VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Известно, что наночастицы (НЧ) металлов могут проникать в организм человека различными путями: через слизистые оболочки дыхательных путей и пищеварительного тракта, трансдермально, через кровоток в составе вакцин и сывороток и т.д. Опасность распространения нанопатологий, хотя еще и не вполне осознана, но, несомненно велика уже сегодня, и, очевидно, будет нарастать в будущем. Выяснение причин патологического действия НЧ и разработка способов борьбы с заболеваниями, вызванными проникновением в организм НЧ, становятся сейчас предметом нового направления в экспериментальной медицине.

Среди всех металлических наноматериалов особо следует выделить НЧ золота и серебра. Коллоидное золото и серебро известно еще с древности и использовалось в лечебных целях. Было доказано, что типы и способы модификации поверхности НЧ золота оказывают воздействие на развитие токсического эффекта, а также на функциональную активность клеток, например, макрофагов. Изучение токсичности НЧ золота на эмбрионах показало, что эмбриотоксические свойства сильнее проявляются у НЧ золота размером 0,8 нм, чем 1,5 нм. В опытах на крысах показано, что НЧ золота сферической формы со средним размером частиц 5 нм и концентрации 57 мг/л при длительном пероральном поступлении в организм приводят к нарушению генеративной функции самцов белых крыс. Выявлена способность НЧ золота проникать через плацентарный барьер и аккумулироваться в ткани ретикулоэндотелиальной системы взрослых самок. Негативные последствия пренатального воздействия НЧ золота реализуются в виде девитаций постнатального развития потомства. Известно, что наноструктурированные биокомпозиты серебра обладают высокой антимикробной активностью. Доказано, что НЧ серебра обеззараживают более 100 видов опасных бактерий, вирусов и грибов. В то же время выявлено, что НЧ серебра в концентрации 5-50 мг/л и размерами 10-15 нм обладают сильной цитотоксической активностью по отношению к гепатоцитам крыс. Механизм развития токсичности связан с окислительным стрессом, нарушением функций митохондрий и увеличением проницаемости мембраны. Токсичность НЧ серебра зависит от используемых клеточных линий.

Исследования токсичности НЧ кадмия, хрома, меди, никеля и цинка на водной культуре дафний (Daphnia magna) показали, что медь и цинк проявляют похожую токсичность, которая усиливается при малых значениях pH. Проявление токсических свойств других металлов также зависело от рН среды. Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, НЧ и ионов цинка на водные культуры дафний и бактерий выявило летальные концентрации — 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно. Показано, что полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), содержащие Cd/Se/ZnS в виде НЧ размером 2-50 нм в концентрации 62,5 мг/л в течение 8-часовой инкубации гепатоцитов крыс проявляли цитотоксические свойства на фоне нарастания окисдативного стресса, апоптоза. Отмечается, что цитотоксичность НЧ Cd/Se/ZnS зависела от используемой дисперсионной среды, в которой инкубировались сами НЧ, менее токсичны были НЧ в сыворточном бычем альбумине или фосфотидилхолине и более токсичные свойства проявляли НЧ Cd/Se/ZnS при внесении их в меркаптодекановую кислоту.

Различия в токсичности НЧ и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем НЧ. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, анемия и нарушение системы свертывания крови. В другом исследовании показано биотическое действие НЧ цинка размерами частиц 50-100 нм в концентрации 0,05-100 мг/кг при подкожном однократном введении, а доза 450 мг/кг — лежит в зоне токсического воздействия. При этом сравнение токсичности НЧ цинка и сульфата показало в 28 раз меньшую токсичность НЧ цинка, чем сульфата цинка.

Исследования цитотоксичности НЧ SiO₂ в форме нанопроволоки и наночастиц (in vitro) на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мг/л является предельной. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны и некроз клеток. Наиболее широко используемым в настоящее время как в чистом виде, так и в составе наноматериалов является TiO₂. Токсикологические исследования тонких (250 нм) и ультратонких (20 нм) НЧ TiO₂ при ингаляционном введении крысам показали, что частицы размером 20 нм способны накапливаться в лимфоидных тканях, обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга. Основным механизмом токсического действия НЧ TiO₂ является индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров НЧ, но и от того, какой структурой представлен TiO₂. Сильными токсическими свойствами обладают и НЧ AI₂O₃. Размеры частиц 30-103 нм способны подавлять синтез м-РНК, вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий и т.д.

НЧ магнетита (Fe₂O₃) все шире используются в медицине в качестве избирательных носителей для доставки лекарств к органам и маркеров, управляемых внешним магнитным полем. В тоже время в производственных условиях и при загрязнении атмосферы ультратонкими аэрозолями, в состав которых входит ультрадисперсное железо, оно может обладать более выраженной биологической агрессивностью. Так, острое пероральное введение мышам суспензии НЧ железа в дозе 50, 100 и 500 мкг/кг не вызывало каких-либо токсических эффектов. Только дробное введение доз 1000, 2000 и 5000 мкг/кг приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а также сдвигов в гемопоэзе. Хроническое воздействие НЧ железа в дозах 20 и 40 мкг/кг в течение 90 дней не приводило к значимым отклонениям от биохимических и гематологических показателей контрольной группы. Кроме того, было показано, что дозы 2–6 мкг/кг стимулируют рост животных, бактерицидную активность сыворотки крови и увеличение общего белка в крови. Исследования острой токсичности на крысах показало, что НЧ Fe₂O₃ оказывают это воздействие в дозах, превышающих 400мг/кг. Изучение хронической токсичности выявило увеличение активности АЛТ и АСТ в крови, ассоциированных с цитоморфологическими изменениями в печени. Однако были обнаружены некоторые тератогенные эффекты и показана эмбриотоксичность. Ингаляционное воздействие НЧ оксида железа размерами 22 и 280 нм на крыс в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках, гиперемию, гиперплазию и фиброз тканей легких. Также было выявлено нарушение системы свертывания крови.

Изучение токсичности НЧ меди (23,5 нм), микрочастиц меди (17 микрон) и ионов (CuCl₂) на мышах при пероральном введении позволило рассчитать параметры острой токсичности: 413, 5000 и 110 мг/кг. Органами-мишенями токсического воздействия оказались печень, селезенка, почки. При этом масса тела животных не изменялась.

Таким образом, токсичность НЧ металлов напрямую связана с их размерами, а значит, с крайне высокой удельной площадью, которая обуславливает высокую химическую активность и высокую способность к проникновению в организм, таким образом, чем меньше размер материала, тем больше его удельная площадь и тем больше степень токсичности материала.

Код для цитирования: Скопировать