Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 148-179.

Silica nanoparticles (SiO2-NPs) have widely used in various
medical and industrial applications owing to their unique characters
such as large specific surface area, tunable particle size and porosity,
excellent biodegrability and biocompatibility. Investigation of the
potential toxic effects of SiO2-NPs on kidney and brain of adult male
albino rats is crucial as it is well recognized that these vital organs are
targets of SiO2-NPs toxicity.
Oxidative stress has been suggested to be the main mechanism
of SiO2-NPs induced toxicity as manifested by lipid peroxidation and
excess production of reactive oxygen species (ROS) in the kidney and
brain which subsequently resulting in degeneration of renal and neural
tissues and cell death. Therefore using antioxidants might help in
ameliorating their toxic effects.
Liposomal Curcumin (LP-Cur) is a well-known effective
antioxidant with free radicals quenching activity. Therefore, it can
inhibit the damage of DNA, proteins and lipids induced by the free
radicals. In addition LP-Cur has antiapoptotic and anti-inflammatory
properties.
The present study aimed to investigate the behavioral,
biochemical and histological alterations as well as the apoptotic
pathway that may be induced by intraperitoneal exposure to SiO2-NPs
in the renal and neural tissues of adult albino rats. In addition to
determin the ameliorative effect of LP-Cur on such toxic impacts
depending on its antioxidant activity when administered with SiO2
NPs.
144
The current study was carried out on 24 adult male albino rats
weighing (170±20 g). They were divided into 4 equal groups (6 rats in
each) as follows:
Group I (control group): rats were intraperitoneally injected with 0.9
%saline.
Group II (SiO2-NPs exposed group): rats were intraperitoneally
injected with 200 mg/kg body weight.
Group III (SiO2-NPs + LP-Cur group): rats were intraperitoneally
injected with 200 mg/kg body weight SiO2-NPs followed by LP-Cur at
dose of 80 mg/kg/P.O.
Group IV (LP-Cur exposed group): rats were orally administered 80
mg/kg LP-Cur.
All treatments were administered daily for 30 days. Finally, at
the end of experiment, rats were subjected to behavioral assessment
and then blood samples were collected. Next day rats were euthanized
by cervical dislocation. Afterward some specimens of the brain and
kidney were stored at -80ºC (in biochemistry and molecular biology
department) for evaluation of oxidative stress parameters in addition to,
qRT-PCR analysis for caspase-3, caspase-9, acetylecholineesterase
(AChE), nuclear erythroid related factor2 (Nrf-2) and super oxide
dismutase (SOD) genes in neural tissue. Other tissue samples were
fixed in 10% neutral buffered formalin (NBF) solution for histological
and immunohistochemical examinations.
This study revealed that SiO2-NPs adversely affect the behavior,
cognition and memory of rats. However, concurrent administration of
LP-Cur showed improved activity compared to SiO2-NPs exposed rats.
145
Furthermore, exposure to SiO2-NPs significantly increased
malondialdehyde (MDA) in addition to decreased the reduced
glutathione (GSH) levels in both renal and neural tissues. Additionally,
they substantially increased blood urea nitrogen (BUN) and creatinine
in the renal tissue. Moreover, SiO2-NPs significantly upregulated the
expression of caspase-3 and caspase-9 genes. Additionally, they
substantially downregulated the expression levels of AchE, Nrf-2 and
SOD. While, the co-administration of LP-Cur caused a significant
enhancement in all disturbed biochemical parameters induced by SiO2
NPs.
Examination of the renal tissue from control and LP-Cur
administered rats displayed normal histological structure of renal cortex
and medulla. On the contrary, rats exposed to SiO2-NPs showed
various histological alterations such as dilatation and congestion of
most of glomeruli in addition to inflammatory cells infiltration in the
renal cortex. Most renal tubules showed marked degenerative changes
as loss of their normal histoarchitecture with pyknosis of the nuclei of
their lining cells that frequently sloughed into the lumen. Moreover, the
collecting tubules, in the renal medulla revealed degeneration with
cytoplasmic strands and sloughed nuclei in their lumina as well as
pronounced interstitial hemorrhage was observed in both renal cortex
and medulla.
On the other hand, examination of renal tissues from rats co
treated with LP-Cur displayed a noticeable improvement in the renal
histological structure in both renal cortex and medulla with few
degenerated tubules and slight interstitial hemorrhage.
146
The light microscopic examination of the brain tissue (cerebrum,
cerebellum and hippocampus) from control and LP-Cur groups showed
normal histological structure of neurons, neuroglia cells and neuropil.
While, those of SiO2-NPs group displayed several histopathological
alterations including disarrangement, degeneration and pyknosis of
neurons with pericellular spaces as well as neuropil vacuolation. In
addition, the cerebellar cortex showed hyperplasia of granule cell
neurons. On the other hand, examination of brain sections from rats co
treated with LP-Cur displayed pronounced improvement in the
histoarchitecture of the brain tissue that appeared with nearly normal
neurons with basophilic cytoplasm and lightly stained nuclei except
presence of few degenerated and shrunken neurons with diminished
pericellular spaces.
Regarding to the immunohistochemical examination, the SiO2
NPs exposed group revealed strong positive immunoreaction for
caspase-3 in the kidney and brain as well as Glial Fibrillary Acidic
Protein (GFAP) in the brain. While the co-treatment with LP-Cur
revealed a marked reduction of the immunoreactivity of both caspase-3
and GFAP.
Finally, we concluded that LP-Cur could ameliorate
SiO2-NPs induced nephrotoxicity and neurotoxicity. These results may
be attributed to its free radicals scavenging ability, strong antioxidant
and antiapoptotic activities.

تستخدم جزيئيات السيليكا النانوية على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الطبية والصناعية. نظرًا لخصائصها الفريدة مثل مساحة السطح الكبيرة المتخصصة وحجم الجسيمات القابلة للضبط والمسامية وقابلية التحلل البيولوجي الممتازة والتوافق الحيوي.
ويعد التحقيق في التأثيرات السامة المحتملة لجزيئيات السيليكا النانوية على الكلى والدماغ لدى ذكور الجرذان البيضاء البالغة أمرًا بالغ الأهمية، حيث أنه من المعروف جيدًا أن هذه الأعضاء الحيوية هي أعضاء مستهدفة للتأثير السام لجزيئيات السيليكا النانوية.
يعتبر الإجهاد التأكسدي هو الآلية الرئيسية للتأثير الضارلجزيئيات السيليكا النانوية كما هو موضح في أكسدة الدهون والافراط في انتاج جزيئات الأكسجين التفاعلية في أنسجة الكلي والدماغ مما يؤدي لاحقا الي تنكس الأنسجة الكلوية و العصبية وموت الخلايا. لذا فإن استخدام مضادات الأكسدة قد يساعد في التخفيف من آثارها السامة.
الكركمين الشحمي هو أحد مضادات الأكسدة الفعالة المعروفة فهو يعمل على إزالة الشوادر الحرة لذا فهو يمنع تلف الحمض النووي والبروتينات والدهون الناجم عن الشوادر الحرة. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع الكركمين الشحمي بخصائص مضادة للالتهابات والموت المبرمج.
تهدف الدراسة الحالية إلى دراسة التغيرات السلوكية والكيميائية الحيوية والنسجية، بالإضافة إلى مسار موت الخلايا المبرمج الذي قد يحدث من التعرض لجزيئيات السيليكا النانوية عن طريق الحقن داخل الغشاء البريتوني (الصفاق) في أنسجة الكلي والدماغ للجرذان البالغة. ثم تحديد مدي امكانية الكركمين الشحمي في تخفيف هذه التأثيرات الضارة اعتمادًا على خصائصه المضادة للأكسدةعند تناوله مع جزيئيات السيليكا النانوية.
أجريت الدراسة الحالية على 24 ذكرا بالغا من الجرذان البيضاء البالغة التي تزن 170 ± 20 جم. تم تقسيمهم إلى 4 مجموعات متساوية (6 فئران في كل منها) على النحو التالي:
المجموعة الأولى (المجموعة الضابطة): حقنت الجرذان داخل الغشاء البريتوني (الصفاق) بمحلول ملحي0.9 %.
المجموعة الثانية (المجموعة المعرضة لجزيئيات السيليكا النانوية): تم حقن الجرذان داخل الغشاء البريتوني (الصفاق) 200 مجم/كجم.
المجموعة الثالثة (مجموعة جزيئيات السيليكا النانوية والكركمين الشحمي): تم حقن الجرذان داخل الغشاء البريتوني (الصفاق) 200 مجم/كجم من جزيئيات السيليكا النانوية متبوعة بالكركمين الشحمي بجرعة 80 مجم/كجم عن طريق الفم.
المجموعة الرابعة (المجموعة المعرضة للكركمين الشحمي): تم إعطائها الكركمين الشحمي عن طريق الفم بجرعة (80 مجم/كجم). وكانت تدار جميع العلاجات يوميا لمدة 30 يوما.
وفي نهاية التجربة، خضعت الجرذان للتقييم السلوكي ثم تم جمع عينات الدم. في اليوم التالي تم القتل الرحيم للجرذان عن طريق خلع عنق الرقبة وبعد ذلك تم تخزين بعض عينات الدماغ والكلي عند -80 درجة مئوية (في قسم الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية) لتقييم علامات الإجهاد التأكسدي بالإضافة الي التحليل الجيني للعامل المرتبط بكريات الحمر النووية2وفوق أكسيد الدسموتاز واستيل كولين استراز و كازسبيز3 و كازسبيز9 في أنسجة الدماغ. وتم تثبيت عينات نسيجية أخرى في10٪ محلول الفورمالين المتعادل الاس الهيدروجيني للفحوصات النسجية والنسجوكيميائية المناعية.
أظهر فحص الأنسجة الكلوية للمجموعة الضابطة ومجموعة الكركمين الشحمي بنية نسيجية طبيعية للقشرة الكلوية والنخاع الكلوي. على العكس من ذلك، فقد أظهرت مجموعة الفئران المعرضة لجزيئات السيليكا النانوية تغيرات نسيجية مختلفة في صورة توسع واحتقان معظم الكبيبات بالإضافة الي ارتشاح الخلايا الالتهابية بالقشرة الكلوية.أظهرت معظم الأنيبيبات الكلوية تغيرات تنكسية ملحوظة مثل فقد التركيب والتنظيم الطبيعي مع تكثف الهتيروكروماتينلأنوية الخلايا المبطنة التي تنزلق في كثير من الأحيان إلى التجويف. علاوة على ذلك كشفت الأنيبيبات المجمعة في النخاع الكلوي تنكسا مع وجود خيوط سيتوبلازمية وأنوية منفصلة داخل تجويفيها الي جانب نزيف بيني ملحوظ في القشرة والنخاع الكلوي.
على الجانب الاخر، أوضح فحص الأنسجة الكلوية من الجرذان المعالجة بالكركمين الشحمي بشكل متزامن مع جزيئات السيليكا النانوية التحسن الملحوظ في التركيب النسيجي الكلوي الذي ظهر على شكل قشرة كلوية ونخاع كلوي قريب من الطبيعي مع القليل من الأنيبيبات المتنكسة والنزيف الخلالي البسيط.
أثبتت الدراسة الحالية أن التعرض لجزيئيات السيليكا النانوية تؤثر بشكل سلبي علي سلوك وإدراك وذاكرة الجرذان. ولكن الجرذان التي تلقت جزيئات السيليكا النانوية مع الكركمين الشحمي أظهرت نشاطا محسنا مقارنة بالفئران المعرضة لجزيئات السيليكا النانوية.علاوة على ذلك، أدى التعرض لجزيئات السيليكا النانوية إلى زيادة كبيرة في المالونديالدهيد بالإضافة إلى انخفاض مستويات الجلوتاثيون في كل من الأنسجة الكلوية والعصبية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت زيادة كبيرة في نيتروجين يوريا الدم والكرياتينين في أنسجة الكلى. علاوة على ذلك، فإن جزيئات السيليكا النانوية أدت بشكل كبير الي زيادة التعبير الجيني للكازسبيز 3 وكازسبيز 9 بينما قللت التعبير الجيني استيل كولين استراز وفوق أكسيد الدسموتاز وكريات الحمر النووية2 في حين ان الإعطاء المتزامن للكركمين الشحمي أدي الي تحسن كبير في جميع العلامات البيوكميائية المضطربة الناجمة عن جزيئات السيليكا النانوية.
أظهر الفحص المجهري الضوئي لأنسجة الدماغ (المخ والمخيخ والحصين) للمجموعة الضابطة ومجموعة الكركمين الشحمي بنية نسيجية طبيعية للخلايا العصبية والخلايا الدبقية العصبية والانسجة العصبية. بينما اظهرت مجموعة السيليكا النانوية العديد من التغييرات النسيجية بما في ذلك عدم ترتيب الخلايا العصبية وتنكسها وتكثف الهتيروكروماتينللأنوية مع وجود فراغات حولها بالإضافة الي فراغات في الانسجة العصبية. وبالإضافة إلى ذلك، أظهرت القشرة المخيخية تضخم الخلايا العصبية الحبيبية.
من ناحية أخرى، أظهر فحص أنسجة الدماغ من الفئران التي تمت معالجتها بشكل متزامن بواسطة الكركمين الشحمي تحسنا واضحا في البنية النسيجية للدماغ، حيث ظهرت معظم الخلايا العصبية بشكل طبيعي تقريبًا مع احتوائها على السيتوبلازم القاعدي والانوية باهتة الاصطباغفيما عدا تنكس بعض الخلايا وانكماشها مع تناقص الاحياز المحيطة للخلايا.
فيما يتعلق بالدراسات النسجوكيميائية المناعية، أظهرت المجموعة المعرضة لـجزيئيات السيليكا النانوية عن تفاعل مناعي إيجابي للكازسبيز 3 في الكلي والدماغ وأيضا للبروتين الحمضي الدبقي الليفي في الدماغ بينما أدى الإعطاء المتزامن مع الكركمين الشحمي إلى تقليل ملحوظ للنشاط المناعي لكازسبيز 3 وللبروتين الحمضي الدبقي.
أخيرًا، خلصت الدراسة إلى أن الكركمين الشحمي يمكن أن يخفف من التأثير الضار علي الأنسجة الكلوية والأنسجة العصبيةالناجمة عن جزيئيات السيليكا النانوية. وربما تعزى هذه النتائج إلى قدرته على ازالة الشوادر الحرة وأنشطته القوية المضادة للأكسدة والمضادة للموت المبرمج.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.