CC BY
56УДК 615.9:547.002
А.В.Глушкова, А.С.Радилов, В.Р.Рембовский НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОТОКСИКОЛОГИЯ - ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ
ФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» ФМБА, Санкт-Петербург
Анализ данных литературы показал, что наночастицы обладают более высокой токсичностью по сравнению с обычными микрочастицами, способны проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, а также через гематоэнцефалический барьер в центральную нервную систему, циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные патоморфологические поражения внутренних органов, а также обладают длительным периодом полувыведения. Токсичность наночастиц определяется их формой и размерами, при этом мельчайшие наночастицы веретонообразной формы вызывают более разрушительные эффекты в организме, нежели подобные им частицы сферической формы, при воздействии на организм отчетливо прослеживается связь «доза-эффект». Классические органы-мишени для наночастиц в зависимости от пути поступления — легкие, печень, почки, головной мозг, желудочно-кишечный тракт.
Ключевые слова: наночастицы, нанотехнологии, токсическое действие.
Научные исследования, касающиеся использования нанотехнологий в области охраны здоровья населения, наглядно показали существование огромного положительного экономического потенциала в этой области. Несомненно, что одной из важнейших возможностей нанотехнологий является развитие новых эффективных способов лечения пациентов с различными заболеваниями, их использование может также значительно расширить ограниченные на сегодняшний день возможности молекулярной диагностики [3, 5].
Термин «нанотехнология» (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой) был предложен в 1974 г. Норио Танигуч-чи [4, 7].
Практическое применение свойств нанома-териалов безусловно приведет к существенному техническому прогрессу и преобразованию целых областей современной экономики, однако не менее актуальной представляется проблема прогнозирования и оценки возможного влияния новых материалов и технологий на здоровье человека и окружающую среду, а также разработка соответствующих стандартов безопасности.
В литературе описаны свойства и влияние на организм наночастиц серебра, меди, алюминия, диоксида титана, оксидов цинка и кремния, фуллеренов, углеродных нанотрубок, содержащих различные металлы (железо, никель, йод и др.), полупроводниковых нанокристаллов, магнетических наночастиц и ряда других.
Ингаляционная токсичность наночастиц серебра размером 19,8—64,9 нм изучалась в течение 28 дней на крысах при воздействии в концентрациях: 1,73-104, 1,27-105 и 1,32-106 частиц/см3. Животных подвергали экспонированию по 6 ч в течение 5 дней с двухдневным перерывом, на протяжении 4 недель. Обнаружено достоверное увеличение у-глутамилтрансферазы, нейтрофилов и эози-нофилов в сыворотке крови у женских особей (концентрация 1,73-104 частиц/см3), увеличение общего гемоглобина в сыворотке крови у женских особей (концентрация 1,27-105 частиц/см3), увеличение кальция и общего белка в сыворотке крови крыс обоего пола (концентрация 1,27-106 частиц/см3). Наночастицы серебра обладали способностью осаждаться в печени, проникать в результате аксональ-ного транспорта в обонятельную луковицу головного мозга. Установлена высокая стабильность наночастиц серебра в окружающей среде и способность сохранять токсические свойства на протяжении длительного времени [8].
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), содержащие Сё8е/7и8, являются ультратонкими наночастицами с диаметром 3,2 нм способными проникать при ингаляционном пути поступления через обонятельный тракт в головной мозг и центральную нервную систему. Животных подвергали воздействию аэрозоля водного раствора фосфолипид-инкапсулированных Сё8е/7и8 квантовых точек в концентрации 7 мг/м3 интраназально в течение 3 ч с использованием небулайзера (ингаля-
тора) со скоростью потока 8 л/мин. В период до 5 ч после экспозиции было обнаружено проникновение наночастиц по ольфакторному нерву через гематоэнцефалический барьер в кору головного мозга [6].
В литературе имеются сведения о проведении серии токсикологических исследований микрочастиц, наночастиц и иончастиц меди в гидрок-сиполиметилцеллюлозе К4М, которая являлась суспензирующей основой. Были установлены параметры токсикометрии при пероральном введении: DL50 для наночастиц меди — 413 мг/кг; DL50 для иончастиц меди — 110 мг/кг; DL50 для микрочастиц меди — 5000 мг/кг.
У большинства животных, получавших на-ночастицы меди, наблюдали выраженные симптомы поражения желудочно-кишечного тракта — снижение аппетита, диарею, рвоту. У животных, получавших ионочастицы меди, наблюдали вялость, олигопноэ, тремор, опистотонус. При экспозиции наночастицами меди в растворе гидроксиполиметилцеллюлозы К4М перо-рально в дозе 1080 мг/кг у экспериментальных животных при некропсии отмечено изменение цвета почечной ткани на бронзовый, а также гибель клеток проксимальных канальцев, гломеру-лонефроз, массивный некробиоз, в селезенке — атрофия и изменения цвета. Кроме перечисленных выше сдвигов отмечены изменения биохимических показателей крови — азота мочевины, креатинина, общих желчных кислот и щелочной фосфатазы, свидетельствующие о почечной и печеночной дисфункции [1].
Наночастицы TiO2 могут стимулировать выработку свободных радикалов и обладают сильным окислительным эффектом. По данным ряда исследователей (Bermudez et al., 2002, 2004; Driscoll et al., 1990; Henderson et al., 1995; Warheit et al., 2005), ингаляционное поступление приводит к повышению числа нейтрофилов и фагоцитов в бронхоальвеолярных смывах и распределению наночастиц в легких. DL50 наночастиц TiO2 для крыс перорально составляет более 12000 мг/кг. Последние исследования Baan и его исследовательской группы из Международного агентства по исследованию рака (IARC) показали, что наночастицы TiO2 могут обладать канцерогенным действием для человека (Baan et al., 2006).
В экспериментах in vivo наблюдали увеличение массы печени и некроз гепатоцитов при воздействии наночастиц TiO2 размером 80 нм, а также длительный период их полувыведения, поскольку они практически не выводятся почками. Oberdorster et al. (1994) отмечают, что период полувыведения из легких крыс составляет от 117
до 541 дня в зависимости от размера наночастиц (250—25 нм соответственно).
Однократное пероральное введение наночастиц TiO2 размером 25 нм и 80 нм в дозе 5000 мг/кг в опытах in vivo вызывало их накопление в селезенке, почках и легких, повышение в сыворотке крови лактатдегидрогена-зы и а-гидроксибутиратдегидрогеназы (25 нм), а также увеличение массы печени и некроз гепа-тоцитов (80 нм). При ингаляционной экспозиции ультратонкими частицами TiO2 (0,8 мкм, 10 мг/м3) в течение 1 года (Heinrich et al., 1995) наблюдали снижение продолжительности жизни за счет накопления наночастиц TiO2 в организме, уменьшение массы тела экспериментальных животных, повышение числа нейтрофилов и фагоцитов в бронхоальвеолярных смывах, воспалительные изменения, эпителиальную пролиферацию и фибропролиферативное повреждение легких (Bermudez et al., 2002; Warheit et al., 1996).
Кроме того, Yamamoto et al. (2004) в своих исследованиях указывают на то, что токсичность наночастиц определяется не только их размером, но и формой. Наночастицы дендрической и веретенообразной формы обладают более высокой цитотоксичностью нежели частицы сферической формы [10].
В ряде исследований имеются данные об изучении цитотоксичности наночастиц оксида цинка (71 нм) в опытах in vitro на культурах клеток бронхоальвеолярной карциномы человека. Полученные результаты продемонстрировали снижение жизнеспособности клеток и наличие до-зозависимого эффекта при концентрации 10—14 мкг/мл в течение 24 ч. Количественными индикаторами оксидативного стресса и цитотоксичности являлись уровень глутатиона, малонового диальдегида и лактатдегидрогеназы. При проведении электрофореза одиночных клеток в геле была установлена способность наночастиц оксида цинка вызывать повреждение ДНК [8].
Изучение токсичности наночастиц золота проводили на эмбрионах гиреллы полосатой, подвергнутой экспозиции в течение 5 дней. Было установлено, что наночастицы золота размером 1,5 нм вызывают гибель эмбрионов в концентрации 10 ppm, а размером 0,8 нм — в концентрации 400 ppb. Достоверно выраженный тератогенный эффект проявляется при концентрации наночастиц золота 50 ppm, вне зависимости от их размера [3].
Цитотоксичность наночастиц диоксида кремния размером 15 и 46 нм изучалась в опытах in vitro на культуре клеток бронхоальвеолярной карциномы человека. Анализ результатов экспо-
зиции наночастицами диоксида кремния в дозе 10 и 100 мкг/мл в течение 48 ч показал наличие явного дозозависимого цитотоксического эффекта и оксидативного стресса [8].
При изучении токсичности наночастиц алюминия (размером 10 нм) в опытах in vivo в коцен-трациях 10—100 мкг/мл была установлена способность изучаемых наночастиц подавлять синтез м-РНК, вызывать пролиферацию эндотели-альных клеток, выступать в качестве индуктора проатерогенного воспаления и молекулярного модулятора на уровне РНК и ДНК путем подавления или экспрессии определенных генов [8].
Частицы органических конденсатов, образующиеся в результате неполного сгорания топлива или масла (дизельные двигатели) также могут быть отнесены к наночастицам. Имеется небольшое количество экспериментальных данных по изучению ингаляционной и иммунной токсичности масляных наночастиц (размером 20 нм) на крысах в течение 7 дней, по 6 ч в день в концентрации 300 мкг/мл (~106 частиц/см3). У экспериментальных животных было обнаружено достоверное изменение пролиферации Т- и В-лимфоцитов [8].
Из наночастиц углерода, наиболее изученными являются нано- (ультрадисперсные) алмазы (УДА). Наноалмазы не обладают канцерогенными или мутагенными свойствами, не токсичны, но при этом проявляют очень высокую активность по отношению к патогенным вирусам, микробам и бактериям, интенсивно поглощая их благодаря высокой адсорбционной способности и иным специфическим свойствам, а также являются сверхактивными сорбентами, иммо-билизаторами биологически активных веществ, способны резко усиливать действие лекарственных препаратов [9].
В ряде исследований по изучению токсичности фуллеренов (нано-С60) в опытах in vitro на человеческих дермальных фибробластах и на эпителиальных легочных клетках была установлена достаточно высокая степень цитотоксичности для этих соединений [12, 14]. Однако опыты, проведенные in vivo на крысах в дозах от 1,5 до 3,0 мг/кг, показали лишь достоверное увеличение перекис-ного окисления липидов, все остальные индикаторы клеточного воспаления в легких не превышали нормальных значений [15, 16, 17].
В процессе образования фуллеренов из графита образуются также структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода. Эти структуры являются замкнутыми и полыми внутри. Среди них выделяются наночастицы и нанотрубки [18, 19]. Было обна-
ружено, что при интратрахеальном введении образца углеродных нанотрубок, содержащих никель (25,99%) и йод (5,01%) в дозе 1 мг/кг, никаких клинических изменений у животных обнаружено не было. При введении этих же образцов веществ в дозе 5 мг/кг, наблюдалась 50% гибель животных на 7 день и 60% гибель — на 90 день. Клиника отравления характеризовалась вялостью, потерей массы тела. У некоторых животных потеря массы тела достигала 27% с последующим восстановлением через неделю [2, 11].
В легочной ткани у всех животных, подвергшихся экспозиции в дозе 5 мг/кг, при некроп-сии на 90 день были обнаружены широко распространенные равномерные вкрапления частиц черного цвета. Наблюдалось генерализованное поражение легких, в ряде случаев с некрозом, явлениями интерстициального и пери-бронхиального воспаления с вовлечением в воспалительный процесс альвеол. В легочной ткани животных, погибших на 7 и 90 день, отмечалась агрегация частиц черного цвета на макрофагах в альвеолярном пространстве, были также обнаружены формирующиеся гранулемы. Большинство микроскопических гранулем локализовалось под эпителием бронхов, а некоторые — на бронхах в виде полипов. Гранулемы представляли из себя конгломерат макрофагов, нагруженных черными частицами, с небольшим количеством лимфоцитов, нейтрофилов, эозинофилов и других воспалительных клеток [13].
При исследовании токсичности углеродных нанотрубок, содержащих железо (26,9%), в дозе 5 мг/кг случаев летальности среди животных не отмечалось, наблюдались средней степени выраженности вялость, гипотермия, тремор при прикосновении, пилоэрекция, которые наиболее ярко проявились через 8—12 ч после экспозиции с последующим исчезновением симптоматики. В легочной ткани у животных при не-кропсии были обнаружены гранулемы.
Одностенные углеродные нанотрубки, являющиеся более мягкими и эластичными, способны образовывать конгломераты, тогда как многостенные углеродные нанотрубки не способные к конгломерации, более ригидны.
Таким образом, вызываемые углеродными нанотрубками эффекты определяются нанораз-мерами и большой площадью поверхности, что повышает их реактивную способность. Углеродные нанотрубки также обладающие высокой биоперсистентностью (биоустойчивостью) вызывают воспаление, фиброзные изменения в легочной ткани, развитие гранулем и ряд других эффектов [11].
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что наночасти-цы обладают более высокой токсичностью, чем обычные микрочастицы, способны проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, а также через гематоэнцефалический барьер в центральную нервную систему, циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные патоморфологические поражения внутренних органов (например, образование гранулем в легких, цирроз печени, гломеру-лонефроз), а также, обладая длительным периодом полувыведения, крайне тяжело выводятся из организма. Токсичность наночастиц определяется их формой и размерами, при этом мельчайшие наночастицы веретонообразной формы вызывают более разрушительные эффекты в организме, нежели подобные им частицы сферической формы. При воздействии наночастиц на организм отчетливо прослеживается зависимость «доза-эффект». Клинические проявления определяются содержанием того или иного химического элемента в составе каждой конкретной наночастицы, однако при этом наблюдается значительное усиление токсического эффекта [11].
Органами-мишенями для наночастиц являются легкие, печень, почки, головной мозг, желудочно-кишечный тракт. Прослеживается зависимость органов-мишеней от пути поступления. При воздействии наночастиц на организм человека возможно развитие оксидатив-ного стресса, ингаляционной/трансдермаль-ной ассимиляции (накопление и усвоение), астмы, хронических обструктивных болезней легких (ХОБЛ), злокачественных новообразований (рак легких), нейродегенеративных заболеваний, нарушений со стороны сердечно-сосудистой системы и сердечной деятельности, нарушение генома клетки (репликации ДНК).
Заключение. Учитывая вышеизложенное, следует отметить актуальность исследования токсичности и опасности наночастиц при различных путях поступления в организм, оценки степени потенциального вреда здоровью населения и персонала, расчета рисков для населения и персонала, гигиенического нормирования нано-частиц в воздухе рабочей зоны и объектах окружающей среды, разработки физико-химических методов анализа наночастиц в воздухе рабочей зоны и объектах окружающей среды, изучения процессов биопревращения и биоразложения наночастиц, доклинических и клинических испытаний лекарственных средств, разработанных на основе нанотехнологий.
Не вызывает сомнений, что реализация перечисленных направлений исследований и мероприятий по созданию системы безопасности при контакте человека с наноматериалами должны предшествовать широкому внедрению нанотех-нологий в производство.
Список литературы
1. Chen Z., Meng H., Xing G. et al. Acute toxico-logical affects of copper nanoparticles in vivo // The journal of physical chemistry. Toxicology letters, 2006. - 163. - 109-120.
2. Chiu-Wing Lam, James John T., McCluskey R. et al. Pulmonary toxicity of single-wall carbon nano-tubes in mice 7 and 90 days after intratracheal instillation //Toxicol. Science. - 77. - 126-134.
3. Hoet P.M., Bruske-Hohlfeld I., Salata O.V. Nanoparticles - known and unknown health risks // Journal of Nanobiotechnology, 2004. - 2:12.
4. Jarkov S.M., Titarenko Ya.N, Churilov G.N. Electron microscopy studies off FCC carbon particles // Carbon, 1998. - V. 36. - № 5-6. - P. 595-597
5. Kagan V.E., Bayir H, Shvedova A.A. Nanomed-icine and nanotoxicology: two sides of the same coin // Nanomedicine: nanothecnology, biology and medicine, 2005. - 1. - 313-316.
6. Oberdorster G., Oberdorster E., Oberdorster J. Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles // Environmental Health Perspectives, 2005. - 7 (113). - 823-839.
7. Reis C.P., Neufeld R.J., Ribeiro A.J. et al. Na-noencapsulation II. Biomedical applications and current status of peptide and protein nanoparticulate delivery systems // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2006. - 2. - 53-65.
8. Sahoo S.K., Parveen S, Panda J.J. The present and future of nanotechnology in human health care // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2007. - 3. - 20-31.
9. Schrand AM., Huang H., Carlson C. et al. Are Diamond Nanoparticles Cytotoxic? // The journal of physical chemistry. Toxicology letters, 2007. - 111. - 2-7.
10. Wang J., Zhou G., Chan C. et al. Acute toxicity and biodistribution of different sized titanium dioxide particles in mice after oral administration // The journal of physical chemistry. Toxicology letters, 2007. -168. - 176-185.
11. Warheit D.B., Laurence B.R., Reed K.L. et al. Comparative pulmonary assessment of single-wall carbon nanotubes in rats // Toxicol. Science. - 77. -117-125.
12. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // УФН, 1995. - Т. 165 (9). -С. 977.
13. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // УФН, 1997. - Т. 167(9). - С. 945.
14. Лозовик Ю.В., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур - фуллеренов, на-ночастиц, нанотрубок и конусов // УФН, 1997. — Т. 167 (7). - С. 151.
15. Образцова И.И., Еременко А.Н. // ЖПХ, 2003. - Т. 76. - Вып. 3. - С. 443-445.
16. Пиотровский Л.Б., Кузнецов В.Б. Фуллере-ны: фотодинамические процессы и новые подходы в медицине. - СПб. : Роза мира, 2005. - 139 с.
17. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены // УФН, 1998. - Т. 168 (3). - С. 323.
18. Соколов В.И., Станкевич И.В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства // Успехи химии, 1993. — Т. 62 (5). — С. 455.
19. Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов // Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы». - Красноярск: КГТУ, 1999. - С. 77-87.
Материал поступил в редакцию 14.08.07.
A.V.Glushkova, A.S.Radilov, V.R.Rembovskiy NANOTECHNOLOGIES AND NANOTOXICOLOGY - VIEW OF THE PROBLEM
Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology,St.-Petersburg
The analysis of literature data showed that nanoparticles have a higher toxicity as compared to traditional microparticles, are capable to penetrate unchanged through cellular membranes and blood-brain barrier as well into the central nervous system, to circulate and accumulate in organs and tissues, causing a more expressive pathomorphological lesion of internal organs; they have a long period of half-life. Toxicity of nanoparticles is determined by their shape and size, the smallest spindle-shaped nanoparticles producing more destructive effects on the organism than the similar ones of spherical form. Exposure of the organism distinctly shows a «dose-effect» dependence. Classical target organs are lungs, liver, kidneys, brain, gastrointestinal tract.
УДК 614.878
Б.А.Курляндский
ХИМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ РОССИИ В СВЕТЕ ЗАДАЧ ГОССАНЭПИДНАДЗОРА (Доклад на Х Всероссийском съезде гигиенистов и санитарных врачей, 3-4 октября 2007 г.)
ФГУЗ «Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ»
Роспотребнадзора, Москва
Химическая безопасность России сегодня определяется тенденциями, доминирующими в отечественном народном хозяйстве, в том числе в химической промышленности и неизбежной интеграцией отечественной экономики в мировую экономическую систему.
Что касается первой тенденции, то судя по опубликованным прогнозам развития отраслей отечественной промышленности, связанных с химической безопасностью, в обозримом будущем будут доминировать металлургическая, энергетическая, нефтехимическая и в меньшей степени химическая. Что касается последней, то она представлена в основном производством крупнотоннажных полимеров и удобрений на экспорт, средств бытовой химии и ограниченного числа пестицидов, большинство из которых приобретается по импорту [2].
Ежегодно в атмосферный воздух выбрасывается более 20 млн.т. химических веществ, 85 млн. т. токсичных отходов накоплено на территории России [1].
Показатель смертности от острых отравлений в целом по стране за период с 1999 по 2005 гг. вырос в среднем с 48 до 60,4 на 100 тыс. населения.
Острые химические отравления находятся на 3-4-м месте по общему числу случаев и на 1-м месте — по абсолютному числу смертельных исходов (95040 человек), превышая данный показатель в 2 и 3 раза для новообразований и инфаркта миокарда соответственно и примерно на 13% для цереброваскулярных заболеваний.
Отмечены вспышки заболеваний неизвестной, предположительно химической, этиологии, а также заболеваний, связанных с мутант-ными штаммами микроорганизмов.
