АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ НЕЙТРОФИЛОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА

conditions, 
statistically 
significant 
changes 
in 
coenzyme 
Q10 

concentration during the recovery period (as compared to that in 
starvation) were not revealed.
Statistically significant differences in coenzyme Q10 content in the 
liver of animals receiving the standard diet without exogenous coenzyme 
Q10 were not found at various stages of the study. Coenzyme Q10 
concentration tended to increase during acute metabolic stress, but 
decreased to the baseline in the recovery period. Dietary consumption 
of coenzyme Q10 in doses of 10 and 100 mg/kg was followed by a change 
in the dynamics of liver coenzyme Q10 content in active and passive 
specimens. As differentiated from the animals not receiving this 
additive, coenzyme Q10 concentration in rats of study groups was shown 
to decrease to the minimal level.
These data illustrate a physiological increase in the level of coenzyme 
Q10 in the blood, brain, and liver tissue of rats during acute 
metabolic stress. Dietary consumption of coenzyme Q10 contributes to a 
decrease in the concentration of this compound during starvation, which 
probably plays an adaptive role. The observed changes are more typical 
of behaviorally active specimens, which exhibit high resistance
to 

negative consequences of stress loads.
REFERENCES
1.
A. V. Vasilev, E. A. Martynova, N. E. Sharanova, and M. M. G. 

Gapparov, Byull. Eksp. Biol. Med., 150, No. 10, 387-390 (2010).
2.
S. S. Pertsov, I. V. Alekseeva, E. V. Koplik, et al., Byull. Eksp. 

Biol. Med., 157, No. 1, 14-18 (2014).
3.
N. E. Sharanova, V. A. Baturina, A. V. Vasilev, and M. M. G. 

Gapparov, Byull. Eksp. Biol. Med., 151, No. 6, 624-627 (2011).
DOI:10.12737/12490

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО 

СОСТОЯНИЯ НЕЙТРОФИЛОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА 

ТИТАНА

Л.А. Шарафутдинова1, В.В. Гайнитдинова2, И.М. Камалтдинов1,

З.Р. Хисматуллина1, С.А. Башкатов1, В.Г. Шамратова1

1 Башкирский государственный университет, Уфа

2 Башкирский государственный медицинский университет, Уфа

sharafla@yandex.ru

Резюме: изучены наномеханические свойства мембраны нейтрофилов крови 
методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) после воздействия наночастиц 
диоксида титана (НЧ TiO2).
Показано, что АСМ позволяет оценить 

воздействие наночастиц на молекулярную структуру мембраны нейтрофилов 
крови. Выявлено увеличение жесткости мембран нейтрофилов (модуля Юнга) 
после воздействия НЧ TiO2. 
Ключевые слова: нейтрофилы, жесткость мембраны, наночастицы TiO2.
Изучение влияния наноматериалов на организм человека, метаболические 
процессы и разработка методов, позволяющих получать эту информацию, в 
настоящее время являются важными и актуальными задачами. Атомно-силовая 

микроскопия (АСМ) как один из перспективных методов клеточной биологии 
открывает новые возможности в цитодиагностике, позволяет изучить 
наномеханические свойства мембран, определяющих течение физиологических 
и патологических процессов в клетке [1]. Поскольку любой вариант 
введения наноматериалов при использовании in vivo предполагает их 
контакт с клетками неспецифической и специфической защиты, объектом 
нашего исследования явились нейтрофилы периферической крови человека. 
Нейтрофилы характеризуются высокой морфологической пластичностью при 
выполнении своих физиологических функций, подвергаются значительным 
внешним перестройкам, запускают процесс биодеструкции вновь поглощенных 
частиц. В то же время частицы сами могут оказывать негативное 
воздействие на различные звенья цитотоксического комплекса нейтрофилов 
[2]. 
Цель 
настоящего 
исследования: 
оценить 
наномеханические 
свойства 

мембраны нейтрофилов крови методом АСМ после воздействия наночастиц 
диоксида титана (НЧ TiO2).
Методика Клетки выделяли из гепаринизированной (20 ед/мл) венозной 
крови доноров на двойном градиенте фиколл-урографина по методике И.В. 
Подосинникова и др. [4]. Нейтрофилы (2∙106 клеток/мл) инкубировали с НЧ 
TiO2 (0,75 мг/ мл, размер частиц 10 - 40 нм) в течение 30 мин при 37°С. 
Оценка упругих свойств мембраны нейтрофилов проводилась в режиме 
силовой спектроскопии. В основе метода атомно-силовой спектроскопии 
лежит регистрация «силовых кривых», отражающих отклонение гибкой балки 
АСМ-зонда при взаимодействии вершины зонда с поверхностью. Исследования 
поверхности клеток проводили в жидкостной ячейке на АСМ Agilent 5500 с 
использованием кремниевых зондов PPP-CONTPt (Nanosensors) и коллоидных 
V-образных зондов CP-PNPL-SiO-C
с круглым наконечником (диаметр 6,62 

мкм). 
Жесткость 
мембран 
оценивалась 
по 
модулю 
Юнга, 
который 

рассчитывали 
согласно 
теории 
Герца 
[2]. 
В 
серии 
экспериментов 

сравнивали жесткость мембраны нейтрофилов, полученных из крови здоровых 
доноров, до и после инкубации с НЧ TiO2. Статистическую обработку данных 
производили в пакете прикладных программ STATISTICA
V.7.0, для 

сравнения групп использовали t-критерий Стьюдента, нулевую гипотезу об 
отсутствии различий групп отвергали при p<0,05. 
Результаты.
Данные атомно-силовой спектроскопии упругих деформаций 

нейтрофилов 
показали, 
что 
жесткость 
мембраны 
нативных 
клеток 

контрольной группы составила в среднем 13,45±0,08 кПа, тогда как после 
воздействия НЧ TiO2 – 25,21±0,12 кПа (p<0.05). Этот факт свидетельствует 
о снижении эластичности и вязкости клеточной мембраны и повышении 
жесткости нейтрофилов после воздействия НЧ TiO2. Таким образом, НЧ TiO2 
воздействуют на упругие свойства нейтрофилов, повышая ригидность клеток 
почти в два раза. Более высокие значения модуля Юнга после воздействия 
НЧ TiO2, очевидно, обусловлены патологическими процессами, нарушающими 
молекулярную структуру клеточной мембраны, снижающими ее вязкоэластические свойства и повышающими жесткость. Заключение. Результаты 
наших исследований показали, что АСМ позволяет оценить воздействие 
наночастиц TiO2 на молекулярную структуру мембраны нейтрофилов крови. 
Исследование жесткости мембраны нейтрофилов показало, что модуль Юнга 
после воздействия НЧ TiO2 значительно повышается по сравнению с 
нативными клетками.  

Литература.
1.
Roca-Cusachs P., Almendros I., SunyerRaimon et al. // Biophys. J. 

2006. Vol. 91. P. 3508–3518. 
2.
Bukharaev A.A., Mozhanova A.A., Nurgazizov N.I., Ovchinnikov D.V. 

// Physic of low-dimension structures. 2004. Vol.3, N4. P. 153-158.
3.
Pleskova S.N., Gorshkova E.N., Mikheeva E.R., Shushunov A.N. s // 

Cell and Tissue Biology. 2011. Vol. 5, N 4. P. 332-338.
4.
Podosinnikov I.V., Nilova L.G., Babichev I.V. // Laboratory 

Business. 1981. Vol. 8. P. 68-70.

ATOMIC FORCE MICROSCOPY FOR THE ASSESSMENT OF THE NEUTROPHILS 

FUNCTIONAL STATE AFTER TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICLES 

EXPOSURE

L.A. Sharafutdinova, V.V. Gaynitdinova, I.M. Kamaltdinov, Z.R. 

Hismatullina, S.A. Bashkatov, V.G. Shamratova

1Bashkir state University, Ufa

2Bashkir state medical University, Ufa

sharafla@yandex.ru

Summary: Nanomechanical properties of membrane of blood neutrophils by 
method of the atomic and power microscopy (APM) after influence of 
titan dioxide nanoparticles (TiO2 NP) were studied. It was shown that 
APM allows estimating impact of nanoparticles on molecular structure of 
blood neutrophils membrane. The increase in rigidity of membranes 
neutrophils (Jung module) after influence of TiO2 NP was revealed.
Key words:
neutrophils, membrane rigidity, TiO2 nanoparticles, atomic 

and power microscopy.
Research of the impact of nanomaterials on the human body, the 
metabolic processes in living organisms and the development of 
techniques to obtain this information are currently very important and 
relevant tasks. Atomic and power microscopy (APM) as one of the 
promising methods in cell biology opens up new possibilities in 
cytodiagnostics because it allows higher resolution to
study the 

nanomechanical 
properties 
of 
the 
membranes 
that 
determine 
the 

physiological and pathological processes in the cell [1]. Because any 
introduction of nanomaterials when used in vivo involves contact with 
the cells of the nonspecific and specific defense, the object of our 
study 
was 
neutrophils 
of 
human 
peripheral. 
These 
cells 
are 

characterized by high morphological plasticity and while carrying out 
their physiological functions they are subjected to significant 
external changes. Neutrophils are cells rich in destructive potential, 
they start the process of biodegradation of the newly absorbed 
particles, on the one hand, and, on the other hand, these particles may 
have a negative impact on various elements of the cytotoxic complex of 
neutrophils themselves [2].
The purpose of this research was to evaluate the nanomechanical 
properties of the blood neutrophils membrane by atomic force microscopy 
after exposure to titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NP). 

Methods Cells were isolated from heparinized (20 u/ml) donor venous 
blood on a double gradient ficoll-urografin by the method of I.V. 
Podosinnikov and others [4]. Neutrophils (2∙106 cells/ml) were incubated 
with low TiO2 NP (0.75 mg/ ml, particle size of 10-40 nm) for 30 min at 
37°C. Estimation of the elastic properties of neutrophils membrane was 
carried out in the mode of force spectroscopy. At the base of atomic 
force spectroscopy method is the registration of the power curves that 
reflect the deflection of the flexible beam of the APM probe in the 
interaction of the probe vertice with the surface depending on the 
distance between them. The study of the cells surface was performed in 
a fluid box on the Agilent 5500 APM using silicon probes PPP CONTPt 
(Nanosensors) and colloid V-shaped probes CP-PNPL-SiO-C with a round 
tip (diameter 6,62μm). The stiffness of the membranes was estimated 
using Jung module, which was calculated according to Hertz theory [2]. 
In a series of experiments were compared the stiffness of neutrophils 
membrane obtained from healthy blood donors and after incubation with 
TiO2 NP. Statistical data processing was carried out in the application 
package STATISTICA V.7.0. T-test was used to compare the groups, the 
zero hypothesis of groups distinctions lack was rejected at p<0, 05.
Results Analysis of the results of atomic force spectroscopy of 
neutrophils elastic deformation allowed to reveal that the membrane 
stiffness of native cells of the control averaged group was 13,45±0.08 
kPa, whereas after exposure to TiO2 NP it was 25,21±0,12 kPa (p<0.05).
Thus TiO2
NP
influence elastic properties of neutrophils raising a 

rigidnost of cages almost twice. Higher values of Jung module
after 

influence of TiO2
NP,
obviously, were caused by the pathological 

processes breaking molecular structure of a cellular membrane, reducing 
it viscous and elastic properties, increasing rigidity. 
Conclusion. Results of our researches showed that atomic force 
microscopy allows estimating impact of TiO2 nanoparticles on molecular 
structure of blood neutrophils membrane. Research of neutrophil 
membrane rigidity showed that Jung module after influence of TiO2 NP
considerably raises in comparison with native cells.
References.
1.
Roca-Cusachs P., Almendros I., SunyerRaimon et al. // Biophys. J. 

2006. Vol. 91. P. 3508–3518.
2.
Bukharaev A.A., Mozhanova A.A., Nurgazizov N.I., Ovchinnikov D.V. 

// Physic of low-dimension structures. 2004. Vol.3, N4. P. 153-158.
3.
Pleskova S.N., Gorshkova E.N., Mikheeva E.R., Shushunov A.N. 
//

Cell and Tissue Biology. 2011. Vol. 5, N 4. P. 332-338.
4.
Podosinnikov I.V., Nilova L.G., Babichev I.V. // Laboratory 

Business. 1981. Vol. 8. P. 68-70.
DOI:10.12737/12491