Авторы

В статье кратко обобщены ранее публиковавшиеся результаты проведенных авторами экспериментальных исследований, дающих сравнительную характеристику токсичности оксида железа Fe3O4 (магнетита) в виде микро- и наночастиц разного размера, а также равноразмерных наночастиц серебра и золота и активности, вызываемой ими защитной реакции альвеолярного фагоцитоза. На основе этого обобщения и анализа международного опыта предложены для обсуждения некоторые принципы обоснования допустимого содержания наночастиц металлов в воздухе рабочей зоны и, в частности, рекомендована величина ОБУВ для наночастиц магнетита, равная 0,4 мг/м3.

После 20 повторных внутрибрюшинных введений равноразмерных (50 нм) наночастиц серебра или золота в дозе 10 мг/кг при анализе полиморфизма длин амплифицированных фрагментов геномной ДНК показано усиление её фрагментации в ядросодержащих клетках крови, костного мозга, селезёнки, печени, почек, но не скелетно-мышечной ткани, причём это генотоксическое действие в случае наносеребра выражено сильнее, чем в случае нанозолота. На фоне воздействия на организм комплекса биопротекторов различной направленности действия генотоксичность наносеребра оказалась существенно ослабленной.

Стабильные водные суспензии частиц оксида меди диаметром 20 нм и меднооксидных-медных частиц диаметром 340 нм были введены крысам интратрахеально в дозе 0,5 мг (1 мл), и через 24 часа был проведен бронхо-альвеолярный лаваж, охарактеризованный с помощью оптической, просвечивающей электронной и полуконтактной атомно-силовой микроскопии и ряда биохимических показателей. Найдено, что обе фракции оказывают выраженное токсическое действие на лёгкие, однако наночастицы существенно токсичнее, чем субмикронные частицы крупнее 100 нм, но в то же время их отложение вызывает более выраженную защитную реакцию мобилизации альвеолярных макрофагов и особенно нейтрофильных лейкоцитов при более высокой фагоцитарной активности этих клеток. Полученные результаты в сопоставлении с литературными данными свидетельствуют о том, что причинами высокой цитотоксичности действия меднооксидных частиц нанометровой размерности является как внутриклеточный релиз ионов меди при их растворении, так и прямой контакт персистирующих частиц с клеточными органеллами (в первую очередь митохотндриями) и их повреждение.

Оксид никеля (II) и разнообразные химические формы марганца, включая оксид марганца (II, III), могут присутствовать вместе в субмикронной фракции сварочного дыма. Мы приготовили с помощью лазерной абляции в деионизированной воде металлических пластинок 99,99% чистоты суспензии наночастиц NiO со средним диаметром (± ) 30±12 нм и Mn3O4 32±10 нм. Эти суспензии вводились интратрахеально крысам одна немедленно после другой в чередующейся последовательности или же изолированно (при этом для второго введения использовалась вода), и через 24 часа мы получали жидкость бронхоальвеолярного лаважа (БАЛЖ). Увеличение общей клеточности БАЛЖ, числа альвеолярных макрофагов (АМ) и нейтрофильных лейкоцитов (НЛ), а особенно отношения НЛ/АМ (которое является надёжным сравнительным индексом цитотоксичности введенных частиц) было значительно выше при действии NiO, чем при действии Mn3O4. Полуконтактная атомно-силовая микроскопия топографии поверхности клеток продемонстрировала активный эндоцитоз наночастиц NiO и Mn3O4 лёгочными фагоцитами. Более высокая пульмонарная цитотоксичность наночастиц NiO по сравнению с наночастицами Mn3O4 была показана также по увеличению активности некоторых лизосомиальных энзимов в БАЛЖ. Математический анализ выявил субаддитивное комбинированное действие NiO и Mn3O4, судя по клеточным показателям, в то время как по разным биохимическим – аддитивность, субаддитивность либо синергизм. У крыс, которые в течение 4 недель перед введением NiO+Mn3O4 (по 0,25 мг каждого) получали перорально глютамат, глицин, ацетил-цистеин, иод и селенсодержащий поливитаминный препарат, наночастицы вызвали существенно менее выраженную мобилизацию НЛ, чем при такой же экспозиции без премедикации.

Химическое загрязнение среды обитания может быть стойким и даже практически неустранимым, а для некоторых химических веществ надёжно безопасные низкие уровни экспозиции на рабочем месте технически недостижимы или предположительно не существуют. Как дополнение к снижению вредных экспозиций на столько, на сколько оно возможно, «биологическая профилактика» нацелена на усиление защитных механизмов организма. В течение 30 лет в экспериментах, моделирующих изолированное или комбинированное воздействие кремнезёма, асбеста, монацита, свинца, хрома, мышьяка, марганца, никеля, ванадия, наносеребра, наномеди, формальдегида, фенола, нафталина, бензо( )пирена мы испытывали так называемые «биопрофилактические комплексы» (БПК), состоящие из безопасных веществ с теоретически ожидаемым благоприятным влиянием на токсикокинетику и/или токсикодинамику ядов. БПК, испытанные в течение этого периода, оказались способными ослаблять системную токсичность, цитотоксичность, фиброгенность и мутагенность вышеперечисленных химических веществ. Большая часть этих БПК была затем испытана в контролируемых курсах на численно ограниченных группах добровольцев. После подтверждение эффективности и безопасности биопрофилактического комплекса он был рекомендован для практического использования, прежде всего, наиболее уязвимыми группами населения (дети, беременные женщины) и рабочими наиболее вредных производств.

В статье обобщены основные результаты токсикологических экспериментов на крысах, проведенных авторами путём либо однократной интратрахеальной инстилляции, либо повторных внутрибрюшинных введений наночастиц (НЧ) серебра, золота, оксидов железа, меди, никеля и марганца в стабильных водных суспензиях без каких-либо химических добавок. Найдено, что эти НЧ значительно более токсичны как на клеточном, так и на органо-системном уровне по сравнению со своими микрометровыми и даже субмикронными двойниками. Однако зависимость органо-системной токсичности от размера частиц внутри нанометрового диапазона является неоднозначной, завися от взаимно переплетенных и часто противоположно направленных соотношений между собственно биологической агрессивностью конкретных НЧ, с одной стороны, и сложными механизмами управления их токсикокинетикой, с другой. Наши данные свидетельствуют о высокой активности лёгочного фагоцитоза отложившихся в дыхательных путях НЧ, что указывает на принципиальную возможность безопасных уровней экспозиции к ним. Рассматривается подход к установлению временных нормативов такого воздействия, основанный на 10-15-кратном снижении величин, установленных для соответствующих микрометровых промышленных аэрозолей. Найдено, что на фоне действия адекватно составленной комбинации некоторых биологически активных агентов (включая пектин, поливитамин-полиминеральные препараты, некоторые аминокислоты и НЭЖК класса омега-3) системная токсичность и генотоксичность металлосодержащих НЧ могут быть заметно ослаблены.

Три группы крыс получили на протяжении 6 недель 18 в/б инъекций фтористого натрия в дозе, эквивалентной 0,1 ЛД50. Две из них и две из трёх групп, получивших такие же инъекции физ. раствора, подвергались воздействию на всё тело постоянного магнитного поля (ПМП) с индукцией 25 мTл в течение 2 или 4 часов в день по 5 раз в неделю. После завершения экспозиций было оценено большое число функциональных и биохимических показателей, а также гистологическая картина бедренной кости с морфометрией. Математический анализ, основанный на модели поверхности отклика, показал, что в полном соответствии с ранее найденным для комбинированной токсичности разных химических веществ, сочетанное вредное действие химического и физического факторов характеризуется типологическим разнообразием в зависимости не только от того, по какому конкретному эффекту оно оценивается, но также от дозы и уровня эффекта. С этой точки зрения, все те показатели, по которым наблюдались статистически значимые эффекты хотя бы в одной группе крыс, определяли четыре типа действия: (I) преимущественно однофакторное; (II) однонаправленное аддитивное; (III) синергизм (однонаправленное супераддитивное); (IV) антагонизм, включая как однонаправленное субаддитивное, так и все количественные варианты противонаправленного.

Особо высокие риски для здоровья, связанные с воздействиями металлических и металло-оксидных наночастиц (Me-НЧ), а также их присутствие в производственной среде не только наноиндустрии, но и при некоторых давно существующих технологиях, вызывают необходимость поддержания как можно более низких уровней соответствующих вредных экспозиций, а также поиск путей повышения устойчивости организма к ним. В статье кратко обсуждены теоретические предпосылки такой «биозащиты». Анализ наиболее существенных результатов экспериментов с различными Me-НЧ показывает, что на фоне действия правильно подобранных комбинаций некоторых биологически активных агентов, используемых в безвредных дозах, удаётся заметно ослабить интегральную и специфическую токсичность и даже генотоксичность металлосодержащих наночастиц.

Витающие наночастицы (НЧ) оксида железа Fe2O3 со средним диаметром 14±4 нч, образующиеся при искровой абляции электродов из железа 99.99% чистоты подавались в затравочную установку типа «только нос» для крыс по 4 часа в день, 5 раз в неделю на протяжении 3, 6 или 10 мес. при средней концентрации 1.14±0.01 мг/м3. Наночастицы, отфильтрованные из воздуха, отсасываемого из этой установки, оказались нерастворимыми в деионизированной воде, но постепенно растворялись в бесклеточном супернатанте жидкости, полученной при бронхоальвеолярном лаваже, и в стерильной бычьей сыворотке крови. Содержание Fe2O3 в лёгких было измерено с помощью ЭПР-спектроскопии, а факт задержки НЧ в лёгких и головном мозгу визуализирован при просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Найдено относительно низкое, но значимое накопление Fe2O3 в лёгких, постепенно нарастающее во времени, но с тенденцией к достижению равновесного уровня. При ПЭМ обнаружена задержка НЧ в альвеолоцитах и в миелиновой оболочке внутримозговых нервных волокон, связанная с их ультраструктурным повреждением. Разработана и идентифицирована многокамерная математическая модель, описывающая токсикокинетику ингалированных НЧ после отложения в глубоких дыхательных путях как процесс, контролируемый (а) их высокой способностью пенетрировать через альвеолярную мембрану; (б) активным эндоцитозом; (в) растворением «ин виво». Однако в этом конкретном исследовании именно механизмы, зависящие от растворения, оказались доминирующими из-за относительно высокой растворимости мельчайших Fe2O3-НЧ в биологических средах.

Крысы-самки были подвергнуты в установке типа «только нос» продолжавшемуся 3 или 6 мес ингаляционному воздействию аэрозоля, преобладающую часть которого составляют субмикронные (включая наноразмерные) частицы аморфного диоксида кремния, в суммарной концентрации 2,6±0,6 или 10,6±2,1 мг/м3. Во вспомогательном эксперименте с однократным интратрахеальным введением этих частиц было показано, что они вызывают клеточную реакцию лёгких, сопоставимую с таковой на введение высоко цитотоксичной и высоко фиброгенной стандартной кварцевой пыли DQ12. Однако в условиях хронического ингаляционного эксперимента изучаемый аэрозоль оказался обладающим очень низким общетоксическим и фиброгенным действием. Этот парадокс может быть объяснён низкой задержкой SiO2 в лёгких и других органах из-за относительно высокой растворимости данных наночастиц «ин виво». Тем не менее, их генотоксическое действие и трансназальное проникновение в головной мозг побуждают к осторожности общей оценки этого аэрозоля в качестве фактора профессионального или экологического риска.

Хотя токсикология смесей является научной базой оценки кумулятивных рисков для здоровья, связанных с широко встречающимся комбинированным действием двух или более металлов и их соединений, однако, полного соответствия между ними нет, причём некоторые противоречия являются фундаментальными. Такое положение дел может быть объяснено не только упрощёнными подходами, характерными для методологии оценки риска, но и крайней сложностью теории комбинированной токсичности, основные аспекты которой авторы рассматривают на основе литературных и, главным образом, собственных ранее опубликованных данных.

Известно, что хроническая свинцовая интоксикация вызывает артериальную гипертензию как у людей, так и у крыс и, таким образом, является причиной некоторых вторичных нарушений функции сердца. Однако нет никаких неопровержимых доказательств того, что сама интоксикация непосредственно влияет на сократимость миокарда. В наших экспериментах аутбредным крысам-самцам многократно внутрибрюшинно вводили сублетальные дозы ацетата свинца 3 раза в неделю в течение 5 недель. Мы наблюдали явную, хотя и умеренную субхроническую свинцовую интоксикацию. На следующий день после последней инъекции сердце каждого животного было извлечено; трабекулы и папиллярные мышцы из правого желудочка были выделены для моделирования цикла сокращения-расслабления in vitro в изометрических режимах; оставшаяся ткань сердца гомогенизировалась для определения изоформ миозина. Было обнаружено, что свинцовая интоксикация приводила к снижению (по сравнению с контрольными крысами) времени и скорости изометрического сжатия препаратов миокарда in vitro, в то время как сохранялась его амплитуда и уменьшалось пассивное напряжение трабекул. Показано, что отношение миозина сдвигалось в сторону медленной изоформы. Обсуждаются механические и токсикологические выводы из полученных результатов.

В статье прослежены этапы развития системной многокамерной модели, описывающей механизмы лёгочной задержки частиц при хронических ингаляционных экспозициях. Эта модель была впервые разработана и экспериментально испытана для разных условий экспозиции к полидисперсной пыли SiO2 или TiO2, а в дальнейшем успешно использована как базовая для анализа паттернов задержки наночастиц (НЧ) разного химического состава (Fe2O3, SiO2, NiO). Наиболее существенная адаптация её к условиям воздействия элементо-оксидных НЧ потребовалась ввиду необходимости учесть роль не только физиологических механизмов их элиминации, но также их растворимости «in vivo». Было найдено, что относительный вклад последней может быть разным для НЧ разной природы, причём в некоторых случаях доминирующим. Моделирование задержки NiO-НЧ свидетельствует также о том, что повреждение физиологических механизмов лёгочного клиренса особо токсичными наночастицами может сделать их лёгочную токсикокинетику нелинейной.

Свинцово-кадмиевая интоксикация является фактором риска для здоровья рабочих медеплавильной промышленности и людей, проживающих на территориях, загрязняемых её эмиссиями. Субхроническая интоксикация моделировалась путем повторных внутрибрюшинных инъекций ацетата свинца и хлорида кадмия как изолированно, так и в комбинации, 3 раза в неделю в течение 6 недель. Найдено снижение частоты сердечных сокращений и показателей артериального давления при кадмиевой интоксикации, а также снижение скорости кровотока и повышение показателей артериального давления при свинцовой. На электрокардиограмме обнаружены увеличение длительности комплекса QRS при кадмиевой интоксикации, увеличение интервала QT и снижение изоэлектрической линии при комбинированном токсическом действии свинца и кадмия. Показаны уменьшение толщины кардиомиоцитов под влиянием кадмиевой интоксикации и увеличение – под влиянием свинцовой, а также уменьшение толщины внутренней оболочки стенки аорты при всех исследованных типах интоксикации. Любая токсическая экспозиция приводила к снижению числа ядер на единицу площади гистологического препарата миокарда.