Effect of synthetic and biogenic iron oxide nanoparticles on histopathological parameters of mouse kidneys

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The unique physical, chemical and magnetic properties of iron oxide nanoparticles (INPs) open up wide prospects for the use of nanomaterials in the diagnosis and therapy of various diseases. Despite the high interest from the scientific community, the mechanism of the effect of INPs on the physiology of living organisms has not been fully investigated. This is due to the fact that the toxicity of nanoparticles depends on many factors, including size, synthesis method and the presence of the shell. The research is aimed to investigate the effect of INPs on the morphological structure of the kidneys, depending on the method of synthesis and the presence of a polysaccharide shell after oral administration. In the study was used ferrihydrite INPs of synthetic and biogenic origin. The experiment was conducted on 3 groups of animals (55 mice): Group 1 – control (15 mice), feed without additives; group 2 (20 mice) – experienced, synthetic INPs were introduced into the feed; Group 3 (20 mice) was an experimental group, encapsulated biogenic INPs were introduced into the feed. The collection of biological kidney material for histological examination was carried out on the 1st day and on the 22nd, 36th day after the introduction of INPs into the feed. Histological examination was performed using a standard technique. Staining of histological sections was carried out with hematoxylin-eosin and Perls. The studied morphometric parameters of the kidney were analyzed using the Morphology 7.0 program. As a result of the study, it was found that repeated administration of INPs of both synthetic and biogenic origin is accompanied by hemodynamic disorders in the studied organ, as well as dystrophic and necrotic changes in the cells of the renal parenchyma, leading to the development of renal failure. The most pronounced reactivity is possessed by INPs obtained by the biogenic method, which is probably due to the presence of a polysaccharide shell and the crystalline structure of the iron compound.

About the authors

A. V. Kireeva

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: helena.biryukova.1996@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk

O. A. Kolenchukova

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science; Krasnoyarsk state agricultural university

Email: helena.biryukova.1996@gmail.com

Scientific Research Institute of Medical Problems of the North Federal Research Center

Russian Federation, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

E. A. Biryukova

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science

Author for correspondence.
Email: helena.biryukova.1996@gmail.com

Scientific Research Institute of Medical Problems of the North Federal Research Center

Russian Federation, Krasnoyarsk

S. V. Stolyar

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science; Siberian Federal University

Email: helena.biryukova.1996@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk; Krasnoyarsk

References

  1. Magro M, Baratella D, Bonaiuto E, de A Roger J, Vianello F (2017) New Perspectives on Biomedical Applications of Iron Oxide Nanoparticles. Curr Med Chem 25. https://doi.org/10.2174/0929867324666170616102922
  2. Dadfar SM, Roemhild K, Drude NI, von Stillfried S, Knüchel R, Kiessling F, Lammers T (2019) Iron oxide nanoparticles: Diagnostic, therapeutic and theranostic applications. Adv Drug Deliv Rev 138.
  3. Ebadi M, Buskaran K, Bullo S, Hussein MZ, Fakurazi S, Pastorin G (2021) Drug delivery system based on magnetic iron oxide nanoparticles coated with (polyvinyl alcohol-zinc/aluminium-layered double hydroxide-sorafenib). Alexandr Engin J 60: 733–747. https://doi.org/10.1016/j.aej.2020.09.061
  4. Lang X, Singh R, Zeng Q, Li J, Tosi D, Nedoma J, Marques C, Zhang B, Kumar S (2024) Chitosan-coated iron(III) oxide nanoparticles and tungsten disulfide quantum dots-immobilized Fiber-based WaveFlex Biosensor for Staphylococcus Aureus bacterial detection in real food samples. Sensors Actuators Rep 8: 100239. https://doi.org/10.1016/j.snr.2024.100239
  5. Fauiod OG, Fadel M, El-Hussein A, Fadeel DA (2024) Aluminum phthalocyanine tetrasulfonate conjugated to surface-modified Iron oxide nanoparticles as a magnetic targeting platform for photodynamic therapy of Ehrlich tumor-bearing mice. Photodiagn Photodyn Ther 50: 104356. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2024.104356
  6. Rahman M (2023) Magnetic Resonance Imaging and Iron-oxide Nanoparticles in the era of Personalized Medicine. Nanotheranostics 7: 424–449. https://doi.org/10.7150/ntno.86467
  7. Baumgartner J, Winkler HC, Zandberg L, Tuntipopipat S, Mankong P, Bester C, Hilty F, Zeevaart JR, Gowachirapant S, Zimmermann MB (2022) Iron from nanostructured ferric phosphate: Absorption and biodistribution in mice and bioavailability in iron deficient anemic women. Sci Rep 12: 2792. https://doi.org/10.1038/s41598-022-06701-x
  8. Chilom CG, Sandu N, Iftimie S, Bălăşoiu M, Rogachev A, Orelovich O, Stolyar S (2021) Interactions of Chemically Synthesized Ferrihydrite Nanoparticles with Human Serum Transferrin: Insights from Fluorescence Spectroscopic Studies. Int J Mol Sci 22: 7034. https://doi.org/10.3390/ijms22137034
  9. Vargas-Ortiz JR, Gonzalez C, Esquivel K (2022) Magnetic Iron Nanoparticles: Synthesis, Surface Enhancements, and Biological Challenges. Processes 10: 2282. https://doi.org/10.3390/pr10112282
  10. Shah A, Mankus CI, Vermilya AM, Soheilian F, Clogston JD, Dobrovolskaia MA (2018) Feraheme® suppresses immune function of human T lymphocytes through mitochondrial damage and mitoROS production. Toxicol Appl Pharmacol 350: 52–63. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.04.028
  11. Sabourian P, Yazdani G, Ashraf SS, Frounchi M, Mashayekhan S, Kiani S, Kakkar A (2020) Effect of Physico-Chemical Properties of Nanoparticles on Their Intracellular Uptake. Int J Mol Sci 21: 8019. https://doi.org/10.3390/ijms21218019
  12. Foroozandeh P, Aziz AA (2018) Insight into Cellular Uptake and Intracellular Trafficking of Nanoparticles. Nanoscale Res Lett 13: 339. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2728-6
  13. Mohamed EK, Fathy MM, Sadek NA, Eldosoki DE (2024) The effects of rutin coat on the biodistribution and toxicities of iron oxide nanoparticles in rats. J Nanopart Res 26: 49. https://doi.org/10.1007/s11051-024-05949-w
  14. Kumari M, Rajak S, Singh SP, Kumari SI, Kumar PU, Murty USN, Mahboob M, Grover P, Rahman MF (2012) Repeated Oral Dose Toxicity of Iron Oxide Nanoparticles: Biochemical and Histopathological Alterations in Different Tissues of Rats. J Nanosci Nanotechnol 12: 2149–2159. https://doi.org/10.1166/jnn.2012.5796
  15. Mahalakshmi A, Kurian GA (2019) Evaluation of Chemical and Green Synthesized Iron Oxide Nanoparticles’ Associated Renal Toxicity in Different Experimental Models: A Comparative Study. J Clust Sci 30: 343–350. https://doi.org/10.1007/s10876-018-01492-6
  16. Du B, Yu M, Zheng J (2018) Transport and interactions of nanoparticles in the kidneys. Nat Rev Mater 3: 358–374. https://doi.org/10.1038/s41578-018-0038-3
  17. Khan KNM, Hard GC, Alden CL (2013) Kidney. In: Haschek and Rousseaux’s Handbook of Toxicologic Pathology. Elsevier. 1667–1773.
  18. Stolyar SV, Kolenchukova OA, Boldyreva AV, Kudryasheva NS, Gerasimova YV, Krasikov AA, Yaroslavtsev RN, Bayukov OA, Ladygina VP, Birukova EA (2021) Biogenic Ferrihydrite Nanoparticles: Synthesis, Properties In Vitro and In Vivo Testing and the Concentration Effect. Biomedicines 9: 323. https://doi.org/10.3390/biomedicines9030323
  19. Janik-Olchawa N, Drozdz A, Ryszawy D, Pudelek M, Planeta K, Setkowicz Z, Sniegocki M, Wytrwal-Sarna M, Gajewska M, Chwiej J (2021) The influence of IONPs core size on their biocompatibility and activity in in vitro cellular models. Sci Rep 11: 21808. https://doi.org/10.1038/s41598-021-01237-y
  20. Chen Y, Hou S (2023) Recent progress in the effect of magnetic iron oxide nanoparticles on cells and extracellular vesicles. Cell Death Discov 9: 195. https://doi.org/10.1038/s41420-023-01490-2
  21. Kopac T (2021) Protein corona, understanding the nanoparticle–protein interactions and future perspectives: A critical review. Int J Biol Macromol 169: 290–301. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.12.108
  22. Waris A, Sharif S, Naz S, Manzoor F, Rashid F, Tabassum S, Jamil F, Hussain M, Choi YJ, Park Y-K (2023) Review on metallic nanoparticles induced toxicity on renal function and overall health of kidneys. Environment Engin Res 29: 230549–0. https://doi.org/10.4491/eer.2023.549
  23. Kashgarian M (2006) The Contribution of Quantitative Techniques Including Morphometry to Renal Diagnosis. Ultrastruct Pathol 30: 339–343. https://doi.org/10.1080/01913120600932537
  24. Denic A, Mathew J, Nagineni VV, Thompson RH, Leibovich BC, Lerman LO, Lieske JC, Alexander MP, Augustine JJ, Kremers WK, Rule AD (2018) Clinical and Pathology Findings Associate Consistently with Larger Glomerular Volume. J Am Soc Nephrol 29: 1960–1969. https://doi.org/10.1681/ASN.2017121305
  25. Asghar MS, Denic A, Rule AD (2024) Morphometric analysis of chronicity on kidney biopsy: A useful prognostic exercise. Clin Kidney J 17(2): sfad226. https://doi.org/10.1093/ckj/sfad226
  26. Hemmi S, Matsumoto N, Jike T, Obana Y, Nakanishi Y, Soma M, Hemmi A (2015) Proximal tubule morphology in rats with renal congestion: A study involving the in vivo cryotechnique. Med Mol Morphol 48: 92–103. https://doi.org/10.1007/s00795-014-0084-x
  27. Denic A, Gaddam M, Moustafa A, Mullan AF, Luehrs AC, Sharma V, Thompson RH, Smith ML, Alexander MP, Lerman LO, Barisoni L, Rule AD (2023) Tubular and Glomerular Size by Cortex Depth as Predictor of Progressive CKD after Radical Nephrectomy for Tumor. J Am Soc Nephrol 34: 1535–1545. https://doi.org/10.1681/ASN.0000000000000180
  28. Balas M, Popescu Din IM, Hermenean A, Cinteza LO, Dinischiotu A (2021) Exposure to Iron Oxide Nanoparticles Coated with Phospholipid-Based Polymeric Micelles Induces Renal Transitory Biochemical and Histopathological Changes in Mice. Materials 14: 2605. https://doi.org/10.3390/ma14102605
  29. Nair AV, Keliher EJ, Core AB, Brown D, Weissleder R (2015) Characterizing the Interactions of Organic Nanoparticles with Renal Epithelial Cells in Vivo. ACS Nano 9: 3641–3653. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b00428
  30. Wu L, Wen W, Wang X, Huang D, Cao J, Qi X, Shen S (2022) Ultrasmall iron oxide nanoparticles cause significant toxicity by specifically inducing acute oxidative stress to multiple organs. Part Fibre Toxicol 19: 24. https://doi.org/10.1186/s12989-022-00465-y
  31. Knyazev YuV, Balaev DA, Yaroslavtsev RN, Krasikov AA, Velikanov DA, Mikhlin YuL, Volochaev MN, Bayukov OA, Stolyar SV, Iskhakov RS (2022) Tuning of the Interparticle interactions in ultrafine ferrihydrite nanoparticles. Advanc Nano Res 12: 605–616.
  32. Raĭkher YuL, Stepanov VI, Stolyar SV, Ladygina VP, Balaev DA, Ishchenko LA, Balasoiu M (2010) Magnetic properties of biomineral particles produced by bacteria Klebsiella oxytoca. Physics Solid State 52: 298–305. https://doi.org/10.1134/S1063783410020125
  33. Vandebriel RJ, Vermeulen JP, van Engelen LB, de Jong B, Verhagen LM, de la Fonteyne-Blankestijn LJ, Hoonakker ME, de Jong WH (2018) The crystal structure of titanium dioxide nanoparticles influences immune activity in vitro and in vivo. Part Fibre Toxicol 15: 9. https://doi.org/10.1186/s12989-018-0245-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».