 2 to 300 nm have been synthesized. Luminescence of nReVO4:Eu3+ nanocrystals are effectively excited under UV and visible irradiation. By means of luminescence microscopy and luminescence microspectroscopy it has been revealed that spherical nanocrystals with an average diameter from 3 to 20 nm tend to accumulate mainly in the isolated rat hepatocyte nuclei. Spherical nGdYVO4:Eu3+ nanocrystals are efficient inorganic markers and can be used in systems of selective delivery of substances into the cell nucleus. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3499

Colloidal Nanocrystalline Luminophors Doped by Rare-earth Ions for Biological Testing

nReVO4:Eu3+ (Re Gd, Y, Sm, La) luminescent nanocrystals of different shape and size from 2 to 300 nm have been synthesized. Luminescence of nReVO4:Eu3+ nanocrystals are effectively excited under UV and visible irradiation. By means of luminescence microscopy and luminescence microspectroscopy it has been revealed that spherical nanocrystals with an average diameter from 3 to 20 nm tend to accumulate mainly in the isolated rat hepatocyte nuclei. Spherical nGdYVO4:Eu3+ nanocrystals are efficient inorganic markers and can be used in systems of selective delivery of substances into the cell nucleus. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3499

The Effects of Chronic Intake of Cerium Dioxide or Gadolinium Ortovanadate Nanoparticles in Aging Male Rats

The acquisition of new nanomaterials with unique properties for biomedical application is an essential requirement now days. It is important and necessary to evaluate the safety and the delayed consequences of nanoparticles entry for living organisms. The aim of the present work was to investigate the effects of chronic intake of cerium dioxide and gadolinium ortovanadate nanoparticles of some character in aging male rats. In blind experiment 18 – 20 months age Wistar male rats were fed the colloidal solution (0.5 ml) of the nanoparticles either cerium dioxide or gadolinium ortovanadate (GdVO4:Eu3+) during 70 days. Evolution of emotional state, body mass, glucose homeostasis, level of sex hormone (testosterone and estradiol) has been investigated over a period of experiment. At termination, it was analyzed of spermogram and antioxidant properties of sperm and some tissues. The acute toxicity of nanomaterials were evaluate in outbred mice. No effects of cerium dioxide nanoparticles has been found. GdVO4:Eu3+ male rats demonstrated the decrease in accretion of body weight and glucose level, and the less dejection compared with the untreated aging rats. These rats has increased testosterone level, sperm concentration and reduced chemiluminescence of gametes. The acute toxicity test defined GdVO4 nanoparticles as a nontoxic material – LD50 5 g/kg bm. Positive influence of GdVO4:Eu3+ nanoparticles on metabolic processes, emotional capability and reproductive function of senescent organism could be a basis for formation a new direction of antiaging therapy. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3549

Effect of inorganic nanoparticles and organic complexes on their basis on free-radical processes in some model systems

Aim. Evaluation of free–radical activity of rare–earth based nanoparticles (NPs) (orthovanadates and CeO2) with different geometrical parameters, and organic complexes formed on their base with methylene blue (MB) photodynamic dye in abiotic and biotic systems (homogenate of liver, isolated mitochondria and isolated hepatocytes). Methods. Effects of NPs were estimated using luminol-dependent chemiluminescence (ChL) and by measurement of the final product of lipid peroxidation – malondialdehyde (MDA). Results. According to the ChL data in abiotic systems all NPs demonstrated antiradical activity. In biotic systems spherical extra small (1–2 nm) NPs of both types showed prooxidant effects of different degree; CeO2 of 8–10 nm have demonstrated a week antioxidant effect. The data of ChL correlated with the measurements of MDA-level. The effects of «NP-MB» complexes were the same as the corresponding «bare» NPs in different examined systems. The most prooxidant NPs in the presence of glutathione (GSH) did not aggravate free-radical processes. NPs demonstrated a more pronounced prooxidant effect in cells at pH 7.8 that may be a result of pH-dependent changes in protonated GSH. Conclusions. Differences in the effects of NPs in the biotic systems depend on their geometric parameters that determine their penetration and interaction with the cellular structures. This is also related to the processes on the NPs surface as well as in the near-surface layers.Мета. Оцінити вільнорадикальну активность наночастинок (НЧ) на основі рідкісноземельних елементів – ортованадатів та СеО2 з різними геометричними параметрами і органічних комплексів на їх основі з фотодинамічним барвником метиленовим блакитним (МБ) в абіотичних і біотичних системах (гомогенат печінки, ізольовані мітохондрії, ізольовані гепатоцити). Методи. Ефекти НЧ оцінювали за допомогою люмінол-залежної хемілюмінесценції (ХЛ), а також вимірюючи рівень малонового диа­льдегыду (МДА) – кінцевого продукту пероксидації ліпідів. Результати. ХЛ показано, що в абіотичній системі всі НЧ демонструють антирадикальну активність. В біотичній системі сферичні екстрамалі (1–2 нм) НЧ обох типів різною мірою демонструють прооксидантну активність; СеО2 розміром 8–10 нм демонстрував слабкій антиоксидантній ефект. Дані ХЛ корелюють з результатами, отриманими при вимірюванні рівня МДА. Ефект комплексів «НЧ-МБ» був таким же, як і у випадку «голих» НЧ. Найбільш прооксидантні НЧу присутності глутатіону (GSH) не посилювали вільно-радикальні процеси. В клітинах при pH = 7.8 НЧ демонстрували очікувані прооксидантні ефекти, що може бути пов’язано з pH-залежними змінами протонованого GSH. Висновки. Відмінності ефектів НЧ пояснюються їх геометричними параметрами, які впливають на проникнення і взаємодію частинок з клітинними структурами. Також це пов'язано з процесами, що проходять як на поверхні НЧ, так і в приповерхневому шарі.Цель. Оценить свободнорадикальную активность наночастиц (НЧ) на основе редкоземельных элементов – ортованадатов и СеО2 с различным геометрическими параметрами и органических комплексов на их основе с фотодинамическим красителем метиленовым голубым (МГ) в абиотических и биотических системах (гомогенат печени, изолированные митохондрии, изолированные гепатоциты). Методы. Эффекты НЧ оценивали с помощью люминол-зависимой хемилюминесценции (ХЛ), а также измеряя уровень малонового диальдегида (МДА) – конечного продукта пероксидации липидов. Результаты. ХЛ было показано, что в абиотической системе все НЧ демонстрируют антирадикальную активность. В биотической системе сферические экстрамалые (1–2 нм) НЧ обоих типов в разной степени демонстрируют прооксидантную активность; СеО2 размером 8–10 нм демонстрирует слабый антиоксидантный эффект. Данные ХЛ коррелируют с данными, полученными при измерении уровня МДА. Эффект комплексов «НЧ-МГ» был таким же, как и в случае «голых» НЧ. Наиболее прооксидантные НЧ в присутствии глутатиона (GSH) не усугубляли свободно-радикальные процессы. В клетках при pH = 7.8 НЧ демонстрировали ожидаемые прооксидантные эффекты, что может быть связано с pH-зависимыми изменениями протнированного GSH. Выводы. Различия эффектов НЧ объясняются их геометрическими параметрами, которые влияют на проникновение и взаимодействие частиц с клеточными структурами. Также это связано с процессами, проходящими как на поверхности НЧ, так и в приповерхностном слое

Nano-scale liposomal container with a «signal system» for substances delivering in living cells

Aim. The aim of this research is to study the possibility to supply the nano-scale liposomal «container», used for the targeted substance delivery inside the living cells, with a «signal system» to trace the liposome fate in real time. Methods. For this purpose, the methods of fluorescence microscopy, fluorescence spectroscopy and microspectroscopy have been used. Results. The cellular uptake of hydrophobic fluorescent probes DiO and DiI, preloaded in phosphatidylcholine (PC) liposomes, in real time has been studied using fluorescence resonance energy transfer (FRET) from the donor probe DiO to the acceptor one DiI. It has been revealed that after 3 hours incubation of hepatocytes with FRET liposomes, the FRET signal almost disappears, whereas DiO fluorescence becomes very intensive. Conclusions. The loss of FRET signal could be used as a «signal system» to monitor the cell-liposome fusion and delivery of any active compounds to cells. Key words: liposomes, fluorescent probes, cells, fluorescence resonance energy transfer.Мета. Встановити можливість оснащення ліпосомних «контейнерів», які використовують для спрямованої доставки речовин у живі клітини, «сигнальною системою» для відстеження взаємодії ліпосом з клітинами у часі. Методи. Використано методи флуоресцентної мікроскопії, флуоресцентної спектроскопії і мікроспектроскопії. Результати. Із застосуванням ефекту безвипромінювального перенесення енергії електронного збудження (БПЕ) від зонда-донора DiO до зонда-акцептора DiI, інкорпорованих у ліпідні бішари фосфатидилхоліну (РС) ліпосом, вивчено процес входження гідрофобних флуоресцентних зондів у клітину. Визначено, що після 3 год інкубації клітин гепатоцитів з ліпосомами, у яких спостерігається БПЕ між парою зондів, сигнал БПЕ практично зникає, у той час як флуоресценція донора DiO стає дуже інтенсивною. Висновки. Ефект втрати сигналу БПЕ можна використовувати як «сигнальну систему» для моніторингу взаємодії ліпосоми з клітиною та доставки активної речовини у клітину. Ключові слова: ліпосоми, флуоресцентні зонди, клітини, безвипромінювальне перенесення енергії.Цель. Установить возможность снабжения липосомных «контейнеров», используемых для направленной доставки веществ в живые клетки, «сигнальной системой» для отслеживания взаимодействия липосом с клетками во времени. Методы. В работе использованы методы флуоресцентной микроскопии, флуоресцентной спектроскопии и микроспектроскопии. Результаты. С применением безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения (БПЭ) от зонда-донора DiO к зонду-акцептору DiI, инкорпорированных в липидные бислои фосфатидилхолина (РС) липосом, изучен процесс вхождения гидрофобных флуоресцентных зондов в клетку. Обнаружено, что после 3 ч инкубации клеток гепатоцитов с липосомами, в которых наблюдается БПЭ между парой зондов, сигнал БПЭ практически исчезает, в то время как флуоресценция донора DiO становится очень интенсивной. Выводы. Эффект потери сигнала БПЭ можно использовать в качестве «сигнальной системы» для мониторинга взаимодействия липосомы с клеткой и доставки активного вещества в клетку. Ключевые слова: липосомы, флуоресцентные зонды, клетки, безызлучательный перенос энергии

Orthovanadate nanoparticles delay the accelerated aging in rats via the prevention of oxidative disturbances

The abilities of gadolinium orthovanadate nanoparticles (GdVO₄ : Eu³⁺ NPs, 8x25 nm) to ameliorate age-related lesions have been studied. To achieve the goal, a model of accelerated aging due to postnatal overfeeding (POF) was used. The features of the model are oxidative misbalance and decrease in survival, as well as adverse metabolic effects. The NPs were orally administrated (briefly or continuously) with drinking water to rats with accelerated aging. Then the prooxidant-antioxidant balance (in liver and blood), survival, and life expectancy were examined. In young (3 months-old) rats with accelerated aging, already the short-term (2 months) NPs implementation significantly corrects the oxidative disturbance. The prolonged use of NPs from 11 to 31 months of life ameliorates significantly the prooxidant-antioxidant misbalance in the liver and blood of POF rats. Wherein, the observed median of survival in the control group is 890 days, in the group with accelerated aging — only 710 days, while the additional receive of NPs increases the score — already 940 days. Furthermore, the death of the last animal in the control group is observed by day 1130, at accelerated aging — by day 1000, and at accelerated aging with additional NPs using — by day 1250. Thus, the both indicators — the survival and the lifespan, are increased due to the NPs applications by 32 % and 25%, respectively, compared with the accelerated ageing group, which receives no NPs. The obtained data show that the prolonged GdVO₄ : Eu³⁺ NPs application in animals with experimental accelerated aging corrects the oxidative misbalance as well as increases the survival of elderly animals. Discovered effects make these nanoparticles a promising geroprotective agent, decreasing the risk of increased mortality and morbidity at premature ageing — adverse consequences of the overnutrition in early life.Досліджено вплив короткочасного й тривалого застосування наночастинок ортованадата гадолінію (НЧ GdVO₄ : Eu³⁺, 8 x 25 нм) на процеси старіння. Для досягнення мети використовувалася модель прискореного старіння внаслідок надлишкового харчування (НХ) в ранньому періоді постнатального онтогенезу; для даної моделі характерним є розвиток окисного дисбалансу та зменшення виживаності тварин й інші метаболічні ефекти. НЧ надавали щурам з прискореним старінням перорально (короткочасно або тривалий час) з питною водою. По закінченні досліджували баланс прооксидантів та антиоксидантів (у печінці та крові), виживаність та тривалість життя. У молодих (3-місячних) щурів з прискореним старінням вже короткочасне (2-місяці) надходження НЧ значно коригує окиснювальні порушення. Тривале використання НЧ від 11-го до 31-го місяця життя значно покращує баланс прооксидантних та антиоксидантних реакцій у печінці та крові, порушений НХ. При цьому середня медіана виживаності у контрольній групі становить 890 днів, у групі з прискореним старінням — лише 710 днів, тоді як додаткове отримання НЧ збільшує величину медіани до 940 днів. Крім того, загибель останньої тварини в контрольній групі спостерігалася на 1130 добу, при прискореному старінні — на 1000 добу, а при прискореному старінні при додатковому використанні НЧ — на 1250 добу. Таким чином, обидва показники — виживаність та тривалість життя – збільшуються через надання НЧ на 32 та 25 %, відповідно, у порівнянні з групою прискореного старіння, щурам якої не вводили НЧ. Виявлені ефекти роблять НЧ GdVO₄ : Eu³⁺, перспективним геропротекторним засобом, що зменшує ризик збільшеної смертності та захворюваності при передчасному старінні, які є несприятливими наслідками надмірного харчування на ранньому етапі постнатального онтогенезу

Cerium oxide nanoparticles and metformin increase the reliability of the prooxidant/anti oxidant balance and the survival of ageing rats

In comparison with the action of metformin — mimetic of the calorie restricted diet, which prolong the animals lifespan, it has been studied the effect of nanoparticles of cerium dioxide (CeO₂ NPs (1-2 nm)) on survival, physiological indices (the concentration of thyroxine, rectal temperature), as well as biochemical indices (content of lipid hydroperoxides, aconitase, glutathione peroxidase, glutaredoxin, glutathione reductase, NADP⁺ -dehydrogenase activities (glucose-6-phosphate-, malate- and isocitrate dehydrogenase)) in serum, liver mitochondrial and postmitochondrial fraction of ageing rats. It has been found that the prolonged use of CeO₂ NPs with drinking water (0.25-0.30 mg/kg of body weight per day) and metformin (100-110 mg/kg of body weight per day) from 670 days after the birth lead to a significant increase in survival (the median survival of control rats was 900, in animals treated with CeO₂ NPs — 960, and metformin — 990 days), a decrease in rectal temperature, a slowdown in the decrease in the level of thyroxine in blood, and normalization of the prooxidant/antioxidant balance in liver and blood tissues. Calculated integral index of reliability of prooxidant-antioxidant balance (reliability coefficient) in the studied tissues of rats in response to the application of the CeO₂ NPs increased 4.99 times, and metformin — 4.94 times compared to intact animals. The data obtained allow us concluding about the prospects of the CeO₂ NPs, as well as metformin for the development of geroprotector drugs, increasing the healthspan and survival of an ageing organism.У порівнянні з дією метформіну — міметика низькокалорійної дієти, що продовжує життя тварин, вивчається вплив наночастинок діоксиду церію (CeO₂ НЧ (1—2 нм)) на виживання, фізіологічні показники (концентрація тироксину, ректальна температура) та біохімічні показники (вміст ліпідних гідроперок сидів, активність ферментів аконітази, глутатіонпероксидази, глутаредоксину, глутатіонредуктази, НАДФ⁺-дегідрогеназ (глюкозо-6-фосфат дегідрогеназа, малат дегідрогеназа та ізоцитрат дегідрогеназа) у сироватці крові, мітохондріальної та постмітохондріальної фракцій печінки. Було встановлено, що тривале використання CeO₂ НЧ з питною водою (0,25—0,30 мг / кг маси тіла на добу) або метформіну (100—110 мг / кг маси тіла на добу) з 670 днів після народження призводило до значного збільшення виживання (медіана виживаності контрольних щурів становила 900 днів, у тварин, які отримували CeO₂ НЧ — 960 днів, і метформіну — 990 днів), зниження ректальної температури, уповільнення зниження тироксину в крові та нормалізації прооксидантно/антиоксидантного балансу в тканинах печінки та крові. Розрахований інтегральний показник надійності прооксидантно/антиоксидантного балансу (коефіцієнт надійності) у досліджуваних тканинах щурів у відповідь на використання CeO₂ НЧ зріс в 4,99 раза, а метформіну — у 4,94 раза порівняно з інтактними тваринами. Отримані дані дозволяють зробити висновки щодо перспектив наночастинок CeO₂, а також метформіну для розробки геропротекторних препаратів, що сприяють поліпшенню здоров’я та збільшують виживаність організму при старінні

Colloidal synthesis and properties of lanthanide orthophosphate nanophosphors

Nanocrystals water solutions of activated lanthanides orthophosphates CePO₄:Tb³⁺, LaPO₄:Eu³⁺ have been obtained by colloidal synthesis. The solution solid phase possesses characteristic luminescent properties. Nanoparticles of about 2 nm size are stable in water and have a negative surface charge. The solution toxicity has been estimated.Методом колоїдного синтезу отримано водні розчини нанокристалів на основі ортофосфатів рідкісноземельних елементів СеРO₄:ТЬ³⁺, LaPO₄:Eu³⁺. Тверда фаза розчинів має характерні люмінесцентні властивості. Наночастинки з розмірами близько 2 нм стабільні у воді та мають негативний заряд поверхні. Проведено оцінку токсичності розчинів.Методом коллоидного синтеза получены водные растворы нанокристаллов ортофосфатов редкоземельных элементов СеРO₄:ТЬ³⁺, LaPO₄:Eu³⁺. Твердая фаза растворов обладает характерными люминесцентными свойствами. Наночастицы с размерами около 2 нм стабильны в воде и имеют отрицательный заряд поверхности. Проведена оценка токсичности растворов

In vitro study of NCs/dyes complexes accumulation and dyes release kinetics in rat hepatocytes

Using fluorescence microspectoscopy and FRET-labeling of various nano-scale carriers (NCs) the efficiency and kinetics of NCs/dye molecules complexes accumulation in living cells and dye release have been studied. Organic liposome vesicles and inorganic nanoparticles (CeO₂ and GdYVO₄:Eu³⁺) were used as NCs. NCs/dyes complexes formed in aqueous solutions have been characterized. It has been shown that NCs based on GdYVO₄:Eu³⁺ nanoparticles exhibit the most effective accumulation in cells and provide very fast release of the lipophilic cargo (dyes molecules). Lipophilic compound (cholesterol) embedded into the NCs/dyes complexes decreases noticeably the rate of lipophilic dyes release and reduces the affinity of the complex interaction with hepatocytes. GdYVO₄:Eu³⁺ NPs could be used as a nano-scale platform for controlled intracellular delivering of hydrophobic agents

Effect of inorganic nanoparticles and organic complexes on their basis on free-radical processes in some model systems

Aim. Evaluation of free–radical activity of rare–earth based nanoparticles (NPs) (orthovanadates and CeO2) with different geometrical parameters, and organic complexes formed on their base with methylene blue (MB) photodynamic dye in abiotic and biotic systems (homogenate of liver, isolated mitochondria and isolated hepatocytes). Methods. Effects of NPs were estimated using luminol-dependent chemiluminescence (ChL) and by measurement of the final product of lipid peroxidation – malondialdehyde (MDA). Results. According to the ChL data in abiotic systems all NPs demonstrated antiradical activity. In biotic systems spherical extra small (1–2 nm) NPs of both types showed prooxidant effects of different degree; CeO2 of 8–10 nm have demonstrated a week antioxidant effect. The data of ChL correlated with the measurements of MDA-level. The effects of «NP-MB» complexes were the same as the corresponding «bare» NPs in different examined systems. The most prooxidant NPs in the presence of glutathione (GSH) did not aggravate free-radical processes. NPs demonstrated a more pronounced prooxidant effect in cells at pH 7.8 that may be a result of pH-dependent changes in protonated GSH. Conclusions. Differences in the effects of NPs in the biotic systems depend on their geometric parameters that determine their penetration and interaction with the cellular structures. This is also related to the processes on the NPs surface as well as in the near-surface layers.Мета. Оцінити вільнорадикальну активность наночастинок (НЧ) на основі рідкісноземельних елементів – ортованадатів та СеО2 з різними геометричними параметрами і органічних комплексів на їх основі з фотодинамічним барвником метиленовим блакитним (МБ) в абіотичних і біотичних системах (гомогенат печінки, ізольовані мітохондрії, ізольовані гепатоцити). Методи. Ефекти НЧ оцінювали за допомогою люмінол-залежної хемілюмінесценції (ХЛ), а також вимірюючи рівень малонового диа­льдегыду (МДА) – кінцевого продукту пероксидації ліпідів. Результати. ХЛ показано, що в абіотичній системі всі НЧ демонструють антирадикальну активність. В біотичній системі сферичні екстрамалі (1–2 нм) НЧ обох типів різною мірою демонструють прооксидантну активність; СеО2 розміром 8–10 нм демонстрував слабкій антиоксидантній ефект. Дані ХЛ корелюють з результатами, отриманими при вимірюванні рівня МДА. Ефект комплексів «НЧ-МБ» був таким же, як і у випадку «голих» НЧ. Найбільш прооксидантні НЧу присутності глутатіону (GSH) не посилювали вільно-радикальні процеси. В клітинах при pH = 7.8 НЧ демонстрували очікувані прооксидантні ефекти, що може бути пов’язано з pH-залежними змінами протонованого GSH. Висновки. Відмінності ефектів НЧ пояснюються їх геометричними параметрами, які впливають на проникнення і взаємодію частинок з клітинними структурами. Також це пов'язано з процесами, що проходять як на поверхні НЧ, так і в приповерхневому шарі.Цель. Оценить свободнорадикальную активность наночастиц (НЧ) на основе редкоземельных элементов – ортованадатов и СеО2 с различным геометрическими параметрами и органических комплексов на их основе с фотодинамическим красителем метиленовым голубым (МГ) в абиотических и биотических системах (гомогенат печени, изолированные митохондрии, изолированные гепатоциты). Методы. Эффекты НЧ оценивали с помощью люминол-зависимой хемилюминесценции (ХЛ), а также измеряя уровень малонового диальдегида (МДА) – конечного продукта пероксидации липидов. Результаты. ХЛ было показано, что в абиотической системе все НЧ демонстрируют антирадикальную активность. В биотической системе сферические экстрамалые (1–2 нм) НЧ обоих типов в разной степени демонстрируют прооксидантную активность; СеО2 размером 8–10 нм демонстрирует слабый антиоксидантный эффект. Данные ХЛ коррелируют с данными, полученными при измерении уровня МДА. Эффект комплексов «НЧ-МГ» был таким же, как и в случае «голых» НЧ. Наиболее прооксидантные НЧ в присутствии глутатиона (GSH) не усугубляли свободно-радикальные процессы. В клетках при pH = 7.8 НЧ демонстрировали ожидаемые прооксидантные эффекты, что может быть связано с pH-зависимыми изменениями протнированного GSH. Выводы. Различия эффектов НЧ объясняются их геометрическими параметрами, которые влияют на проникновение и взаимодействие частиц с клеточными структурами. Также это связано с процессами, проходящими как на поверхности НЧ, так и в приповерхностном слое