Наноматериалы на основе наночастиц оксида церия для регенерации ран: обзор литературы

Цель: провести анализ данных по синтезу и свойствам наночастиц оксида церия, а также перспективам его применения в регенеративной медицине для заживления ран. Методология. Проведен обзор мировой литературы по базам данных PubMed, SCOPUS, ResearchGate, КиберЛенинка, Elibrary, а также с помощью ручного поиска по авторам и спискам литературы. Ключевые поисковые термины: «cerium oxide» AND nano* AND (healing OR regeneration OR repair) AND wound». Сроки – с даты публикации по август 2023 г. Результаты. В итоговый анализ были включены 59 источников, содержащих информацию о синтезе и размере наночастиц (и/или других физико-химических характеристиках), методологии и результатах исследований in vivo и in vitro, посвященных эффективности и/или безопасности применения наноцерия для регенерации ран. Показано, что несмотря на прогрессирующий в течение последних 15 лет рост исследовательского интереса, до сих пор реальное применение наноцерия в практической медицине не распространено, это связано с большим разнообразием нестандартизированных методов и условий синтеза, что в итоге обуславливает вариабельность физико-химических параметров наночастиц (размер, форма), влияя на безопасность и медико-биологическую эффективность наноцерия. Обсуждаются механизмы регенерации, включая антиоксидантно-прооксидантный, противовоспалительный и антимикробный эффекты наноцерия, способствующие ускорению заживления ран. Выраженность регенеративных эффектов зависит от способа и условий синтеза, следовательно, от результирующих физико-химических характеристик наночастиц. Поэтому после каждой партии вновь синтезированный наноцерий нуждается в физико-химических и биолого-медицинских экспериментальных проверках. Заключение. Наноцерий обладает большим потенциалом применения в тканевой инженерии для регенеративной медицины, в частности, для заживления ран различного генеза. Разработка технологии стандартизированного синтеза в производственных масштабах эффективного и безопасного наноцерия (нужной формы, размера) даст возможность внедрить его применение в медицину, улучшив результаты лечения многих заболеваний и патологий. В заключении авторы приводят выводы о результатах исследования наноцерия для ускорения качественной регенерации и требованиях к получаемым в процессе синтеза наночастицам.

1. Nosrati H, Heydari M, Khodaei M. Cerium oxide nanoparticles: Synthesis methods and applications in wound healing. Mater Today Bio. 2023 Dec 1; 23: 100823. doi: 10.1016/j.mtbio.2023.100823. PMID: 37928254; PMCID: PMC10622885.

2. Barker E, Shepherd J, Asencio IO. The Use of Cerium Compounds as Antimicrobials for Biomedical Applications. Molecules. 2022 May 1; 27 (9): 2678. doi: 10.3390/molecules27092678. PMID: 35566026; PMCID: PMC9104093.

3. Norman G, Christie J, Liu Z, Westby MJ, Jefferies JM, Hudson T et al. Antiseptics for burns. Cochrane Database Syst Rev. 2017 Jul 12; 7 (7): CD011821. doi: 10.1002/14651858.CD011821.pub2. PMID: 28700086; PMCID: PMC6483239.

4. Silina EV, Stupin VA, Manturova NE, Ivanova OS, Popov AL, Mysina EA et al. Influence of the Synthesis Scheme of Nanocrystalline Cerium Oxide and Its Concentration on the Biological Activity of Cells Providing Wound Regeneration. Int J Mol Sci. 2023 Sep 24; 24 (19): 14501. doi: 10.3390/ijms241914501. PMID: 37833949; PMCID: PMC10572590.

5. Chen BH, Stephen Inbaraj B. Various physicochemical and surface properties controlling the bioactivity of cerium oxide nanoparticles. Crit Rev Biotechnol. 2018 Oct 3; 38 (7): 1003–1024. doi: 10.1080/07388551.2018.1426555. Epub 2018 Feb 5. PMID: 29402135.

6. Мантурова НЕ, Ступин ВА, Силина ЕВ. Наночастицы оксида церия для хирургии, пластической хирургии и эстетической медицины. Пластическая хирургия и эстетическая медицина. 2023; 3: 120–129. doi: 10.17116/plast.hirurgia2023031120.

7. Stephen Inbaraj B, Chen BH. An overview on recent in vivo biological application of cerium oxide nanoparticles. Asian J Pharm Sci. 2020 Sep 1; 15 (5): 558–575. doi: 10.1016/j.ajps.2019.10.005. Epub 2019 Nov 27. PMID: 33193860; PMCID: PMC7610205.

8. Damle MA, Jakhade AP, Chikate RC. Modulating Proand Antioxidant Activities of Nanoengineered Cerium Dioxide Nanoparticles against Escherichia coli. ACS Omega. 2019; 4 (2): 3761–3771. doi: 10.1021/acsomega.8b03109.

9. Dhall A, Self W. Cerium oxide nanoparticles: A brief review of their synthesis methods and biomedical applications. Antioxidants (Basel). 2018 Jul 24; 7 (8): 97. doi: 10.3390/antiox7080097. PMID: 30042320; PMCID: PMC6116044.

10. Chai WF, Tang KS. Protective potential of cerium oxide nanoparticles in diabetes mellitus. J TraceElem MedBiol. 2021 Jul; 66: 126742. doi: 10.1016/j.jtemb.2021.126742. Epub 2021 Mar 10. PMID: 33773280.

11. Yadav N. Cerium oxide nanostructures: properties, biomedical applications and surface coatings. 3 Biotech. 2022 May; 12 (5): 121. doi: 10.1007/s13205-02203186-3. Epub 2022 Apr 23. PMID: 35547014; PMCID: PMC9035199.

12. Younis A, Chu D, Li S, Younis A, Chu D, Li S. Cerium Oxide Nanostructures and their Applications. Functionalized Nanomaterials. IntechOpen; 2016 Dec 28. doi: 10.5772/65937.

13. Bhattacharya D, Tiwari R, Bhatia T, Purohit MP, Pal A, Jagdale P et al. Accelerated and scarless wound repair by a multicomponent hydrogel through simultaneous activation of multiple pathways. Drug Deliv Transl Res. 2019 Dec 1; 9 (6): 1143–1158. doi: 10.1007/s13346019-00660-z. PMID: 31317345.

14. Myshkina AV, Bazhukova IN, Kiryakov AN, Sokovnin SY, Il’Ves VG, Kasyanova VV. Optical and luminescent properties of ceria nanoparticles produced by gas phase method. Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1 (Iss. 1461): 12112. doi: 10.1088/1742-6596/1461/1/012112.

15. Ma X, Cheng Y, Jian H, Feng Y, Chang Y, Zheng R et al. Hollow, Rough, and Nitric Oxide-Releasing Cerium Oxide Nanoparticles for Promoting Multiple Stages of Wound Healing. Adv Healthc Mater. 2019 Aug 1; 8 (16): e1900256. doi: 10.1002/adhm.201900256. Epub 2019 Jul 10. PMID: 31290270.

16. Zhou D, Du M, Luo H, Ran F, Zhao X, Dong Y et al. Multifunctional mesoporous silica-cerium oxide nanozymes facilitate miR129 delivery for high-quality healing of radiation-induced skin injury. J Nanobiotechnology. 2022 Sep 14; 20 (1): 409. doi: 10.1186/s12951-022-01620-5. PMID: 36104685; PMCID: PMC9476328.

17. Yu F, Zheng M, Zhang AY, Han Z. A cerium oxide loaded glycol chitosan nano-system for the treatment of dry eye disease. J Control Release. 2019 Dec 10; 315: 40–54. doi: 10.1016/j.jconrel.2019.10.039. Epub 2019 Oct 24. PMID: 31669212; PMCID: PMC6925533.

18. Humaira, Bukhari SAR, Shakir HA, Khan M, Saeed S, Ahmad I, Irfan M. Biosynthesized Cerium Oxide Nanoparticles CeO2NPs: Recent Progress and Medical Applications. Curr Pharm Biotechnol. 2023; 24 (6): 766–779. doi: 10.2174/1389201023666220821161737. PMID: 36017829.

19. Devasvaran K, Lim V. Green synthesis of metallic nanoparticles using pectin as a reducing agent: a systematic review of the biological activities. Pharm Biol. 2021; 59 (1): 494–503. doi: 10.1080/13880209.2021.1910716. PMID: 33905665; PMCID: PMC8081311.

20. Rajeshkumar S, Naik P. Synthesis and biomedical applications of Cerium oxide nanoparticles – A Review. Biotechnol Rep (Amst). 2017 Nov 29: 17: 1–5. doi: 10.1016/j.btre.2017.11.008. PMID: 29234605; PMCID: PMC5723353.

21. Труфанова ЕА. Простой индикаторный метод определения рH как способ оценки состояния хронической экссудирующей раны. Молодой ученый. 2019; (274): 30–33.

22. Kurian M, Kunjachan C. Investigation of size dependency on lattice strain of nanoceria particles synthesised by wet chemical methods. Int Nano Lett. 2014; 4: 73–80. doi: 10.1007/s40089-014-0122-7.

23. Filippova AD, Sozarukova MM, Baranchikov AE, Kottsov SY, Cherednichenko KA, Ivanov VK. Peroxidase-like Activity of CeO2 Nanozymes: Particle Size and Chemical Environment Matter. Molecules. 2023 Apr 29; 28 (9): 3811. doi: 10.3390/molecules28093811. PMID: 37175221; PMCID: PMC10180353.

24. Wu Y, Ta HT. Different approaches to synthesising cerium oxide nanoparticles and their corresponding physical characteristics, and ROS scavenging and anti-inflammatory capabilities. J Mater Chem B. 2021 Sep 28; 9 (36): 7291–7301. doi: 10.1039/d1tb01091c. PMID: 34355717.

25. Офицерова НЮ, Бажукова ИН, Мышкина АВ. Мультифункциональные нанозимы на основе наночастиц оксида церия. Траектория исследований – человек, природа, технологии. 2023; (1): 104–119. doi: 10.56564/27825264_2023_1_104.

26. Fu Y, Kolanthai E, Neal CJ, Kumar U, Zgheib C, Liechty KW, Seal S. Engineered Faceted Cerium Oxide Nanoparticles for Therapeutic miRNA Delivery. Nanomaterials (Basel). 2022 Dec 9; 12 (24): 4389. doi: 10.3390/nano12244389. PMID: 36558243; PMCID: PMC9784897.

27. Nanda HS. Surface modification of promising cerium oxide nanoparticles for nanomedicine applications. RSC Adv. 2016; 6 (113): 111889–111894. Doi: 10.1039/C6RA23046F.

28. Yadav S, Chamoli S, Kumar P, Maurya PK. Structural and functional insights in polysaccharides coated cerium oxide nanoparticles and their potential biomedical applications: A review. Int J Biol Macromol. 2023 Aug; 246: 125673. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125673. Epub 2023 Jul 3. PMID: 37406905.

29. Cao L, Shao G, Ren F, Yang M, Nie Y, Peng Q, Zhang P. Cerium oxide nanoparticle-loaded polyvinyl alcohol nanogels delivery for wound healing care systems on surgery. Drug Deliv. 2021; 28 (1): 390–399. PMID: 33594917.

30. Dewberry LC, Niemiec SM, Hilton SA, Louiselle AE, Singh S, Sakthivel TS et al. Cerium oxide nanoparticle conjugation to microRNA-146a mechanism of correction for impaired diabetic wound healing. Nanomedicine. 2022 Feb 1; 40: 102483. doi: 10.1016/j.nano.2021.102483. Epub 2021 Nov 6. PMID: 34748956; PMCID: PMC9153729.

31. Cheng H, Shi Z, Yue K, Huang X, Xu Y, Gao C et al. Sprayable hydrogel dressing accelerates wound healing with combined reactive oxygen species-scavenging and antibacterial abilities. Acta Biomater. 2021 Apr 1; 124: 219–232. doi: 10.1016/j.actbio.2021.02.002. Epub 2021 Feb 6. PMID: 33556605.

32. Andrabi SM, Majumder S, Gupta KC, Kumar A. Dextran based amphiphilic nano-hybrid hydrogel system incorporated with curcumin and cerium oxide nanoparticles for wound healing. Colloids Surf B Biointerfaces. 2020 Nov 1; 195: 111263. doi: 10.1016/j.colsurfb.2020.111263. PMID: 32717624.

33. Chen YH, Rao ZF, Liu YJ, Liu XS, Liu YF, Xu LJ et al. Multifunctional Injectable Hydrogel Loaded with Cerium-Containing Bioactive Glass Nanoparticles for Diabetic Wound Healing. Biomolecules. 2021 May 8; 11 (5): 702. doi: 10.3390/biom11050702. PMID: 34066859; PMCID: PMC8151889.

34. Галиченко КА, Сухов АВ, Тимошкин СП, Алхататнех БАС, Миронов ММ, Елдырева МВ и др. Влияние топического применения наночастиц оксида церия на регенерацию тканей в эксперименте. Медикофармацевтический журнал «Пульс». 2023; 25 (5): 96–100.

35. Melnikova N, Sheferov I, Panteleev D, Emasheva A, Druzhkova I, Ignatova N et al. Design and Study of Nanoceria Modified by 5-Fluorouracil for Gel and Polymer Dermal Film Preparation. Pharmaceuticals (Basel). 2023 Jul 29; 16 (8): 1082. doi: 10.3390/ph16081082. PMID: 37630997; PMCID: PMC10458209.

36. Popov AL, Khohlov NV, Popova NR, Andreeva VV, Kamenskikh KA, Ermakov AM, Ivanov VK. Composite cerium oxide nanoparticles-containing polysaccharide hydrogel as effective agent for burn wound healing. Key Eng Mater. 2021; 899 KEM: 493–505. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.899.493.

37. Гаврилюк ВБ, Хохлов НВ, Попов АЛ, Титаева АА, Куликов АВ, Андрюхина ВВ, изобретатели; ООО «Новаскин», правопреемник. Композиция на основе наночастиц диоксида церия и полисахаридов бурых водорослей для лечения ран. Российская Федерация, патент RU2699362C2. 2018.

38. Великанов ЕВ, Хохлов НВ, Бровкин АН, изобретатели; OOO «ИНТЭКОС», правопреемник. Композиция для лечения ран и ожогов (варианты). Российская Федерация, патент RU2734819C1. 2019.

39. Mauro M, Crosera M, Monai M, Montini T, Fornasiero P, Bovenzi M et al. Cerium oxide nanoparticles absorption through intact and damaged human skin. Molecules. 2019 Oct 18; 24 (20): 3759. doi: 10.3390/molecules24203759. PMID: 31635398; PMCID: PMC6832931.

40. Chigurupati S, Mughal MR, Okun E, Das S, Kumar A, McCaffery M et al. Effects of cerium oxide nanoparticles on the growth of keratinocytes, fibroblasts and vascular endothelial cells in cutaneous wound healing. Biomaterials. 2013 Mar; 34 (9): 2194–2201. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.11.061. Epub 2012 Dec 23. PMID: 23266256; PMCID: PMC3552035.

41. Gong X, Luo M, Wang M, Niu W, Wang Y, Lei B. Injectable self-healing ceria-based nanocomposite hydrogel with ROS-scavenging activity for skin wound repair. Regen Biomater. 2021 Dec 24; 9 (1): rbab074. doi: 10.1093/rb/rbab074. PMID: 35449829; PMCID: PMC9017367.

42. Raja IS, Fathima NN. Gelatin-cerium oxide nanocomposite for enhanced excisional wound healing. ACS Appl Bio Mater. 2018 Aug 20; 1 (2): 487–495. doi: 10.1021/acsabm.8b00208. PMID: 35016389.

43. Kargozar S, Baino F, Hoseini SJ, Hamzehlou S, Darroudi M, Verdi J et al. Biomedical applications of nanoceria: New roles for an old player. Nanomedicine. 2018 Dec 1; 13 (23): 3051–3069. doi: 10.2217/nnm-2018-0189. PMID: 30507347.

44. Sadidi H, Hooshmand S, Ahmadabadi A, Hoseini SJ, Baino F, Vatanpour M, Kargozar S. Cerium oxide nanoparticles (Nanoceria): Hopes in soft tissue engineering. Molecules. 2020 Oct 6; 25 (19): 4559. doi: 10.3390/molecules25194559. PMID: 33036163; PMCID: PMC7583868.

45. Silina EV, Manturova NE, Vasin VI, Artyushkova EB, Khokhlov NV, Ivanov AV, Stupin VA. Efficacy of a novel smart polymeric nanodrug in the treatment of experimental wounds in Rats. Polymers (Basel). 2020 May 14; 12 (5): 1126. doi: 10.3390/polym12051126. PMID: 32423071; PMCID: PMC7285345.

46. Karakoti AS, Kuchibhatla SVNT, Babu KS, Seal S. Direct synthesis of nanoceria in aqueous polyhydroxyl solutions. Journal of Physical Chemistry C. 2007 Nov 22; 111 (46): 17232–17240. doi: 10.1021/jp076164k.

47. Rather HA, Thakore R, Singh R, Jhala D, Singh S, Vasita R. Antioxidative study of Cerium Oxide nanoparticle functionalised PCL-Gelatin electrospun fibers for wound healing application. Bioact Mater. 2017 Oct 2; 3 (2): 201–211. doi: 10.1016/j.bioactmat.2017.09.006. PMID: 29744458; PMCID: PMC5935766.

48. He J, Meng X, Meng C, Zhao J, Chen Y, Zhang Z, Zhang Y. Layer-by-Layer Pirfenidone/Cerium Oxide Nanocapsule Dressing Promotes Wound Repair and Prevents Scar Formation. Molecules. 2022 Mar; 27 (6): 1830. doi: 10.3390/molecules27061830. PMID: 35335197; PMCID: PMC8955702.

49. Солодовникова ОН, Молочный ВП. «Кислородный взрыв» нейтрофильных лейкоцитов в патогенезе воспалительной реакции при гнойных инфекциях у детей. Дальневосточный медицинский журнал. 2012; (1): 118.

50. Буйко ЕЕ, Зыкова МВ, Иванов ВВ, Братишко КА, Уфандеев АА, Григорьева ИО и др. Антиоксидантная активность серебросодержащих бионанокомпозиций на основе гуминовых веществ в культуре клеток. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021; 10 (4): 46–53. doi: 10.33380/2305-2066-2021-10-4-46-53.

51. Popov AL, Popova NR, Selezneva II, Akkizov AY, Ivanov VK. Cerium oxide nanoparticles stimulate proliferation of primary mouse embryonic fibroblasts in vitro. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2016 Nov 1; 68: 406–413. doi: 10.1016/j.msec.2016.05.103. Epub 2016 May 31. PMID: 27524035.

52. Shah V, Shah S, Shah H, Rispoli FJ, McDonnell KT, Workeneh S et al. Antibacterial Activity of Polymer Coated Cerium Oxide Nanoparticles. PLoS One. 2012 Oct 26; 7 (10): e47827. doi: 10.1371/journal.pone.0047827. PMID: 23110109.

53. Salas Orozco MF, Niño-Martínez N, Martínez-Castañón GA, Méndez FT, Ruiz F. Molecular Mechanisms of Bacterial Resistance to Metal and Metal Oxide Nanoparticles. Int J Mol Sci. 2019 Jun 8; 20 (11): 2808. doi: 10.3390/ijms20112808. PMID: 31181755; PMCID: PMC6600416.

54. Franco D, Calabrese G, Guglielmino SPP, Conoci S. Metal-Based Nanoparticles: Antibacterial Mechanisms and Biomedical Application. Microorganisms. 2022 Sep 3; 10 (9): 1778. doi: 10.3390/microorganisms10091778. PMID: 36144380; PMCID: PMC9503339.

55. Rodríguez-Barajas N, de Jesús Martín-Camacho U, Pérez-Larios A. Mechanisms of Metallic Nanomaterials to Induce an Antibacterial Effect. Curr Top Med Chem. 2022 Sep 19; 22 (30): 2506–2526. doi: 10.2174/1568026622666220919124104. PMID: 36121083.

56. Nisar P, Ali N, Rahman L, Ali M, Shinwari ZK. Antimicrobial activities of biologically synthesized metal nanoparticles: an insight into the mechanism of action. J Biol Inorg Chem. 2019 Oct; 24 (7): 929–941. doi: 10.1007/s00775-019-01717-7. PMID: 31515623.

57. Shabatina TI, Vernaya OI, Melnikov MY. Hybrid Nanosystems of Antibiotics with Metal Nanoparticles – Novel Antibacterial Agents. Molecules. 2023 Feb 1; 28 (4): 1603. doi: 10.3390/molecules28041603. PMID: 36838591; PMCID: PMC9959110.

58. Sajjad H, Sajjad A, Haya RT, Khan MM, Zia M. Copper oxide nanoparticles: In vitro and in vivo toxicity, mechanisms of action and factors influencing their toxicology. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2023 Sep; 271: 109682. doi: 10.1016/j.cbpc.2023.109682. PMID: 37328134.

59. Fifere N, Airinei A, Dobromir M, Sacarescu L, Dunca SI. Revealing the effect of synthesis conditions on the structural, optical, and antibacterial properties of cerium oxide nanoparticles. Nanomaterials (Basel). 2021 Oct 1; 11 (10): 2596. doi: 10.3390/nano11102596. PMID: 34685037; PMCID: PMC8539529.

60. Mohamed HEA, Afridi S, Khalil AT, Ali M, Zohra T, Akhtar R et al. Promising antiviral, antimicrobial and therapeutic properties of green nanoceria. Nanomedicine (Lond). 2020 Feb; 15 (5): 467–488. doi: 10.2217/nnm2019-0368. Epub 2020 Feb 17. PMID: 32063095.

61. Bellio P, Luzi C, Mancini A, Cracchiolo S, Passacantando M, Di Pietro L et al. Cerium oxide nanoparticles as potential antibiotic adjuvant. Effects of CeO2 nanoparticles on bacterial outer membrane permeability. Biochim Biophys Acta Biomembr. 2018 Nov; 1860 (11): 2428–2435. doi: 10.1016/j.bbamem.2018.07.002. PMID: 30026034.

62. Mittal S, Pandey AK. Cerium oxide nanoparticles induced toxicity in human lung cells: role of ROS mediated DNA damage and apoptosis. Biomed ResInt. 2014; 2014: 891934. doi: 10.1155/2014/891934. PMID: 24987704.

63. Özel RE, Hayat A, Wallace KN, Andreescu S. Effect of cerium oxide nanoparticles on intestinal serotonin in zebrafish. RSC Adv. 2013 Sep 21; 3 (35): 15298–15309. doi: 10.1039/C3RA41739E. PMID: 24015353; PMCID: PMC3763867.

64. Singh N, Amateis E, Mahaney JE, Meehan K, Rzigalinski BA. The Antioxidant Activity of Cerium Oxide Nanoparticles is Size Dependant and Blocks Aβ1-42-Induced Free Radical Production and Neurotoxicity. The FASEB Journal. 2008 Mar; 22 (S1): 624.2. doi: 10.1096/fasebj.22.1_supplement.624.2.

65. Бажукова ИН, Мышкина АВ, Соковнин СЮ, Ильвес ВГ, Киряков АН, Бажуков СИ и др. Модификация наночастиц оксида церия при облучении ускоренными электронами. Физика твердого тела. 2019; 61 (5): 974. doi: 10.1134/S1063783419050068.

66. Kumari M, Kumari SI, Kamal SSK, Grover P. Genotoxicity assessment of cerium oxide nanoparticles in female Wistar rats after acute oral exposure. Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2014 Dec 1; 775–776: 7–19. doi: 10.1016/j.mrgentox.2014.09.009. PMID: 25435351.

67. Nethi SK, Das S, Patra CR, Mukherjee S. Recent advances in inorganic nanomaterials for wound-healing applications. Biomater Sci. 2019 Jul 1; 7 (7): 2652–2674. doi: 10.1039/c9bm00423h. Epub 2019 May 16. PMID: 31094374.