Evaluation of biological effects of graphene oxide using Drosophila

О. Стрільбицька; У. Семанюк; Н. Бурдилюк; О. Лущак

doi:10.15330/pcss.23.2.242-248

Автор(и)

О. Стрільбицька Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
У. Семанюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Н. Бурдилюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
О. Лущак Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.242-248

Ключові слова:

оксид графену, дрозофіла, окислювальний стрес, метаболізм, тривалість життя

Анотація

Графен та його похідні викликали значний інтерес дослідників через свої унікальні фізичні та хімічні властивості. Зростання комерційного виробництва супроводжується поширенням графену в навколишньому середовищі і може становити велику загрозу для багатьох живих організмів, в тому числі і для людей. У цьому дослідженні оцінили біологічний вплив оксиду графену (ОГ) у складі харчового раціону у низьких концентраціях на личинки та імаго Drosophila melanogaster. Споживання ОГ в концентраціях 0,02-1% підвищує швидкість розвитку личинок. Тривале застосування ОГ продовжує тривалість життя дрозофіли та значно підвищує стійкість до стресових факторів. Ми також виявили зниження рівня глюкози у гемолімфі, глікогену та триацилгліцеролів при споживанні середовищ із ОГ. Це свідчить про те, що ОГ впливає на обмін вуглеводів та ліпідів у дорослих дрозофіл. Ці висновки можуть стати корисними для оцінки біологічних ефектів ОГ для живих організмів, які можуть відігравати важливу роль у різноманітних біомедичних застосуваннях на основі графену.

Посилання

A. Armano, S. Agnello, Two-Dimensional Carbon: A Review of Synthesis Methods, and Electronic, Optical, and Vibrational Properties of Single-Layer Graphene, Journal of Carbon Research 5(4), 67 (2019); https://doi.org/10.3390/c5040067.

K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306(5696), 666 (2004); https://doi.org/10.1126/science.1102896.

M. Pumera, Graphene in biosensing, Materials Today 14(7-8), 308 (2011); https://doi.org/10.1016/S1369-7021(11)70160-2.

C. McCallion, J. Burthem, K. Rees-Unwin, A. Golovanov, A. Pluen, Graphene in therapeutics delivery: Problems, solutions and future opportunities, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 104, 235 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2016.04.015.

X. Kang, J. Wang, H. Wu, I.A. Aksay, J. Liu, Y. Lin, Glucose Oxidase–graphene–chitosan modified electrode for direct electrochemistry and glucose sensing, Biosensors and Bioelectronics 25(4), 901 (2009); https://doi.org/10.1016/j.bios.2009.09.004.

L. Ji, P. Meduri, V. Agubra, X. Xiao, M. Alcoutlabi, Graphene-Based Nanocomposites for Energy Storage, Advanced Energy Materials 6, 1502159 (2016); https://doi.org/10.1002/aenm.201502159.

H. Zhang, X. Lv, Y. Li, Y. Wang, J. Li, P25-Graphene Composite as a High Performance Photocatalyst, ACS Nano 4(1), 380 (2010); https://doi.org/10.1021/nn901221k.

H. Su, Y.H. Hu, Recent advances in graphene-based materials for fuel cell applications, Energy Science & Engineering 9, 958 (2021); https://doi.org/10.1002/ese3.833.

R. Yadav, A. Subhash, N. Chemmenchery, B. Kandasubramanian, Graphene and Graphene Oxide for Fuel Cell Technology, Industrial & Engineering Chemistry Research 57 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b02326.

N. Malhotra, O.B. Villaflores, G. Audira, P. Siregar, J.S. Lee, T.R. Ger, C.D. Hsiao, Toxicity Studies on Graphene-Based Nanomaterials in Aquatic Organisms: Current Understanding, Molecules 25(16), 3618 (2020); https://doi.org/10.3390/molecules25163618.

L. Ou, B. Song, H. Liang, J. Liu, X. Feng, B. Deng, T. Sun, L. Shao, Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms, Particle and Fibre Toxicology 13(1), 57 (2016); https://doi.org/10.1186/s12989-016-0168-y.

S. Priyadarsini, S.K. Sahoo, S. Sahu, S. Mukherjee, G. Hota, M. Mishra, Oral administration of graphene oxide nano-sheets induces oxidative stress, genotoxicity, and behavioral teratogenicity in Drosophila melanogaster, Environmental Science and Pollution Research 26(19), 19560 (2019); https://doi.org/10.1007/s11356-019-05357-x.

Q. Guo, Y. Yang, L. Zhao, J. Chen, G. Duan, Z. Yang, R. Zhou, Graphene oxide toxicity in W1118 flies, Science of the Total Environment 805, 150302 (2022); https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150302.

O. Strilbytska, V. Velianyk, N. Burdyliuk, I.S. Yurkevych, A. Vaiserman, K.B. Storey, A. Pospisilik, O. Lushchak, Parental dietary protein-to-carbohydrate ratio affects offspring lifespan and metabolism in drosophila, Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology 241, 110622 (2020); https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2019.110622.

A. Tencha, V. Fedoriv, I. Shtepliuk, R. Yakimova, I. Ivanov, V. Khranovskyy, K. Shavanova, Y. Ruban, Synthesis of graphene oxide inks for printed electronics, IEEE International Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF), (2017); P. 155; https://doi.org/10.1109/YSF.2017.8126608.

O.V. Lozinsky, O.V. Lushchak, N.I. Kryshchuk, N.Y. Shchypanska, A.H. Riabkina, S.V. Skarbek, I.V. Maksymiv, J.M. Storey, K.B. Storey, V.I. Lushchak, S-nitrosoglutathione-induced toxicity in Drosophila melanogaster: Delayed pupation and induced mild oxidative/nitrosative stress in eclosed flies, Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology 164(1), 162 (2013); https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2012.08.006.

O.V. Lozinsky, O.V. Lushchak, J.M. Storey, K.B. Storey, V.I. Lushchak, Sodium nitroprusside toxicity in Drosophila melanogaster: delayed pupation, reduced adult emergence, and induced oxidative/nitrosative stress in eclosed flies, Archives of Insect Biochemistry and Physiology 80(3), 166 (2012); https://doi.org/10.1002/arch.21033.

O.M. Strilbytska, U.V. Semaniuk, K.B. Storey, B.A. Edgar, O.V. Lushchak, Activation of the Tor/Myc signaling axis in intestinal stem and progenitor cells affects longevity, stress resistance and metabolism in drosophila, Comparative Biochemistry and Physiology - Part B: Biochemistry & Molecular Biology 203, 92 (2017); https://doi.org/10.1016/j.cbpb.2016.09.008.

O.M. Strilbytska, K.B. Storey, O.V. Lushchak, TOR signaling inhibition in intestinal stem and progenitor cells affects physiology and metabolism in Drosophila, Comparative Biochemistry and Physiology - Part B: Biochemistry & Molecular Biology 243-244, 110424 (2020); https://doi.org/10.1016/j.cbpb.2020.110424.

B.M. Rovenko, N.V. Perkhulyn, O.V. Lushchak, J.M. Storey, K.B. Storey, V.I. Lushchak, Molybdate partly mimics insulin-promoted metabolic effects in Drosophila melanogaster, Comparative Biochemistry and Physiology - Part C: Toxicology & Pharmacology 165, 76 (2014); https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2014.06.002.

O.M. Strilbytska, A. Zayachkivska, A. Koliada, F. Galeotti, N. Volpi, K.B. Storey, A. Vaiserman, O. Lushchak, Anise Hyssop Agastache foeniculum Increases Lifespan, Stress Resistance, and Metabolism by Affecting Free Radical Processes in Drosophila, Frontiers in Physiology 11, 596729 (2020); https://doi.org/10.3389/fphys.2020.596729.

A. Bianco, Graphene: Safe or Toxic? The Two Faces of the Medal, Angewandte Chemie International Edition 52(19), 4986 (2013); https://doi.org/10.1002/anie.201209099.

X. Wang, T. Zhang, H. Xie, Z. Wang, D. Jing, K. He, X. Gao, Phenotypic responses and potential genetic mechanism of lepidopteran insects under exposure to graphene oxide, Ecotoxicology and Environmental Safety 228, 113008 (2021); https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.113008.

H. Zou, F. Zhao, W. Zhu, L. Yan, H. Chen, Z. Gu, Q. Yuan, M. Zu, R. Li, H. Liu, In Vivo Toxicity Evaluation of Graphene Oxide in Drosophila Melanogaster After Oral Administration, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 16(7), 7472 (2016); https://doi.org/10.1166/jnn.2016.11126.

X. Wang, H. Xie, Z. Wang, K. Hea, D. Jing, Graphene oxide as a multifunctional synergist of insecticides against lepidopteran insect, Environmental Science: Nano 6(1), (2018); https://doi.org/10.1039/C8EN00902C.

S.H. Lee, H.Y. Lee, E.J. Lee, D. Khang, K.J. Min, Effects of carbon nanofiber on physiology of Drosophila, International Journal of Nanomedicine 10, 3687 (2015); https://doi.org/10.2147/IJN.S82637.

S.M. Shreve, S.X. Yi, R.E. Jr. Lee, Increased dietary cholesterol enhances cold tolerance in Drosophila melanogaster, Cryo Letters 28(1), 33 (2007); https://www.ingentaconnect.com/content/cryo/cryo/2007/00000028/00000001/art00004.

R. Kurapati, S.P. Mukherjee, C. Martín, G. Bepete, E. Vázquez, A. Pénicaud, B. Fadeel, A. Bianco, Degradation of Single-Layer and Few-Layer Graphene by Neutrophil Myeloperoxidase, Angewandte Chemie International Edition 57(36), 11722 (2018); https://doi.org/10.1002/anie.201806906.

G. Peng, M.F. Montenegro, C.N.M. Ntola, S. Vranic, K. Kostarelos, C. Vogt, M.S. Toprak, T. Duan, K. Leifer, L. Bräutigam, J.O. Lundberg, B. Fadeel, Nitric oxide-dependent biodegradation of graphene oxide reduces inflammation in the gastrointestinal tract, Nanoscale 12(32), 16730 (2020); https://doi.org/10.1039/d0nr03675g.