chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2022-17-6-492-503chemicallytech-1910Research ArticleBIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGYБИОХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯInvestigation of the biological activity of the water-soluble C60/poly-N-vinylpyrrolidone complexИсследование биологической активности водорастворимого комплекса C60/поли-N-винилпирролидонhttps://orcid.org/0000-0003-1618-6690ЛогиноваН. Ю.LoginovaN. Yu.

Логинова Наталия Юрьевна - кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры биохимии.

410012, Приволжский федеральный округ, Саратовская область, г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112

Natalia Yu. Loginova - Cand. Sci. (Chem.), Senior Lecturer, Department of Biochemistry.

112, Bolshaya Kazachya ul., Saratov, 410012, Volga Federal District, Saratov oblast

loginova_nu@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7732-0796ЧесовскихЮ. С.ChesovskikhYu. S.

Чесовских Юлия Сергеевна - кандидатбиологических наук, старший преподаватель кафедры биохимии, ResearcherID AAD-8570-2021, Scopus Author ID 56613371400

410012, Приволжский федеральный округ, Саратовская область, г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112

Yulia S. Chesovskikh - Cand. Sci. (Biol.), Senior Lecturer, Department of Biochemistry, ResearcherID AAD-8570-2021, Scopus Author ID 56613371400.

112, Bolshaya Kazachya ul., Saratov, 410012, Volga Federal District, Saratov oblast

Juliachesovskih@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1550-313XБородулинВ. Б.BorodulinV. B.

Бородулин Владимир Борисович - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского; профессор кафедры аналитической химии им. И.П. Алимарина Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова МИРЭА – РТУ, ResearcherID AAE-4632-2021, Scopus Author ID 57206159558.

410012, Приволжский федеральный округ, Саратовская область, Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112; 119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Vladimir B. Borodulin - Dr. Sci. (Med.), Professor, Head of the Department of Biochemistry, V.I. Razumovsky Saratov SMU ; Professor, I.P. Alimarin Department of Analytical Chemistry, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA – RTU, ResearcherID AAE-4632-2021, Scopus Author ID 57206159558.

112, Bolshaya Kazachya ul., Saratov, 410012, Volga Federal District, Saratov oblast; 86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

borodulinvb@mail.ruСаратовский государственный медицинский университет им. В.И. РазумовскогоРоссияV.I. Razumovsky Saratov State Medical University, Ministry of Health of the Russian FederationRussian FederationСаратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского; МИРЭА – Российский технологический университет, Институт тонких химических технологий им. М.В. ЛомоносоваРоссияV.I. Razumovsky Saratov State Medical University, Ministry of Health of the Russian Federation; MIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation202224012023176492503Copyright © Loginova N.Y., Chesovskikh Y.S., Borodulin V.B., 20232023Логинова Н.Ю., Чесовских Ю.С., Бородулин В.Б.Loginova N.Y., Chesovskikh Y.S., Borodulin V.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1910Objectives

Objectives. The study aimed to investigate the biological activity of the C60/poly-N-vinylpyrrolidone (C60/PVP) complex representing a water-soluble fullerene derivative. In vitro and in vivo techniques were used to analyze the effect of the C60/PVP complex on the activity of lactate dehydrogenase (LDH) and evaluate changes in the biochemical parameters of blood serum when per os administered to mice.

Methods

Methods. In order to determine the activity of a commercial LDH preparation and study the kinetics of this process, the standard Warburg photometric method was used. To assess the effect of polyvinylpyrrolidone (PVP) and the C60/PVP complex on some biochemical parameters in vivo, a study was conducted on two-month-old male white mongrel mice weighing 20 ± 3 g. Determination of biochemical parameters of blood serum was carried out using a semi-automatic biochemical analyzer according to standard methods.

Results

Results. The effect of the C60/PVP complex on LDH activity was studied along with changes in the biochemical parameters of mouse blood serum characterizing carbohydrate metabolism. As well as increasing the glucose and pyruvic acid content, the C60/PVP complex was found to reduce lactate content and LDH activity in blood serum along with in vitro LDH activity according to the type of mixed inhibition.

Conclusions

Conclusions. The C60/PVP complex and PVP were shown to exhibit biological activity in vitro and in vivo. The C60/PVP complex, representing a mixed-type LDH inhibitor, was shown to inhibit LDH activity, as well as contributing to a decrease in lactate concentration and an increase in the concentration of pyruvic acid and glucose in blood serum when administered per os to mice. The inhibitory effect of PVP on LDH activity was revealed in both in vivo and in vitro investigations. In vivo, PVP contributes to a decrease in the concentration of lactate in the blood. The less pronounced effect of the C60/PVP complex as compared to PVP alone may be due to the fact that C60 molecules are “hidden” in cavities formed in PVP molecules.

Цели

Цели. Исследовать биологическую активность водорастворимого производного фуллерена – комплекса C60/поли-N-винилпирролидона (C60/ПВП) – в условиях in vitro и in vivo; изучить влияние комплекса C60/ПВП на активность лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в условиях in vitro и in vivo; оценить изменения биохимических показателей сыворотки крови при введении мышам C60/ПВП per os.

Методы

Методы. Для определения активности коммерческого препарата ЛДГ и исследования кинетики данного процесса был использован фотометрический метод Варбурга с применением стандартной методики. Для оценки влияния поливинилпирролидона (ПВП) и комплекса C60/ПВП на некоторые биохимические показатели in vivo было проведено исследование на двухмесячных самцах белых беспородных мышей весом 20 ± 3 г. Определение биохимических показателей сыворотки крови проводилось с помощью полуавтоматического биохимического анализатора по стандартным методикам. Результаты. Исследовано влияние комплекса C60/ПВП на активность ЛДГ и проведена оценка изменений биохимических показателей сыворотки крови мышей, характеризующих углеводный обмен. Установлено, что комплекс C60/ПВП увеличивает содержание глюкозы и пировиноградной кислоты, снижает содержание лактата и активность ЛДГ в сыворотке крови по сравнению с контролем, а также снижает активность ЛДГ в условиях in vitro по типу смешанного ингибирования.

Выводы

Выводы. Комплексы C60/ПВП и ПВП проявляют биологическую активность в условиях in vitro и in vivo. Установлено, что комплекс C60/ПВП является ингибитором ЛДГ смешанного типа в условиях in vitro, угнетает активность ЛДГ в условиях in vivo, а также способствует снижению концентрации лактата и увеличению концентрации пировиноградной кислоты и глюкозы в сыворотке крови при введении мышам C60/ПВП per os. При этом также выявлено ингибирующее действие и ПВП на активность ЛДГ in vitro и in vitro, причем в условиях in vivo ПВП способствует снижению концентрации лактата в крови. Менее выраженное действие комплекса C60/ПВП по сравнению с ПВП может быть связано с тем, что молекулы C60 «скрыты» в полостях, образованных в молекулах ПВП.

фуллеренC60C60/поли-N-винилпирролидонкомплекс C60/ПВПактивность ЛДГбиохимические показателибиологическая активностьfullereneC60C60/poly-N-vinylpyrrolidoneC60/PVP complexLDH activitybiochemical parametersbiological activityReferencesNielsen G., Roursgaard M., Jensen K., et al. In vivo Biology and Toxicology of Fullerenes and Their Derivatives. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2008;103(3):197–208. https://doi.org/10.1111/j.1742-7843.2008.00266.xNielsen G., Roursgaard M., Jensen K., et al. In vivo Biology and Toxicology of Fullerenes and Their Derivatives. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2008;103(3):197–208. https://doi.org/10.1111/j.1742-7843.2008.00266.xShuster D.I., Wilson S.R., Shinazi R.F. Anti-human immunodeficiency virus activity and cytotoxicity of derivatized buckminsterfullerenes. Bioorg. Med. Chem. Lett. 1996;6(11):1253–1256. https://doi.org/10.1016/0960-894X(96)00210-7Shuster D.I., Wilson S.R., Shinazi R.F. Anti-human immunodeficiency virus activity and cytotoxicity of derivatized buckminsterfullerenes. Bioorg. Med. Chem. Lett. 1996;6(11):1253–1256. https://doi.org/10.1016/0960-894X(96)00210-7Shinazi R.F., Sijbesma R., Sradanov G., et al. Synthesis and virucidal activity of a water-soluble, configurationally stable, derivatized C60 fullerene Antimicrob. Agents Chemother.1993;37(8):1707–17110. https://doi.org/10.1128/AAC.37.8.1707Shinazi R.F., Sijbesma R., Sradanov G., et al. Synthesis and virucidal activity of a water-soluble, configurationally stable, derivatized C60 fullerene Antimicrob. Agents Chemother.1993;37(8):1707–17110. https://doi.org/10.1128/AAC.37.8.1707Bakry R., Vallant R., Najam-ul-Haq M., et al. Medicinal applications of fullerenes. Int. J. Nanomedicine. 2007;2(4):639–649.Bakry R., Vallant R., Najam-ul-Haq M., et al. Medicinal applications of fullerenes. Int. J. Nanomedicine. 2007;2(4):639–649.Ворошилов Е.А., Дегтярников В.П., Шуклина А.А. Перспективы применения мягких лекарственных форм с добавлением фуллерена C60 в терапии воспалительных процессов. В сб.: Медицинская помощь при травмах. Новое в организации и технологиях. Перспективы импортозамещения в России: Сборник тезисов Пятого юбилейного конгресса с международным участием. СПб.; 2020. С. 63–64.Voroshilov E.A., Degtyarnikov V.P., Shuklina A.A.Prospects for the use of soft dosage forms with the addition of fullerene C60 in the treatment of inflammatory processes. In: Meditsinskaya pomoshch’ pri travmakh. Novoe v organizatsii i tekhnologiyakh. Perspektivy importozameshcheniya v Rossii (Medical care for injuries. New in organization and technology. Prospects for import substitution in Russia): Collection of abstracts of the Fifth Anniversary Congress with International Participation. St. Petersburg; 2020. Р. 63–64 (in Russ.).Halliwell B. Reactive oxygen species and the central nervous system. J. Neurochem. 1992;59(5):1609–1623. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1992.tb10990.xHalliwell B. Reactive oxygen species and the central nervous system. J. Neurochem. 1992;59(5):1609–1623. https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.1992.tb10990.xKrustic P.J., Wasserman E., Keizer P.N., et al. Radical reactions of C60. Science. 1991;254(5035):1183–1185. https://doi.org/10.1126/science.254.5035.1183Krustic P.J., Wasserman E., Keizer P.N., et al. Radical reactions of C60. Science. 1991;254(5035):1183–1185. https://doi.org/10.1126/science.254.5035.1183Аверьянова М.О., Куракин Г.Ф., Лопина Н.П., Бордина Г.Е. Перспективы применения фуллеренов и их производных как антиоксидантов. Modern Science. 2019;(6–3):11–14.Aver’yanova M.O., Kurakin G.F., Lopina N.P., Bordina G.E. Prospects for the use of fullerenes and their derivatives as antioxidants. Modern Science. 2019;(6–3):11–14 (in Russ.).Dugan L.L., et al. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders. Parkinsonism Relat. Disord. 2001;7(3):243–246. https://doi.org/10.1016/S1353-8020(00)00064-XDugan L.L., et al. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders. Parkinsonism Relat. Disord. 2001;7(3):243–246. https://doi.org/10.1016/S1353-8020(00)00064-XPodolski I.Y., Podlubnaya Z.A., Kosenko E.A., Mugantseva E.A., Мakarova E.G. Effects of hydrated forms of C60 fullerene on amyloid β-peptide fibrillization in vitro and perfomance of the cognitive task. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007;7(4–5):1479–1485. https://doi.org/10.1166/jnn.2007.330Podolski I.Y., Podlubnaya Z.A., Kosenko E.A., Mugantseva E.A., Мakarova E.G. Effects of hydrated forms of C60 fullerene on amyloid β-peptide fibrillization in vitro and perfomance of the cognitive task. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007;7(4–5):1479–1485. https://doi.org/10.1166/jnn.2007.330Moussa F., Chretien P., Dubois P., Chuniaud L., Dessante M., Trivin F., Sizaret P.Y., Agafonov V., Ceolin R., Szwarc H., Greugny V., Fabre C., Rassat A. The Influence of C60 Powders on Cultured Human Leukocytes. Full. Sci. Technol. 2008;3(3):333–342. https://doi.org/10.1080/153638X9508543788Moussa F., Chretien P., Dubois P., Chuniaud L., Dessante M., Trivin F., Sizaret P.Y., Agafonov V., Ceolin R., Szwarc H., Greugny V., Fabre C., Rassat A. The Influence of C60 Powders on Cultured Human Leukocytes. Full. Sci. Technol. 2008;3(3):333–342. https://doi.org/10.1080/153638X9508543788Moussa F., Trivin F., Ceolin R., Hadchouel M., Sizaret P.Y., Greugny V., Fabre C., Rassat A., Szwarc H. Early effects of C60 administration in Swiss mice: A preliminary account for in vivo C 60 toxicity. Full. Sci. Technol. 1996;4(1):21–29. https://doi.org/10.1080/10641229608001534Moussa F., Trivin F., Ceolin R., Hadchouel M., Sizaret P.Y., Greugny V., Fabre C., Rassat A., Szwarc H. Early effects of C60 administration in Swiss mice: A preliminary account for in vivo C60 toxicity. Full. Sci. Technol. 1996;4(1):21–29. https://doi.org/10.1080/10641229608001534Baati T., Bourasset F., Gharbi N., Njim L., Abderrabba M., Kerkeni A., Szwarc H., Moussa F. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene. Biomaterials. 2012;33(19):4936–4946 https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.03.036Baati T., Bourasset F., Gharbi N., Njim L., Abderrabba M., Kerkeni A., Szwarc H., Moussa F. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene. Biomaterials. 2012;33(19):4936–4946. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.03.036Hendrickson O., Fedyunina N., Zherdev A., Solopova O., Sveshnikov P. Dzantiev B. Production of monoclonal antibodies against fullerene C60 and development of a fullerene enzyme immunoassay. Analyst. 2012;137(1):98–105. https://doi.org/10.1039/C1AN15745KHendrickson O., Fedyunina N., Zherdev A., Solopova O., Sveshnikov P. Dzantiev B. Production of monoclonal antibodies against fullerene C60 and development of a fullerene enzyme immunoassay. Analyst. 2012;137(1):98–105. https://doi.org/10.1039/C1AN15745KDa Ros T., Spalluto G., Prato M. Biological Applications of Fullerene Derivatives: A Brief Overview. Croatica Chemica Acta. 2001;74(4):743–755.Da Ros T., Spalluto G., Prato M. Biological Applications of Fullerene Derivatives: A Brief Overview. Croatica Chemica Acta. 2001;74(4):743–755.Belgorodsky B., Fadeev L., Ittah V., Benyamini H., Zelner S., Huppert D., Kotlyar A.B., Gozin M. Formation and characterization of stable human serum albumin-trismalonic acid [C60]fullerene complex. Bioconjug. Chem. 2005;16(5):1058–1062. https://doi.org/10.1021/bc050103cBelgorodsky B., Fadeev L., Ittah V., Benyamini H., Zelner S., Huppert D., Kotlyar A. B., Gozin M. Formation and characterization of stable human serum albumin-trismalonic acid [C60]fullerene complex. Bioconjug. Chem. 2005;16(5):1058–1062. https://doi.org/10.1021/bc050103cДумпис М.А., Николаев Д.Н., Литасова Е.В., Ильин В.В., Брусина М.А., Пиотровский П.Б. Биологическая активность фуллеренов – реалии и перспективы. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2018;16(7):4–20. https://doi.org/10.17816/RCF1614-20Dumpis M.A., Nikolaev D.N., Litasova E.V., Il’in V.V., Brusina M.A., Piotrovskii P.B. Biological activity of fullerenes – realities and prospects. Obzory po klinicheskoi farmakologii i lekarstvennoi terapii (Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy). 2018;16(7):4–20 (in Russ.). https://doi.org/10.17816/RCF1614-20Benyamini H., Shulman-Peleg A., Wolfson H.J., Belgorodsky B., Fadeev L., Gozin M. Interaction of C60-fullerene and carboxyfullerene with proteins: docking and binding site alignment. Bioconjug. Chem. 2006;17(2):378–386. https://doi.org/10.1021/bc050299gBenyamini H., Shulman-Peleg A., Wolfson H.J., Belgorodsky B., Fadeev L., Gozin M. Interaction of C60-fullerene and carboxyfullerene with proteins: docking and binding site alignment. Bioconjug. Chem. 2006;17(2):378–386. https://doi.org/10.1021/bc050299gGharbi N., Pressac M., Hadchouel M., Szwarc H., Wilson S.R., Moussa F. [60] Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity. Nano Lett. 2005;5(12):2578–2585. https://doi.org/10.1021/nl051866bGharbi N., Pressac M., Hadchouel M., Szwarc H., Wilson S.R., Moussa F. [60] Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity. Nano Lett. 2005;5(12):2578–2585. https://doi.org/10.1021/nl051866bXiao L., Takada H., Gan X.H., et al. The water-soluble fullerene derivative ‘Radical Sponge®’ exerts cytoprotective action against UVA irradiation but not visible-light-catalyzed cytotoxicity in human skin keratinocytes. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2006;16(6):1590–1595. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2005.12.011Xiao L., Takada H., Gan X.H., et al. The water-soluble fullerene derivative ‘Radical Sponge®’ exerts cytoprotective action against UVA irradiation but not visible-light-catalyzed cytotoxicity in human skin keratinocytes. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2006;16(6):1590–1595. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2005.12.011Barzegar A., Naghizadeh E., Zakariazaden M., Azamat J. Molecular dynamics simulation study of the HIV-1 protease inhibit ion using fullerene and new fullerene derivatives of carbon nanostructures. Mini Rev. Med. Chem. 2017;17(7):633–647.Barzegar A., Naghizadeh E., Zakariazaden M., Azamat J. Molecular dynamics simulation study of the HIV-1 protease inhibit ion using fullerene and new fullerene derivatives of carbon nanostructures. Mini Rev. Med. Chem. 2017;17(7):633–647.Martinez Z.S., Castro E., Seong C.-S., Ceron M.R., Echegoyen L., Llano M. Fullerene derivatives strongly inhibit HIV-1 replication by affecting virus maturation without impairing protease activity. Antimicrob. Agents Chemother. 2016;60(10):5731–5741. https://doi.org/10.1128/AAC.00341-16Martinez Z.S., Castro E., Seong C.-S., Ceron M.R., Echegoyen L., Llano M. Fullerene derivatives strongly inhibit HIV-1 replication by affecting virus maturation without impairing protease activity. Antimicrob. Agents Chemother. 2016;60(10):5731–5741. https://doi.org/10.1128/AAC.00341-16Гунькин И.Ф., Целуйкин В.Н., Логинова Н.Ю. Синтез и изучение свойств водорастворимых производных фуллерена С60. Журн. прикладной химии. 2006;79(6):1011–1013.Gun’kin I.F., Tseluikin V.N., Loginova N.Yu. Synthesis and properties of water-soluble derivatives of fullerene C60. Russ. J. Appl. Chem. 2006;79(6):1001–1004. https://doi.org/10.1134/S1070427206060243 [Original Russian Text: Gun’kin I.F., Tseluikin V.N., Loginova N.Yu. Synthesis and properties of water-soluble derivatives of fullerene C60. Zhurnal Prikladnoi Khimii. 2006;79(6):1011–1013 (in Russ.).]Каркищенко Н.Н., Грачев С.В. (ред.). Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских исследованиях. М.: Профиль-2С; 2010. 358 с.Karkishchenko N.N., Grachev S.V. (Eds.). Rukovodstvo po laboratornym zhivotnym i al’ternativnym modelyam v biomeditsinskikh issledovaniyakh (The Guide to Laboratory Animals and Alternative Models in Biomedical Research). Moscow: Profil’-2S; 2010. 358 p. (in Russ.).Карпищенко А.И. Медицинские лабораторные технологии. СПб.: Интермедика; 1999. 656 с.Karpishchenko A.I. Meditsinskie laboratornye tekhnologii (Medical Laboratory Technologies). St. Petersburg: Intermedika; 1999. 656 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.