Авторы

Проведена сравнительная оценка токсичности частиц магнетита (Fe3O4) нанометрового (10 нм и 50 нм) и микрометрового (1 мкм) диапазонов по результатам сдвигов клеточного состава жидкости бронхоальвеолярного лаважа через 24 часа после интратрахеального введения указанных частиц, а также по ряду показателей состояния организма после повторных внутрибрюшинных инъекций тех же материалов. Найдено, что при равных массовых дозах наночастицы обладают значительно более выраженной биологической агрессивностью, чем частицы микрометрового диапазона, но вызывают более активную и эффективную защитную реакцию альвеолярного фагоцитоза. В пределах нанометрового диапазона зависимость между диаметром и резорбтивной токсичностью частиц неоднозначна, что может быть связано с различиями токсико-кинетики, которую контролируют как физиологические механизмы, так и прямая пенетрация наночастиц через биологические барьеры и, наконец, неодинаковая растворимость.

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.

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.

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.

Сравнительная и комбинированная оценка повреждающего действия наночастиц NiO и Mn3O4 получена на культурах различных человеческих стабильных клеточных линий. Найдено, что добавление эмбриональной бычьей сыворотки крови (FBS) ко всем использованным культуральным средам делает эти металлооксидные наночастицы (MeO-НЧ), в особенности, Mn3O4-НЧ экспоненциально растворимыми, в то время как без FBS их растворимость крайне низка. Вместе с тем, присутствие FBS существенно замедляет седиментацию, связанную с агрегацией этих MeO-НЧ. Показана зависимость повреждения клеток от концентрации МеО-НЧ при более высокой цитотоксичности Mn3O4-НЧ по сравнению с NiO-НЧ. Таким образом, сравнительная оценка неспецифической токсичности, полученная ранее в экспериментах «ин виво», воспроизведена «in vitro». Однако по отношению к ранее обнаруженному марганец-специфичному повреждению головного мозга при субхронической интоксикации теми же наночастицами, нынешний эксперимент на нейронах «in vitro» показал лишь некоторое усиливающее влияние Mn3O4-НЧ в комбинации с NiO-НЧ, роль которых преобладала.

Изолированное и комбинированное повреждающее действие наночастиц (НЧ) PbO и CuO оценены на стабильной линии человеческих фибробластов с помощью трёх различных показателей цитотоксичности, основанных на снижении (а) дегидрогеназной активности клеток (МТТ-тест); (б) содержания АТФ (тест на жизнеспособность культуры по интенсивности люминесценции); (в) интегральной оценки клеточной пролиферации, распластывания и прикрепления к поверхности по электрическому импедансу («нормализованный клеточный индекс»). По всем этим показателям продемонстрирована для обоих видов метало-оксидных наночастиц чёткая зависимость повреждения клетки от их концентрации, адекватно описываемая гиперболической функцией, в то время как при одном и том же уровне воздействия количественные характеристики цитотоксичности PbO-НЧ в сравнении с CuO-НЧ схожи. Последнее ранее наблюдалось и в субхроническом эксперименте на крысах. Математически описанная с помощью методологии построения поверхности отклика комбинированная цитотоксичность наночастиц in vitro найдена неоднозначной, что также согласуется с выводами из эксперимента на крысах с теми же наночастицами.