CC BY
107
© О. О. Савенкова
УДК 611. 12-034:591. 33-092. 9
О. О. Савенкова
НАНОМЕТАЛИ: ПРОБЛЕМИ ТА СТАН СУЧАСНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
В БІОЛОГІЇ І МЕДИЦИНІ
Державний заклад «Дніпропетровська медична академія» (м. Дніпропетровськ)
наночасток постає досить актуальним як в біології,
Дане дослідження є фрагментом міжкафедраль-ної планової наукової роботи Державного закладу» дніпропетровська медична академія» «Розвиток та морфофункціональний стан органів і тканин експериментальних тварин та людини в нормі, в онтогенезі, під впливом зовнішніх чинників», номер державної реєстрації 011111012193.
Активний розвиток сучасних досліджень в області нанооб’єктів і наноструктур поставив ряд питань про їх біобезпеку. Оцінка безпеки нанопродуктів для об’єктів навколишнього середовища та здоров’я людини стає першорядним завданням як токсикології так і наукових досліджень з нанотехнологій [11, 12, 13, 17]. Наноструктури, як правило, легше вступають в хімічні перетворення, ніж більш великі об’єкти того ж складу, і тому здатні утворювати комплексні сполуки з раніше невідомими властивостями. Ця обставина збільшує технологічну перспективність нанооб’єктів і в той же час змушує з особливою увагою ставитися до пов’язаних з ними екологічних та медичних ризиків [3, 4, 5, 21, 25].
До наноматеріалів відносять частинки з розміром не більше 100нм. Вони відрізняються від молекул і іонів того ж складу не тільки розмірами, але і більшою питомою поверхнею, високою адсорбційною і кумулятивною здібностями. У них збільшується хімічний потенціал на міжфазному кордоні, в результаті чого змінюється розчинність, реакційна і каталітична здатності [1, 7, 8,16]. Ряд авторів вказують на небезпеку канцерогенного ефекту нано-частинок; відзначають здатність генерувати активні форми кисню (останнє обумовлено наявністю реакційних центрів). Наночастки стабільні, не піддаються біотрансформації і не виводяться з клітини, що викликає в клітинах стрес і їх руйнування [5, 10, 11, 12]. Також в літературі є відомості про те, що наночастки можуть надавати протективного впливу на живі організми, збільшуючи резистентність організму до різних токсикантів [6]. Одним з першорядних питань, на яке необхідно отримати відповідь, стосується ефектів наночастинок відносно різних живих організмів, які є представниками різних трофічних рівнів. Використання нанопродуктів у тваринництві, землеробстві, медицині призводить до потрапляння чималої їх кількості в навколишнє середовище, тобто можливе їх наступне включення в біосистеми [11, 12, 13, 18]. Водночас, аналіз наукових повідомлень виявив дефіцит інформації про результати дослідження з впливу наноречовин на організм, хід ембріогенезу, постнатального розвитку та екосистеми. Питання віддаленої післядії на організм
екології так і в медицині.
В останнє десятиліття нанотехнології і нанома-теріали знаходять все більш широке застосування в біології та медицині. Використання нанотехнологій у медичній практиці та біології зводиться до трьох основних напрямків [20]: 1) діагностика соціально значущих захворювань (молекулярна візуалізація, виявлення генетичних маркерів), 2) спрямована доставка молекул лікарських речовин (включаючи білки і генетичний матеріал) в пошкоджені тканини і 3) створення нових наноматеріалів медичного призначення із заданими властивостями. Аналізуючи наукові дані сучасних досліджень з нанобіотехно-логій, нанофармакології ми зіткнулися з дефіцитом інформації про вплив тих чи інших нанопродуктів на ембріогенез та органогенез. У цьому плані вельми актуальним є вивчення впливу наночастинок металів на земноводних, зокрема, на їх рослиноїдні личинкові стадії - консументів першого порядку [15, 20]. Об’єктом дослідження російських вчених стали пуголовки озерної жаби РапагІсІІЬипсІа. Вчені досліджували виживання пуголовків, темпу зростання та темпи розвитку при експозиції в присутності наночастинок кобальту, нікелю, міді та заліза, а також при додаванні зазначених наночастинок в розчини стічної води цукрового заводу низьких концентрацій (10 і 25 %). Вважається, що проникнення наночасток металів відбувалось переважно через шкіру пуголовків, а на пізніших стадіях розвитку перорально та з кормом. Отримані дані свідчать про неоднозначний вплив наночастинок оксидів міді, нікелю, заліза і кобальту на смертність пуголовків озерної жаби. Результати масштабного дослідження (360 пуголовків) показали, що 3 з 4 вивчених оксидів нанометалів (кобальт, залізо, нікель) знижують смертність пуголовків при їх додаванні в розчини стічних вод цукрових заводів, особливо ця дія проявляється при додаванні оксиду кобальту. Ці ж оксиди прискорюють темпи зростання пуголовків в розчинах стічних вод, при цьому найбільший середній приріст відзначений у пуголовків в розчинах оксиду заліза. Однак додавання оксидів заліза, кобальту та нікелю до чистої води істотно не змінює біологічні показники пуголовків озерної жаби. Тільки оксид міді надає протилежну дію, він викликає в кожному з досліджених варіантів досвіду прискорену (і 100 %-ву) загибель [20]. Доцільно підкреслити, що це були одні з небагатьох результатів досліджень з впливу наноматеріалів на хід ембріогенезу опубліковані за 2011-2012 роки.
Попередні аналогічні дослідження українських вчених [8, 9] поки що не отримали продовження.
Є певні труднощі у виявленні ступеню можливої токсичності тих чи інших нанопродуктів, а саме - токсичність наночастинок не може бути оцінена порівняно з аналогами у малодисперсній формі, бо токсикологічні властивості наноматеріалів є результатом зміни поверхневих характеристик, хімічної реактивності, форми, тощо [5, 6, 22, 24]. Це викликає потребу в нових експериментальних роботах щодо впливу нанопродуктів на організм та визначення їх токсичності. Суттєвою проблемою також є недостатність методів виявлення та кількісного визначення наноматеріалів в об’єктах довкілля, харчових продуктах і біосистемах, що призводить до прийняття державних заходів захисту населення [8, 9, 15, 18].
Досить широко сучасні експериментатори створюють моделі використання наноструктур в гістологічній практиці для подальшого використання в практичній медицині. У медицині матеріали з на-ноструктурованою поверхнею починають використовуватися для заміни тих чи інших тканин. Клітини організму розпізнають такі матеріали як «свої» і прикріплюються до їх поверхні. В даний час досягнуті успіхи у виготовленні наноматеріалу, що імітує природну кісткову тканину. Так, учені з Північно-західного університету (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel
I. Stupp та інші [23] використовували тривимірну самосборку волокон близько 8 нм діаметром, що імітують природні волокна колагену, з подальшою мінералізацією і утворенням нанокристалів гідро-ксиапатиту, орієнтованих вздовж волокон. До отриманого матеріалу добре прикріплювалися власні кісткові клітини, що дозволяє використовувати його як «клей» або «шпаклівку» для кісткової тканини в хірургії [23].
Відомо, що антимікробні властивості металів (мідь, срібло, золото, ін.) пояснюються впливом їх іонів на мікроорганізми [14]. У слабких електролітах, що виключають розчинення металу, останній виділяє вкрай мале число іонів. Тому, в якості антисептиків зазвичай використовуються солі металів, але не їх частки. Це положення справедливо для макро-часток, але не обов’язково для наночастинок. Нано-частки володіють величезною питомою поверхнею і кількість виділюваних ними іонів, навіть у слабких електролітичних середовищах, може бути достатнім
для придушення розвитку мікроорганізмів. Проведені дослідження, за методикою описаної В. Т. Пальчун зі співавторами [14], показали, що дисперсні системи, де середовищем служить поліетиленгліколь або натрій-карбокси-метилцелюлоза, а фазою наночас-тинки золота, при їх концентрації 100 мг/кг, в антимікробному відношенні не поступаються аналогічній середі з розчиненим у ній нітратом срібла в концентрації до 300 мг/кг. Властивості золота регулювати експресію протизапальних генів, пов’язувати пере-кисні радикали, пригнічувати розвиток злоякісних клітин [14], також викликають особливий інтерес. У зв’язку з цим постає питання способів доставки золота до клітин або органів-мішеней. Дослідження показало, що використовування методу введення золота в біологічні тканини можна застосовувати, принаймні, на ділянках близько розташованих до джерела впливу. Оскільки діамагнітними властивостями володіє не тільки золото, але також і інші метали (вісмут, мідь, срібло) та поліорганічні сполуки, можливо метод магнітного впливу застосовувати і на цих речовинах. Але дослідники не відстежували віддалені результати присутності наночасток на організм. Таким чином, біологічні системи і наномате-ріали взаємопов’язані в сучасних промислових та медичних аспектах, тому для дослідження впливу останніх на організм людини та довкілля необхідне поєднання зусиль токсикологів, патоморфологів, біологів, ембріологів, екологів.
Аналіз даних світової наукової літератури на предмет можливого тератогенного впливу наноме-талів на організм та на хід ембріогенезу продемонстрував дефіцит інформації про спрямовані ембріологічні експерименти з наноматеріалами та довів доцільність проведення експериментальних робіт в зазначеному напрямку. Необхідним стає визначення токсичних і тератогенних доз для експериментальних моделей.
Перспективним напрямом досліджень у різних галузях знань є вивчення властивостей нанометалів та їх сполук як продуктів нанотехнологій. Наночас-тинки металів та розроблені на їх основі матеріали знаходять застосовування в діагностиці, лікуванні та профілактиці різних патологій людини і тварин. Тому дослідження впливу нанометалів та їх сполук на розвиток організму є своєчасною та актуальною задачею.
Список літератури
1. Артисюк М. В. Цитотоксична активність наносрібла щодо культури клітин СНО К1 / М. В. Артисюк // Український науково-медичний молодіжний журнал «УоиШЫапоВюТесЬ|-2010. Молодіжний форум з нанобіотехнологій». Матеріали конференції 19 травня 2010р., Київ. - № 3. - С. 20-21.
2. Борисевич В. Б. Нанотехнології мікронутрієнтів: проблеми, перспективи та шляхи ліквідації дефіциту макро- та мікроелементів / В. Б. Борисевич, В. Г. Каплуненко, М. В. Косінов // Журнал АМН України. - 2010. - № 1. - С. 107-114.
3. Глушкова А. В. Нанотехнологии и нанотоксикология - взгляд на проблему / А. В. Глушкова, А. С. Радилов, В. Р. Рем-бовский // «Методологические проблемы изучения и оценки био - и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды». Материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации / Под ред. акад. РАМН Ю. А. Рахманина. - М, 2007. - С. 55-59.
4. Жолдакова 3. И. Некоторые сходства и различия в токсических свойствах наночастиц и других химических веществ / 3. И. Жолдакова, О. О. Синицына // «Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды». Материалы
пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации / Под ред. акад. РАМН Ю. А. Рахманина. - М, 2007. - С. 52-55.
5. Картель М. Т. Концепція методології і дентифікації та токсикологічних досліджень наноматеріалів і оцінки ризику для людського організму та довкілля при їх виробництві і застосуванні / М. Т. Картель, В. П. Терещенко // Химия, физика и технология поверхности: Межвед. сб. науч. труд. - К.: Наукова Думка, 2008. - Вып. 14. - С. 565-583.
6. Коваленко Л. В. Биологические активные нанопорошки железа / Л. В. Коваленко, Г. Э. Фолманис. - М.: Наука, 2006. -156 с.
7. Колесниченко А. В. Токсичность наноматериалов - 15 лет исследований / А. В. Колесниченко, М. А. Тимофеев, М. В. Протопопова // Российские нанотехнологии. - 2008. - Т. 3, № 3-4. - С. 54-61.
8. Лавриненко В. Є. Тератогенні ефекти різних класів наноматеріалів / В. Є. Лавриненко, С. С. Зінабадінова // Укр. наук. -мед. молодіжний журнал. - 2010. - № 3 (Спец. вип.). - С. 57-58.
9. Методичні засади розпізнавання патології, індукованої чинниками Чорнобильської катастрофи, для встановлення факту інвалідизації: посібник / За ред. В. П. Терещенко - К.: Медінформ, 2005. - 160 с.
10. Мосин О. В. Физиологическое воздействие наночастиц меди на организм человека / О. В. Мосин // NanoWeek. -2008. - № 22. - Р. 86-94.
11. Москаленко В. Ф. Нанонаука, нанобіотехнології, наномедицина, нанофармакологія / В. Ф. Москаленко, I. С. Чекман,
H. О. Горчакова [та ін.] // Український науково-медичний молодіжний журнал «YouthNanoBioTech-2010. Молодіжний форум з нанобіотехнологій». Матеріали конференції. 19 травня 2010 р., Київ. - № 3. - С. 9-16.
12. Москаленко В. Ф. Нанотехнології, наномедицина, нанофармокологія: стан, перспективи наукових досліджень, впровадження в медичну практику / В. Ф. Москаленко, Л. Г. Розенфельд, Б. О. Мовчан, I. С. Чекман // I нац. конгр. «Человек и лекарство - Украина». - К., 2008. - C. 167-168.
13. Москаленко В. Ф. Наукові основи наномедицини, нанофармакології та нанофармації / В. Ф. Москаленко, В. М. Лісовий,
I. С. Чекман // Вісник Національного медичного університету ім. О. О. Богомольця. - 2009. - № 2. - С. 17-31.
14. Пальчун В. Т. Оценка антибактериальной и фунгицидной активности оригинального линимента, содержащего соли серебра и меди / В. Т. Пальчун, Т. С. Полякова, В. К. Ильин [и др.] // Вестник оториноларингологии. Материалы 4-й Российской конференции оториноларингологов. -2005. - Прил. № 5. - С. 329.
15. Пескова Т. Ю. Действие смесей тяжелых металлов на головастиков бесхвостых земноводных / Т. Ю. Пескова // Известия Самарского научного центра РАН. Актуальные проблемы экологии. - 2003. - Т. 1. - С. 157-164.
16. Рєзніченко Л. С. Вплив металів-мікроелементів на функціональний стан бактерій-пробіонтів / Л. С. Рєзніченко, Т. Г. Грузіна, В. В. Вембер, З. Р. Ульберг // Укр. біохім. журн. - 2008. - Т. 80, № 1. - C. 96-101.
17. Терещенко В. П. Окремі питання верифікації медико-біологічних наслідків техногенних інцидентів: методичні рекомендації / В. П. Терещенко, В. А. Піщиков, О. М. Науменко [та ін. ]. - К.: МОЗ України, 2006. - 50 с.
18. Чекман I. С. Нанофармакологія / I. С. Чекман. - 2011. -260 с.
19. Чекман I. С. Нанофармакологія: експериментально-клінічний аспект / I. С. Чекман // Лікарська справа. Врачебное
дело. - 2008. - № 3-4. - С. 104-109.
20. Шиян А. А. Влияние нанопорошков оксидов металлов на успех прохождения личиночных стадий развития озерной
лягушкой / А. А. Шиян // Научный журнал КубГАУ. - 2011. - № 66(02). - С. 104-109.
21. Braydich-Stolle L. Cytotoxicity of nanoparticles of silver in mammalian cells / L. Braydich-Stolle, S. Hussain, J. Schlager // Toxicological Sciences, 2005. - 380 p.
22. Broad-Spectrum Bactericidal Activity of Ag2O-Doped Bioactive Glass / Maria Bellantone, Huw D. Williams, Larry L. Hench // J. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. - 2002. - Vol. 46, № 6. - Р. 1940-1945.
23. Jeffrey D. Hartgerink Self-Assembly and Mineralization of Peptide-Amphiphile Nanofibers / Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp // «Science». - 2001 . - Р. 1684.
24. Oberdorster G. Principles for Characterizing the Potential Human Helth Effects From Exposureto Nanomaterials: Elements of a Screening Strategy, Particle, Fibre / G. Oberdorster, A. Maynard, K. Donaldson [et al.] // Toxicology. - 2005. - Vol. 2, № 8. - Р. 235-246.
25. Chen Z. Acute toxicological affects of copper nanoparticles in vivo / Z. Chen, H. Meng, G. Xing [et al.] // The journal of physical chemistry. Toxicology letters, 2006. - Vol. 3, № 5. - Р. 134-141.
26. He-fang Liu. The antifertility effectiveness of copper / low-density polyethylene nanocomposite and its influence on the endometrial envir onment in rats / He-fang Liu, Zi-long Liu, Chang-sheng Xie, Jing Yu, Chang-hong Zhu // Contraception. -2007. - № 75. - Р. 157-161.
УДК 611. 12-034:591. 33-092. 9
НАНОМЕТАЛЛЫ: ПРОБЛЕМЫ И СОСТОЯНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Савенкова Е. А.
Резюме. Использование нанотехнологий и наноматериалов является одним из самых перспективных направлений развития науки и техники XX века. В ближайшее время следует ожидать резкого увеличения объемов производства наноматериалов во всем мире, что приведет к попаданию значительного их количества в окружающую среду и возможное накопление в компонентах биологических систем с последующим контактом с организмом человека. Оценки возможного риска для организма человека, животных и окружающей среды при производстве и применении нановеществ - одна из приоритетных задач современной биологии и медицины. Необходимость разработки исследования возможного влияния нанопродуктов на организм и эмбрион актуальны сегодня как никогда.
Ключевые слова: наночастицы, нанопродукты, нанометаллы, эмбриогенез.
УДК 611. 12-034:591. 33-092. 9
НАНОМЕТАЛЛИ: ПРОБЛЕМИ І СТАН СУЧАСНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ В БІОЛОГІЇ ТА МЕДИЦИНІ
Савенкова О. О.
Резюме. Використання нанотехнологій і наноматеріалів є одним з найперспективніших напрямів розвитку науки і техніки XX століття. Найближчим часом слід очікувати різкого збільшення обсягів виробництва наноматеріалів у всьому світі, що призведе до потрапляння значної їхньої кількості в навколишнє середовище і можливе накопичення в компонентах біологічних систем з подальшим контактом з організмом людини. Оцінки можливого ризику для організму людини, тварин і навколишнього середовища при виробництві і застосуванні наноречовин - одне з пріоритетних завдань сучасної біології та медицини. Необхідність розробки дослідження можливого впливу нанопродуктів на організм і ембріон актуальні сьогодні як ніколи.
Ключові слова: наночастинки, нанопродукти, нанометали, ембріогенез.
UDC 611. 12-034:591. 33-092. 9
Nanometal: Problems And State Of Current Research In Biology And Medicine
Savenkova E. A.
Summary. The use of nanotechnology and nanomaterials is one of the most promising areas of science and technology of the twentieth century. In the near future we should expect a considerable increase in the production of nanomaterials in the world, which will lead to the ingress of large quantities of nanomaterials in the environment and their accumulation in the components of biological systems, followed by contact with the body. Evaluate the possible risk to human health, animals and the environment during the production and use nanomaterial - one of the priorities of modern biology and medicine. The need to develop research on the possible impact of nano body and embryo relevant today as ever.
Key words: nanoparticles, nanoproducts, nanometal, embryogenesis.
Стаття надійшла 20.09.2012 p.
Рецензент - проф. Костенко В. О.
