CC BY
11
STRUCTURAL EFFECTS OF ACTION NANOSILVER ON LUNG OF RATS AT CONDITIONS
INTRATRACHEAL INSTILLATION
Yavorovsky O.P., Zinchenko T.O., Kolesova N.A., Shkurko G.A., Litvinenko V.l., Sukhareva N.M.
СТРУКТУРН1 ЕФЕКТИ ДМ НАНОСР1БЛА НА ЛЕГЕН1 ЩУР1В ЗА УМОВ 1НТРАТРАХЕАЛЬНОГО ВВЕДЕННЯ
станнiми роками швидкими nepciï. Цей феномен поясню-
темпами розвиваються hobî ють здатнiстю наночастинок
технологи та методи, що базу- безперешкодно долати бюло-
ються на принципах самоорга- пчш бар'ери оргаызму, викли-
нiзацiï. 1нтерес до нанотехноло- кати окислювальний стрес,
гiй пояснюеться тим, що мате- внаслiдок цього — апоптоз кли
рiали у наноструктурному станi тин [3, 10]. Дослщження ток-
мають абсолютно ункальш фi- сичностi наночастинок срiбла
зико-хiмiчнi властивостi, такi як на ембрюнах Смугастого Данiо
значна питома поверхня, тдви- виявило зростання частоти за-
щена реакцiйна та каталiтична гибелi ембрiонiв, виникнення
ЯВОРОВСЬКИЙ О.П., здатнють, адсорбцiйний потен- серцевих та Ыших вроджених
З1НЧЕНКО Т.О., цiал тощо [1]. Нанорозмiрне вад [б, 7]. Внаслщок субхроыч-
КОЛЕСОВА Н.А., ШКУРКО Г.А., срiбло мае значну потен^альну ного впливу нано-Ag на ссав^в
ЛИТВИНЕНКО В.1., антимiкробну активнiсть щодо спостер^али розвиток перива-
СУХАРеВА Н.М. багатьох патогенних органiзмiв скулярного набряку у верхшх
Нацiональний медичний i завдяки цьому широко засто- вщдшах легень та альвеол^у
унiверситет совуеться у легюй промислово- [8]. Дослiдження легеневого та
iм. О.О. Богомольця, ст та медицинi [4, 5]. Наносри системного розподiлу ультра-
м. Ки!'в, бло являе собою частинки ме- дрiбних частинок срiбла пока-
e-mail: талевого срiбла розмiром вiд 1 зало, що !'хы розмiр та тенден-
zinchenko.tanja@gmail.com до 100 нм в одному чи деюлькох щя до створення агломератiв
УДК 613.6:616-018:546.57 вимiрах (наночастинка срiбла впливають на шляхи !'х розподи
розмiром 9 нм мютить близько лу у легенях. В альвеолах дрiбнi
^^40BÏ слова: 24000 атомiв срiбла) [6]. Дан частинки легко фагоцитуються
наночастинки срiбла, лiтератури свiдчать, що нано- альвеолярними макрофагами.
легенi, CTpyKTypHi змши, Ag значно токсичнiше, нiж його Агломерованi частинки мiкро-
токсикологiя. аналог у макроскотчшй дис- скопiчно пом^ы у стiнках альвеол [9].
СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ НАНОСЕРЕБРА введет нами ппешчш
НА ЛЕГКИЕ КРЫС ПРИ ИНТРАТРАХЕАЛЬНОМ ВВЕДЕНИИ дослщження умов прац опера-
ЯворовскийА.П., Зинченко Т.О., Колесова Н.А., ^в при одержаны наноча-
Шкурко Г.А., Литвиненко В.И., Сухарева Н.М. стинок срiбла за допомогою
Поскольку существует реальная возможность поступления електронно-променево!' техно-
в организм определенного количества наночастиц серебра лог^ показали, що специф^
ингаляционным путем, нами было проведено гистологическое ним i потенц^но небезпечним
исследование легких. Целью данного эксперимента было чинником для даного вироб-
изучение динамики развития патоморфологических измене- ництва е аерозоль матричного
ний в легочной ткани в разные сроки наблюдения при натрю хлориду, який мютить
интратрахеальном введении наносеребра в матрице NaCl. власне наночастинки ^бла
Обнаружили накопление инстиллированного материала (до 30%). Пщ час рiЗHИX техно-
в макрофагах интерстиция межальвеолярных перегородок и в лопчних операцм концентра-апикальных частях реснитчатого эпителия бронхов с постепен- аерозолю коливаеться вiд
ным уменьшением его количества в динамике эксперимента. 0,006 до 2,06 мг/мз. 98% ма-
Введение наносеребра приводило к развитию в легких тричного пилу належать до
острого и хронического пневмонита, хронического рестрабельно!' фракци. У л^е-
катарального бронхита, очагов эмфизематозных и склеротиче- ратурi практично вiдCутHi даHi
ских изменений, которые усиливались с увеличением сроков щодо структурних ЗMiH у леге-
наблюдения. Через 12 месяцев в легких определялись также нях внаслщок впливу нано-Ад,
морфологические признаки развития легочной гипертензии. тому всебiчне еколого-токси-
кологiчне дослiдження цього
Ключевые слова: наночастицы серебра, легкие, структур- нового антропогенного чинни-
ные изменения, токсикология. ка е досить актуальним.
Метою нашого дослiдження
© Яворовський О.П., Знченко Т.О., Колесова Н.А., було вивчення динамки роз-
Шкурко Г.А., Литвиненко В.1., Сухарева Н.М. СТАТТЯ, 2011. витку патоморфолопчних змш
3 Environment & Health № 4 2011
у легенев1и тканин1 у р1зн1 строки експерименту за умов ¡н-тратрахеального введення на-ночастинок ср1бла до матриць
Матерiали та методи. Дос-лщи проводили на 40 щурах-самцях лнТ Wistar вагою 240260 грам1в. У досл1дженн1 вико-ристовували наночастинки ср1-бла у матриц! N8^, одержан! методом електронно-проме-невого випаровування у вакуум! у лабораторп № 84 М1жна-родного центру електронно-променевих технолог!И 1нсти-туту електрозварювання ¡м. е.О. Патона. З використанням електронноТ м1кроскопи за роз-робленою нами методикою [2] встановлено, що частинки ср1-бла мають переважно сферич-ну форму розм1ром 28-30 нм. Наночастинки ср1бла вводили тваринам 1нтратрахеально у к1лькост1 50 мг матер1алу на 0,5 мл дистиляту одноразово. За-б1р зразк1в тканин проводили через 1, 3, 7 д1б, 6 I 12 мюяц1в.
Для пстолопчного досл1-дження леген1 ф1ксували у 10% розчиш нейтрального форма-лшу. П1сля ф|ксац1Т матер1ал зневоднювали у спиртах вис-х1дноТ концентраций проводили через спирт-хлороформ, хлороформ, заливали у парафш. На санному м1кротом1 готували зр1зи завтовшки 7 мкм, як1 за-барвлювали гематоксилшом I еозином та за ван-Пзон. Псто-морфометричне досл1дження зд1Иснювали за допомогою ци-томорфолог1чного комплексу "0!утр^"-Сх 31 I цифровоТ в1-
деокамери "Olympus"-C 5050 ZOOM з об'ективами MiKpocKO-па Plan 4 х 0,10, 10 x /0,25 i Plan 40 x /0,65.
Результати та 'ix обговорен-ня. MiKpocKoni4He дocлiдження легень за добу пюля Ытратрахе-ального введення наночастинок cpiблa до мaтpицi NaCl виявипо наявнють iнcтaпьoвaнoгo мате-piaпу у вщдтах легень. Найбть-шi накопичення мaтеpiaлу бупо встановлено у макрофагах мiжaльвеoляpних перетинок у вигпядi дpiбних i бiпьш крупних скупчень чорного кольору (рис.1). Чорний мaтеpiaп також мозаТчно виявлявся у бронхах крупного, середнього та дpiб-ного дiaметpiв i розташовував-ся в aпiкaльних частинах вмча-стого епiтелiю та у пристЫочно-му cлизi. Пpocвiти частини бpoнхiв були вiльними вiд Ыста-льованого мaтеpiaлу. У просви тах дpiбних бpoнхiв та альвеол нано-Ag у мaтpицi NaCl виявля-лося рщко. У мicцях його накопичення мiжaпьвеoляpнi пере-тинки потовщеы, iнфiльтpoвaнi переважно лiмфoТдними еле-ментами з домшками плазма-тичних кштин, тканинних базо-фiлiв, мaкpoфaгiв та поодино-ких нейтpoфiльних гранулоци-^в. Iнтеpcтицiaльнa тканина та кpoвoнocнi судини уах кaлiбpiв не мали суттевих пaтoлoгiчних змiн, були пoмipнo кровонапов-неннi. У пpocвiтaх кровоносних судин Ыстальованого мaтеpiaлу не виявлено.
У легенях тварин контроль-них груп (контроль вiвapiю та iнтpaтpaхеaльнoгo введення
розчину N80) так1 патолог1чн1 зм1ни в1дсутн1.
За 3 доби тсля Ытратрахе-ального введення наночастинок ср1бла 1нстильований мате-р1ал виявлявся у макрофагаль-них елементах потовщених м1жальвеолярних перетинок у вигляд1 др1бних включень та конгломералв. У кшькюному в1дношенн1 в1дзначалося його зменшення на 25-30%. У мю-цях локал1зацп чорних включень м1жальвеолярн1 перетин-ки зазвичай були потовщеними та шфтьтрованими переважно л1мфо-плазмоцитарними еле-ментами. У частин1 бронх1в ус1х кал1бр1в виявлялися ознаки ро-звитку хрошчного бронх1ту з потовщенням, набряком та ¡н-ф1льтрац1ею ус1х шар1в ст1нок, а також з дистроф1чними зм1на-ми та частковою десквамац1ею еп1тел1ю (рис. 2). 1нстильова-ний матер1ал в еп1тел1Т та прос-в1тах бронх1в визначався у невелика к1лькост1. Разом з1 структурними ознаками початку розвитку хрошчного запа-лення у бронх1альному дерев! та у респ1раторному в1дд1л1 у легенях виявлялися дшянки з1 звичайною будовою.
У 1/3 тддослщних тварин ц1еТ' групи у легенях розвивалися ознаки локального гострого запального процесу з потов-щенням, набряком та шфтьт-рац1ею нейтроф1льними грану-лоцитами I л1мфоТдними еле-ментами м1жальвеолярних перетинок, а також з наявнютю серозного ексудату у просв1тах альвеол.
Рисунок 1 Леген щура за 1 добу пiсля iнтратрахеального введення наносрiбла. 1нстильований матерiал у макрофагах потовщених мiжальвеолярних перетинок. Фарбування гематоксилiном i еозином. Зб.: об. 10, ок. 10.
Рисунок 2 Леген щура за 3 доби пiсля iнтратрахеального введення наносрiбла. Потовщення та iнфiльтрацiя стiнок бронху малого калiбру з вогнещево десквамованим епiтелieм та iнстильованим матерiалом у просвiтi. Фарбування гематоксилiном i еозином. Зб.: об. 40, ок. 10.
№ 4 2011 Environment & Health 4
Продовження термiну спо-стереження над експеримен-тальними тваринами тсля ш-тратрахеального введення на-носрiбла до 7 дiб обумовлюва-ло зменшення у легенях ктько-ст iнстальованого матерiалу до 10-20% вщ того, який вия-влявся мiкроскопiчно за добу.
Разом з тим, у легенях збть-шувалися дтянки з мiкроскопiч-ними ознаками гострого запального процесу, за якого у просв^ах альвеол накопичував-ся ексудат. У бтьшосп полiв зо-ру виявлялася гетерогеннiсть ушкодження легень: поля гострого пневмошту чергувалися з дiлянками хронiчного пневмош-ту, хронiчного бронхiту, а також дрiбними вогнищами емфiзе-матозних змiн (рис. 3).
За 6 мюящв тсля одноразового штратрахеального введення наносрiбла мiкроскопiчнi змiни у легенях мали шший характер: переважали потоншен-ня та розриви мiжальвеоляр-них перетинок з редукцieю ка-пiлярного русла та нерiвномiр-ним збтьшенням площi альвеол, що вiдображаe розвиток у легенях центролобулярноТ ем-фiземи. Привертае увагу також потовщення стiнок артерiаль-них судин системи легеневоТ артерiТ, що може вщображати морфологiчнi ознаки розвитку легеневоТ ппертензи (рис. 4).
Зрiдка у полi зору мiкроскопу зустрiчалися залишки шста-льованих матерiалiв (агломе-ра^в), якi локалiзувалися пере-важно у макрофагальних еле-
ФУНДАМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ =
ментах iнтерстицiя легень.
Подовження строку експери-менту до 12 мюящв призводи-ло до розвитку у легенях вогни-щевих ознак пневмосклерозу (рис. 5). Колагеновi волокна виявляються на мiсцях розта-шування агломератiв наносри бла, а також периваскулярно та перибронхiально. Вогнища ем-фiземи чергувалися з вогнищами хрошчного пневмонiту, хронiчного бронх^у та пнев-москлерозу.
Значних змiн зазнавали також судини системи легеневоТ артери, у т.ч. дрiбнi ТТ гiлки та артерiоли. в яких вщзначено потовщення стiнок за рахунок гiпертрофiТ м'язового шару та обл^ераци просвiту. Такi змiни у легенях у комплекс можуть служити тдфунтям до розвитку в органiзмi тддоошдних тва-рин, яким шсталювали внут-рiшньотрахеально наносрiбло, легеневоТ ппертензи.
Обговорюючи експеримен-тальнi данi щодо впливу нано-частинок срiбла, одержаних за
Рисунок 3 Леген щура за 7 дiб пiсля штратрахеального введення наносрiбла.
Гетерогеннiсть ушкодження легень: чергування дiлянок гострого i хрошчного запалення та вогнищевоТ емфiземи; шстильований матерiал у макрофагах iнтерстицiя. Фарбування гематоксилiном i еозином. Зб.: об. 10, ок. 10.
допомогою електронно-проме-невоТ технологiТ, в експеримен-т на лабораторних тваринах за рiзних термiнiв спостереження (1 доба — 12 мюящв), можна констатувати, що вони мають своТ особливостк Так, данi ав-торiв 5ипд J.H., Такепака S. е1: а1. стосуються лише коротко-тривалих або середньотрива-лих термов дiТ частинок нано-срiбла розмiром 6-100 нм, при-чому основы морфолопчы зми ни виявлялися периваскуляр-ним набряком у верхнiх ввдшах легень та альвеолiтом.
Дослiдженi нами наночастин-ки срiбла виявили бюлопчну ак-тивнiсть як у раннм перiод, так i за довготривалого спостереження. Якщо в умовах ди протя-гом 1-7 дiб переважали запаль-нi процеси, як супроводжува-лися накопиченням конгломе-ра^в наносрiбла у матрицi NaCl у макрофагах мiж альвеолярни-ми перетинками, то у бтьш тз-шх термiнах запальнi процеси змiнювалися розвитком емфи земи i пневмосклерозу.
Рисунок 4 Леген щура за 6 мiсяцiв пiсля iнтратрахеального введення наносрiбла. Потовщення стiнок судин системи легеневоТ артерГГ. Емфiзематознi змiни. Фарбування гематоксилшом iеозином. Зб.: об. 20, ок. 10.
5 Еоттошшт & Иеаьти № 4 2011
STRUCTURAL EFFECTS OF ACTION NANOSILVER ON LUNG OF RATS AT CONDITIONS INTRATRACHEAL INSTILLATION Yavorovsky O.P., Zinchenko T.O., Kolesova N.A., Shkurko G.A., Litvinenko V.l., Sukhareva N.M. We used a histological examination of lungs because that silver nanoparticles can enter into the organism through inhalation. The aim of this experiment was to investigate dynamics pathological changes in lung tissue at different observational periods after intratracheal administration of nano-silver in the matrix r NaCl. The injected material
has been found in macrophages of interalveolar septa and the interstitium of bronchial ciliated epithelium. Its amount gradually decreased in the dynamics of the experiment. The nanosilver led to the development acute and chronic pneumonitis, chronic catarrhal bronchitis, emphysematous lesions and sclerotic changes, which are amplified with increasing time of observation. The morphological signs of pulmonary hypertension in the lung were identified after 12 months Key words: silver nanoparticles, lung, structural changes, toxicology.
Висновки
1. У легенях щурiв топя одноразового штратрахеального введення наносрiбла у матриц NaCl розвиваються структуры змши у рестраторному вщщт та у бронхiальному дереву характер яких змЫюеться у дина-мщ експерименту.
2. На раншх термшах досш-джень наночастинки срiбла на-копичуються у макрофагах н терстицю мiжальвеолярних перетинок, меншою мiрою — в апкальних частинах цитоплаз-ми вмчастого еттелю бронхiв усiх капiбрiв та у пристшочному спизi з поступовим зменшен-ням його кiпькостi у динамщ спостереження. 1нтратрахе-альне введення наносрiбла призводить також до розвитку у легенях гострого i хроычного пневмонiту, хронiчного катарального бронх^у.
3. З подовженням строкiв експерименту у легенях спо-стерiгаеться посилення ро-звитку емфiзематозних та
склеротичних зм1н, а також визначаються морфолопчш ознаки розвитку легеневоТ' п-пертензп, про що свiдчать зми ни структури плок легеневоТ' артерií i артерiол.
4. Проведенi експеримен-тальш дослiдження свiдчать про високу бюлопчну актив-нiсть нано-Ag, одержаного за допомогою електронно-про-менево'Т технологií, про необ-хiднiсть Т'х подальшого токсико-логiчного дослiдження i ппешч-ного нормування.
Л1ТЕРАТУРА
1. Балоян Б.М., Колмаков А.Г, Алымов М.И., Кротов. А.М. На-номатериалы: классификации, особенности свойств, применение и технологии получения: учеб. пособие / [Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов] — М.: АгроПресс-Дизайн, 2007. — 102 с.
2. Патент на корисну модель МПК (2009) G01N 33/48. Споаб визначення у пов^ наночасти-нок срiбла / О.П. Яворовський,
Рисунок 5
Легеш щура за 1 piK пiсля iнтратрахеального введення наносpiбла. Oi6po3 мiжальвеоляpних перетинок; залишки iнстальованого матеpiалу оточенi колагеновими волокнами. Фарбування за ван-Гiзон. Зб.: об. 20, ок. 10.
В.П. Широбоков, В.В. Бобир, Т.О. ЗЫченко, М.В. Вертеленко // Заявл. 29.04.2009; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12. — 6 с.
3. Ahamed M., Posgai R., Go-rey T.J., Nielsen M., Hussain S.M., Rowe J.J. (2010). Silver nanoparticles induced heat shock protein 70, oxidative stress and apoptosis in Drosophila melanogaster // Toxicology and Applied Pharmacology, 242 (3): 263-9.
4. Baker C., Pradhan A., Pak-stis L. et al. (2005). Synthesis and antibacterial properties of silver nanoparticles // J. Nanosci Nanotechnol. — 5 (2): 244-9.
5. Chen X., Schluesener H.J. (January 2008). Nanosilver: A nanoproduct in medical application // Toxicology Letters. — 176 (1): 1-12.
6. Kristen M. Kulinowski. Environmental Impacts of Nanosilver. [Електронний ресурс] // International Council on Nanotechno-logy. — 2008.— Режим доступу: http://icon.rice.edu/resour-ces.cfm?doc_id=12722.
7. Robert J. Griffitt, Kelly Hyn-dman, Nancy D. Denslow and Davis S. Barber. Comparison of Molecular and Histological Changes in Zebrafish Gills Exposed to Metallic Nanoparticles // Toxicological Sciences. — 2009.
— 107 (2): 404-415.
8. Sung J.H., Ji J.H., Park J.D. et al. (2009). Subchronic inhalation toxicity of silver nanopartic-les // Toxicol. Sci. — 108 (2): 452-461.
9. Takenaka S., Karg E., Roth C. et al. Pulmonary and systemic distribution of inhaled ultrafine silver particles in rats // Environ. Health Perspect. — 2001. — 109: 547-51.
10. Carlson C., Hussain S., Schrand A., Braydich-Stolle L., Hess K., Rochelle J., Schlager J. Unique cellular interaction of silver nanoparticles: Size-dependent generation of reactive oxygen species // J. Phys. Chem. B.
— 2008. — 112. Надмшла до редакцп 15.08.2011.
№ 4 2011 Environment & Health 6
