CC BY
42
без существенной погрешности оценить биологический возраст крыс с учетом всех возрастных периодов.
Доверительные интервалы уравнений регрессии сравнительно невелики. Линейная зависимость с высокой степенью корреляции (г = 0,98—0,99) и достоверности (р < 0,001) соответствует экспериментально полученным данным, что свидетельствует о надежности предложенных способов расчета биологического возраста крыс. Другие регрессионные зависимости оказались менее надежными или менее эффективными.
Ранее |5] на крысах-самцах линии Вистар показана высокая прогностическая значимость показателей, характеризующих скорость геронтогенеза сердечно-сосудистой системы, для ОП аорты и соотношения СТ/КМ левого желудочка сердца, что подтвердилось и в наших исследованиях. Вместе с тем нами впервые установлена высокая информативность и значимость ЧСС и ОП миокарда.
Таким образом, нами разработаны новые значимые информативные критерии биологического возраста (естественного старения) для крыс: функциональные (ЧСС), биохимические (уровень ОП и ГА в миокарде) и морфологические (толщина мышечных и эластических волокон аорты), которые могут учитываться при экспериментальном обосновании гигиенических нормативов химических веществ.
Выводы. 1. Обоснованы маркеры биологического возраста для экспериментальных животных (крыс) обоего пола.
2. Показана возможность определения биологического возраста по содержанию ОП в миокарде и ЧСС.
Л итература
1. Автандилов Г. Г. Введение в количественную патологическую морфологию — М., 1980.
2. Вюсов В. Н. Изучение изолированного и сочетанного действия ксилола и обшей вибрации на сердечно-сосудистую систему (экспериментальное исследование): Автореф. дис. ... канд. мед. наук. — М., 1989.
3. Власов В. Н. // Токсикол. всстн. - 2005. - № 5. - С. 27-31.
4. Гельман В. Я. Медицинская информатика: практикум. — 2-е изд. - СПб., 2002.
5. Гродецкая Н. С. Анализ значимости признаков старения сердца и сосудов при гигиеническом нормировании промышленных соединений (экспериментальное исследование опасности развития отдаленных эффектов на сердечно-сосудистую систему): Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. — М„ 1989.
6. Измеров Н. Ф., Сквчрская Г. П. // Профилактика заболеваний и укрепление заоровья. — 2003. — № 5. — С. 11 — 15.
7. Измеров Н. Ф., Тарасова Л. А., Кузьмича Л. П., Тарасов А. А. II Гиг. труда и мед. экол. — 2004. - № 4 (5). - С. 77—84.
8. Измеров Н. Ф.. Сквчрская Г. П. // Бюл. ВСНЦ СО РАМН. - 2005. - № 2 (40). - С. 14-20.
9. Кильдема Л. А., Терас Л. Э. // Вопр. мед. химии. — 1969. — Т. 15, № 5. - С. 525-531.
10. Кулганек В., Клашка В. // Вопр. мед. химии. — 1961. — Т. 7, № 4. - С. 434-436.
11. Методические рекомендации по оценке отдаленных последствий влияния химических соединений на сердечнососудистую систему в эксперименте с целью гигиенического нормирования // Проблемы промышленной токсикологии. - М„ 1982. - С. 52-58.
12. Методы биохимических исследований (липидный и энергетический обмен): Учебное пособие / Под ред. М. И. Прохоровой. — Л., 1982.
13. Саноцкий И. В., Фоменко В. Н. Отдаленные последствия влияния химических соединений на организм. — М., 1979.
14. Саноцкий И. В., Гродецкая Н. С. // Токсикол. вестн. — 1997. - № 6. - С. 8-12.
15. Ускоренная оценка действия химических соединений на сердечно-сосудистую систему в эксперименте с целью гигиенического нормирования: Метод, указания / Сост. И. В. Саноцкий, Н. С. Гродецкая, И. М. Трахтснберг и др. — М., 1988.
16. Gau R., Berman Е. // Anal. Biochcm. - 1966. - Vol. 15, N 1. - P. 167-171.
17. Stegemann H. // Hoppe. — Seylere Z. Physiol. Chem. — 1958. — Bd 311. - S. 41-45.
Поступила 26.11.09
С КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ. 2011 УДК 614.7
А. В. Глушкова, А. С. Радилов, С. А. Дулов
ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ НАНОЧАСТИЦ (ОБЗОР)
ФГУП НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека Федерального медико-биологического агентства, Санкт-Петербург
Анализ данных литературы показал, что наночастицы (НЧ) обычно обладают более высокой токсичностью по сравнению с обычными микрочастицами, способны проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, 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 НЧ определяется их формой и размерами, при этом мельчайшие НЧ веретенообразной формы вызывают более разрушительные эффекты в организме, нежели подобные им частицы сферической формы; при воздействии на организм отчетливо прослеживается связь доза—эффект. Итссические органы-мишени для НЧ в зависимости от пути поступления: легкие, печень, почки, головной мозг, желудочно-кишечный тракт.
Ключевые слова: наночастицы, нанотехнаюгии, токсическое действие
А. V. Glushkova, A. S. Radilov, S. A. Dulov. - THE MANIFESTATIONS OF TOXICITY OF NANOPARTICLES (A REVIEW)
The analysis of the data available in the literature has shown that nanoparticles (NP) have a high toxicity than usual microparricles, can penetrate unchanged across the cell barriers, the blood-brain barrier into the central nervous system, circulate and accumulate in the organs and tissues, by inducing more significant pathomorphological lesions in the visceral organs, and have a long elimination half-life. The toxicity of HPs is determined by their shape and sizes; moreover, minute fusiform particles cause more destructive effects than similar spherical particles; upon exposure, there is a clear dose-effect relationship. According to exposure to NPs, the classical target organs for the latter are the lung, liver, kidney, brain, gastrointestinal tract.
Key words: nanoparticles, nanotechnologies, toxic effect
Детальное изучение поведения наночастиц (НЧ) в окружающей среде началось недавно, однако последние данные свидетельствуют о том, что экспозиция ультратонкими или нанометрическими частицами (размер < 100 нм) может стать причиной серьезных проблем со здоровьем среди персонала и населения, особенно при ингаляционном пути поступления в организм (например, выхлопные газы дизельных двигателей, сварочные аэрозоли) (24].
Известно, что НЧ способны накапливаться в объектах окружающей среды, однако пока недостаточно экспериментальных данных для точного моделирования таких процессов. НЧ могут легко проникать в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт в неизмененном виде |15, 16], а также способны накапливаться в органах-мишенях [25], поэтому вопросы безопасности при работе с нано-материалами (НМ) и при их использовании являются актуальными.
Приставка "нано" берет начало от греческого слова "nanos", обозначающего "карлик". Термин "нанотехноло-гия" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой) был предложен в 1974 г. Н. Танигуччи (34].
НЧ, НМ и наносистемы, нанообъекты (НО) в целом являются продуктами нанотехнологий.
С позиций нанохимии наносистсма представляет собой множество напотел (НЧ) и окружающую их среду, ограниченную барьером. Среда неоднородна, а нанотела, одновременно находящиеся в системе, не идентичны. Система открыта и эволюционирует в результате притока веществ и энергии. Систему изучают с целью установления закономерностей изменения свойств отдельного нанотела в его связи со свойствами в процессе эволюции. При исследованиях выявляют связь состояния нанотел со свойствами атомов, составляющих систему, и разрабатывают молекулярно-кинетическую теорию ее эволюции |5, 7].
На сегодняшний день существуют несколько взглядов на проблему безопасности систем с позиции нанохимии.
Один из них заключается в том, что главные выводы, заставляющие внимательно исследовать физические основы биологического воздействия НО, следующие:
1) токсичность НЧ зависит от концентрации и площади их поверхности, а не от массы/объема;
2) как правило, токсичность НЧ выше, чем токсичность микрочастиц такого же состава.
Именно эти результаты заставляют отказаться от формального переноса уже достаточно изученных токсических свойств известных химических веществ на НМ.
В настоящее время для описания взаимодействия НО используют различные уровни моделирования: от чисто феноменологического, по сути имитационного, до полуэмпирического на основе моделей классической молекулярной динамики с заданным потенциалом и формально-алгоритмических на основе методов вероятностных асинхронных клеточных автоматов в моделях неидеальных газов.
Эти модели носят чисто описательный характер и используются скорее для формализации наблюдаемых экспериментальных результатов, чем для предсказания возможных эффектов на наноуровне, и потому вряд ли способны пролить свет на причину гипертоксичности НО.
Глушкова А. В. — канд. мед. наук, ст. науч. сотр. (aglnshkova_rihope@hotmail.com); Радилов А. С. — проф., д-р мед. наук, зам. дир. ин-та по науч. работе (radilov@rihophe.ni); Дулов С. А. — доц., канд. мед. наук, зав. лаб. общей токсикологии и гигиенического нормирования (sergey_dulov@mail.ra)
Для решения задач по оценке безопасности наноси-стем требуется выделить ряд имеющих приоритетное значение свойств НЧ, которые во многом и определяют их уникальность. В целом, как нам представляется, вся богатая гамма уникальных свойств НЧ контролируется сравнительно небольшим числом главных факторов — свойств, определяющих вторичные физико-химические свойства НЧ, их реакционную способность и, наконец, биологическую активность.
К ним относятся:
— распределение частиц НМ по размерам и форме;
— фазовый состав частиц НМ;
— удельный заряд частиц, ^-потенциал двойного электрического слоя;
— относительная реакционная способность (каталитическая активность в модельных реакциях псрекисного окисления углеводородов).
Кроме того, нужно учитывать, что каждый физико-химический параметр, описывающий свойства НЧ, не является независимым от других параметров. Так, реакционная способность, в том числе каталитическая активность, может определяться как химическим составом частицы, так и ее размерами, удельной поверхностью (или рельефом поверхности), топологией размещения электрических зарядов и др. Заряд поверхности также зависит от размера, химического и фазового состава поверхности, состава двойного электрического слоя, окружающего частицу, и др. Таким образом, на биологическую активность НЧ будет влиять целый комплекс взаимосвязанных свойств, но при этом влияние каждого отдельного параметра может оказаться не вполне определенным. Уменьшить неопределенность в этом случае можно с помощью какого-либо метода многомерной обработки данных.
Как и для широко изученных загрязняющих веществ, миграция НЧ в окружающей среде и их последующее воздействие на живые организмы связаны со следующими процессами:
— ингаляция, т. е. поступление со вдыхаемым воздухом через легкие;
— поступление с водой и пищей через желудочно-кишечный тракт;
— поступление через кожные покровы и слизистые оболочки;
— воздействие со стороны загрязненных поверхностей;
— поступление через жабры в кровеносную систему водных организмов.
Однако большинство НЧ нельзя однозначно отнести к загрязняющим веществам, поскольку они могут поступать в организм человека при медицинских, косметических или оздоровительных процедурах или вследствие постоянного контакта с бытовыми предметами и материалами, выполненными с использованием НЧ.
В условиях явно недостаточной информации о миграционной способности НЧ в окружающей среде крайне привлекательными выглядят попытки использовать накопленные к настоящему времени обширные знания о миграции мезо- и микрочастиц той же химической природы. Однако такие попытки наталкиваются на ограничения, связанные с высокой удельной поверхностью НЧ по сравнению с удельной поверхностью их аналогов. Следствием этого является не только отмеченная в различных работах значительно более высокая растворимость НЧ, но и их потенциально более высокая сорбци-онная способность и энергия связи с другими молекулами. Это приводит к образованию в растворах сложных и малоизученных комплексов с окружающими молекулами, изменяющими способность НЧ к миграции.
Вследствие очень большой удельной поверхности НЧ относительное значение путей проникновения через различные поверхности и их воздействие на живые организ-
мы могут быть более высокими, чем для обычных веществ.
Поскольку миграционная способность НЧ зависит не только от их химической природы, но и от их размера и структуры, сильно влияющих на величину удельной поверхности, неопределенность в оценке их миграционной способности значительна. В настоящее время подходы, основанные на оценке дозы по общей поверхности НЧ в единице объема, считаются наиболее адекватными, хотя иногда применяются и способы оценки дозы на основе числа частиц или массовой концентрации [28, 42|.
В целом имеющиеся данные о токсикологии НЧ позволяют утверждать, что однократное поступление НЧ в организм может вызвать воспалительный эффект, величина которого зависит от дозы; НЧ накапливаются в органах и тканях; проникая и накапливаясь в костном мозге, клетках центральной (ЦНС) и периферической (ПНС) нервной системы, НЧ могут оказывать негативное воздействие на их функционирование, приводя к хроническому воспалительному процессу и нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы; кроме того, НЧ обладают способностью к накоплению в лимфоузлах, костном мозге, легких, печени, почках.
При этом следует иметь в виду, что отсутствуют данные о результатах длительного воздействия НЧ на организм человека и животных, а имеющиеся данные в основном получены in vitro; данные in vivo ограничены.
В литературе описаны свойства и влияние на организм НЧ серебра, меди, алюминия, диоксида титана, оксида цинка, оксида кремния, фуллеренов, углеродных нанотрубок, содержащих различные металлы (железо, никель, йод и др.), полупроводниковых нанокристаллов, магнитных НЧ и ряда других. Ниже представлены результаты исследования токсичности наиболее изученных НЧ по данным зарубежной литературы.
J. Tang и соавт. (2008) изучали ингаляционную токсичность НЧ серебра размером 19,8—64,9 нм в течение 28 дней на крысах, разделенных по следующим группам: группа контроля, группа затравки с низкой концентрацией (1,73- Ю4 частиц/см3), группа со средней концентрацией (1,27- 10s частиц/см3) и группа с высокой концентрацией (1,32 • 106 частиц/см3). Животных подвергали воздействию НЧ серебра по 6 ч в день в течение 5 дней в неделю на протяжении 4 нед. Были обнаружены достоверное увеличение-у-глутамилтрансферазы, нейтрофи-лов и эозинофилов (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). НЧ серебра обладали способностью осаждаться в печени, проникать в результате аксонального транспорта в обонятельную луковицу головного мозга. В результате проведенных исследований обнаружили высокую стабильность НЧ серебра в окружающей среде и их способность сохранять токсические свойства на протяжении длительного времени [37).
В. A. Rzigalinski и соавт. изучали полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), содержащие CdSe/ ZnS, являющиеся ультратонкими НЧ с диаметром 3,2 нм, способными проникать при ингаляционном пути поступления через обонятельный тракт в головной мозг и ЦНС. Животных подвергали воздействию аэрозоля водного раствора фосфолипид-инкапсулированных CdSe/ZnS квантовых точек в концентрации 7 мг/м3 ин-траназально в течение 3 ч с использованием небулайзера (ингалятора) со скоростью потока 8 л/мин. В период до 5 ч после экспозиции было обнаружено проникновение НЧ по ольфакторному нерву через гематоэнцефаличе-ский барьер в кору головного мозга [36].
В литературе имеются сведения о проведении серии токсикологических исследований микрочастиц, НЧ и ионочастиц меди в гидроксиполиметилцеллюлозе К4М, которая являлась суспензирующей основой. Были установлены параметры токсикометрии при пероральном введении: Ь050для НЧ меди — 413 мг/кг; для ионочастиц меди — 110 мг/кг; для микрочастиц меди — 5000 мг/кг [13, 22, 23]. Согласно данным Z. Chen и соавт. (2006), большинство животных, получавших НЧ меди, имели выраженные симптомы поражения желудочно-кишечно-го тракта: снижение аппетита, диарею, рвоту. У животных, получавших ионочастицы меди, наблюдали вялость, олигопноэ, тремор, опистотонус. При экспозиции НЧ меди в растворе гидроксиполиметилцеллюлозы К4М перорально в дозе 1080 мг/кг у экспериментальных животных при некропсии наблюдались изменения цвета почечной ткани на бронзовый, гибель клеток проксимальных канальцев, гломерулонефроз, массивный некробиоз, в селезенке — атрофия и изменения цвета, кроме того наблюдались изменения биохимических показателей крови: азота мочевины, креатинина, общих желчных кислот и щелочной фосфатазы, свидетельствующие о почечной и печеночной дисфункции [13].
В своих работах Е. Bermudez и соавт. (2004), D. War-heit и соавт. (2007) отмечают, что НЧ ТЮ2 могут стимулировать выработку свободных радикалов и обладают сильным окислительным эффектом [11, 39]. По данным ряда исследователей (J. Zhao и соавт., 2009; R. F. Jr. Hamilton и соавт., 2009), ингаляционное поступление приводит к повышению числа нейтрофилов и фагоцитов в бронхоальвеолярных смывах и распределению НЧ в легких [18, 48]. LD^, НЧ ТЮ2 для крыс перорально составляет более 12 000 мг на 1 кг массы тела. Последние исследования Ваап и его исследовательской группы (2007) из Международного агентства по исследованию рака (IARC) показали, что НЧ ТЮ2 могут обладать канцерогенным действием для человека [10].
В экспериментах in vivo D. Warheit и соавт. (2007) при ингаляционном пути поступления наблюдали увеличение массы печени и некроз гепатоцитов при воздействии НЧ ТЮ2 размером 80 нм, а также длительный период их полувыведения, поскольку они практически не выводятся почками, а период полувыведения из легких крыс составляет от 117 (250 нм) дней до 541 (25 нм) дня в зависимости от размера наночастиц [39].
При однократном пероральном введении НЧ ТЮ2 размером 25 и 80 нм в дозе 5000 мг на 1 кг массы тела в опытах in vivo наблюдалось их накопление в селезенке, почках и легких, повышение в сыворотке крови лактат-дегидрогеназы и а-гидроксибутиратдегидрогеназы (25 нм), а также увеличение массы печени и некроз гепатоцитов (80 нм) [11, 40]. Поданным U. Heinrich и соавт. (1989), при ингаляционной экспозиции ультратонкими частицами ТЮ2 (0,8 мкм, 10 мг/м3) в течение 1 года наблюдалось снижение продолжительности жизни за счет накопления НЧ ТЮ2 в организме, уменьшение массы тела экспериментальных животных, повышение числа нейтрофилов и фагоцитов в бронхоальвеолярных смывах, воспалительные изменения, эпителиальная пролиферация и фибропролиферативное повреждение легких [19].
Кроме того, Yamamoto и соавт. (2004) в своих исследованиях указывают на то, что токсичность НЧ определяется не только их размером, но и формой. НЧ дендри-ческой и веретенообразной формы обладают более высокой цитотоксичностью, нежели частицы сферической формы [45].
В ряде исследований D. В. Warheit и соавт. (2009), А. V. Zvyagin и соавт. (2008) имеются данные об изучении цитотоксичности НЧ оксида цинка ZnO (размер частиц 71 нм) в опытах in vitro на культурах клеток брон-
хоальвеолярной карциномы человека. Полученные результаты продемонстрировали снижение жизнеспособности клеток и наличие дозозависимого эффекта при концентрации 10—14 мкг/мл в течение 24 ч. Количественными индикаторами оксидативного стресса и цито-токсичности являлись уровни глутатиона, малонового диальдегида и лактатдегидрогеназы. При проведении электрофореза одиночных клеток в геле была установлена способность НЧ ZnO вызывать повреждение ДНК [40, 49].
Выявлено, что НЧ золота с размером 1,5 нм вызывают гибель эмбрионов гиреллы полосатой в концентрации 10 ppm (parts per million), а с размером НЧ 0,8 нм — в концентрации 400 ppb (parts per billion) через 5 дней. Достоверно выраженный тератогенный эффект проявляется при концентрациях НЧ золота 50 ppm вне зависимости от их размера [12, 351.
В работах К. Yang и соавт. (2009), J. Park и соавт. (2007) цитотоксичность НЧ диоксида кремния Si02 размером 15 и 46 нм изучали в опытах in vitro на культуре клеток бронхоальвеолярной карциномы человека. Анализ результатов экспозиции НЧ Si О, в дозе 10 и 100 мкг/ мл в течение 48 ч показал наличие явного дозозависимого цитотоксического эффекта и оксидативного стресса [30, 47].
При изучении J. Pauluhn (2009), О. R. Moss и соавт. (2006) токсичности НЧ алюминия (с размером 10 нм) в опытах in vivo в концентрациях 10—100 мкг/мл была установлена их способность подавлять синтез мРНК, вызывать пролиферацию эндотелиальных клеток, выступать в качестве индуктора проатерогенного воспаления и молекулярного модулятора на уровне РНК и ДНК путем подавления или экспрессии определенных генов 126, 31].
По данным Т. Win-Shwe и соавт. (2008), В. Park и соавт. (2008), частицы органического конденсата, образующиеся в результате неполного сгорания топлива или масла (дизельные двигатели), также могут быть отнесены к НЧ. Несмотря на огромный интерес к токсичности НЧ и их влиянию на организм, материалы этого класса до сих пор остается неизученными. Имеется небольшое количество экспериментальных данных по изучению ингаляционной и иммунной токсичности масляных НЧ (с 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 B-лимфоцитов |29, 41].
Из НЧ углерода наиболее изученными являются на-ноалмазы. Они 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, иммобилизаторами биологически активных веществ, способны резко усиливать действие лекарственных препаратов [38].
В ряде исследований по изучению токсичности фул-леренов (нано-СбО-частиц) в опытах in vitro на человеческих дермальных фибробластах и на клетках эпителия легких была установлена достаточно высокая степень цитотоксичности [9, 20]. Опыты, проведенные in vivo на крысах в дозах от 1,5 до 3,0 мг/кг, показали лишь достоверное увеличение перекисного окисления липидов, все остальные индикаторы клеточного воспаления в легких не превышали нормальных значений [4, 21, 44].
В процессе образования фуллеренов из графита образуются также различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода. Эти структуры являются замкнутыми и полыми внутри. Среди них выделяются НЧ и нанотрубки |6, 8].
По данным D. Porter и соавт. (2009), при интратрахе-альном 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 [32]. При введении этих же образцов веществ в дозе 5 мг/кг наблюдалась 50% гибель животных на 7-й день и 60% гибель на 90-й день. Клиника отравления характеризовалась вялостью, апатичностью, потерей массы тела. У некоторых животных потеря массы тела достигала 27% с последующим восстановлением через неделю |14, 38].
H. Ellinger-Ziegelbauer и соавт. (2009) в своей работе отмечают, что в легочной ткани у всех животных, подвергшихся экспозиции нанотрубками в дозе 5 мг/кг, при некропсии на 90-й день были обнаружены широко распространенные равномерные вкрапления частиц черного цвета. Наблюдалось генерализованное поражение легких, в ряде случаев с некрозом, явлениями интерстици-ального и перибронхиального воспаления с вовлечением в воспалительный процесс альвеол. В легочной ткани животных, погибших на 7-й и 90-й день, наблюдалась агрегация частиц черного цвета на макрофагах в альвеолярном пространстве, были также обнаружены формирующиеся гранулемы [17]. Большинство микроскопических гранулем локализовалось под эпителием бронхов, а некоторые — на бронхах в виде полипов. Гранулемы представляли конгломерат макрофагов, нагруженных черными частицами, с небольшим количеством лимфоцитов, нейтрофилов, эозинофилов и других воспалительных клеток (33].
При исследовании токсичности углеродных нанотрубок, содержащих железо (26,9%), в дозе 5 мг/кг случаев легальности среди животных не отмечалось, наблюдались средней степени выраженности вялость, гипотермия, тремор при прикосновении, пилоэрекция, которые наиболее ярко проявились через 8—12 ч посте воздействия с последующим исчезновением симптоматики. В легочной ткани у животных при некропсии были обнаружены гранулемы [46].
Одностенные углеродные нанотрубки способны образовывать конгломераты, а также являются более мягкими и эластичными, а многостенные углеродные нанотрубки, наоборот, не способны к конгломерации, более ригидны [46].
Таким образом, оказываемые углеродными нанотрубками эффекты определяются наноразмерами и большой площадью поверхности, что повышает их реактивную способность. Углеродные нанотрубки также, обладая высокой биоперсистентностью (биоустойчивостью), вызывают воспаление, фиброзные изменения в легочной ткани, развитие гранулем и ряд других эффектов [38].
На основании проведенного анализа данных литературы можно сделать вывод, что НЧ обладают более высокой токсичностью по сравнению с обычными микрочастицами, способны проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, а также через гематоэнцефа-лический барьер в ЦНС, циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные патомор-фологические поражения внутренних органов (например, образование гранулем в легких, цирроз печени, гло-мерулонефроз), а также, обладая длительным периодом полувыведения, крайне тяжело выводятся из организма. Токсичность НЧ определяется их формой и размерами, при этом мельчайшие НЧ веретенообразной формы вызывают более разрушительные эффекты в организме, нежели подобные им частицы сферической формы; при воздействии на организм отчетливо прослеживается связь доза—эффект. Характерные клинические проявления определяются содержанием того или иного химического элемента в составе каждой конкретной НЧ, однако при этом наблюдается значительное усиление токсического эффекта |38].
Сравнительная токсичность НЧ и микрочастиц in vivo и in vitro
Вещество Вид животного, путь поступления LD^/LC »
НЧ микрочастицы
Cu, мг/кг Крысы, интраперитонеально 413 [13] 5000 [13]
Ag. МГ/КГ Крысы, интраперитонеально > 5000 [3] Не установлено
Zn, мг/л Дафнии (Daphnia magna) 3,2 [43] 8,8 [43]
Бактерии (Vibrio fascheri) 1,9 [431 1,8 [43]
Fe¡0, мг/кг Крысы, перорально > 310 [2] 98,6 г/кг [2]
An Гирелла полосатая 10 ррт — 1,5 нм [12] Не установлено
400 ppb - 0,8 нм [12]
Ti02, мг/кг массы тела Крысы, перорально > 12 000 [11] 1* и
Углеродные нанотрубки, содержащие Ni и 12, мг/кг Крысы, интратрахеально 5 [38] И Н
Значительное влияние на токсичность НЧ оказывают технологические примеси, сопутствующие целевому продукту. В первую очередь это касается НЧ, способных выполнять роль контейнера (нанотрубки и др.) [2, 10, 28].
Классическими органами-мишенями для НЧ являются легкие, печень, почки, головной мозг, желудочно-ки-шечный тракт. Прослеживается зависимость органов-мишеней от пути поступления. При воздействии НЧ на организм человека возможно развитие следующих эффектов: оксидативный стресс, ингаляционная/трансдер-мальная ассимиляция (накопление и усвоение), астма, хронические обструктивные заболевания легких, злокачественные новообразования (рак легких), нейродегене-ративные заболевания, нарушения сердечно-сосудистой системы и сердечной деятельности, нарушения генома клетки (репликации ДНК).
Как известно, токсичность многих известных НЧ в ряде случаев значительно превышает токсичность известных микро- и макрочастиц. Данные по сравнительной токсичности для некоторых НЧ и микрочастиц in vivo и in vitro представлены в таблице.
В настоящее время отсутствие данных по измерению производственных НЧ в объектах окружающей среды объясняется отсутствием аналитических методов количественной оценки НЧ [27].
Таким образом, оценка безопасности НМ и нанотех-нологий должна иметь наивысший приоритет в условиях их ожидаемого распространения и вероятного воздействия на человека непосредственно или опосредованно через окружающую среду (воздух, вода, почва) и продукты питания.
Учитывая вышеизложенное, следует отметить актуальность исследования токсичности и опасности НЧ при различных путях поступления в организм, оценки степени потенциального вреда здоровью населения и персонала, расчета рисков для них, гигиенического нормирования НЧ в воздухе рабочей зоны и объектах окружающей среды, разработки физико-химических методов анализа НЧ в объектах окружающей среды, изучения процессов их биопревращения и биоразложения, доклинических и клинических испытаний лекарственных средств, разработанных на основе нанотехнологий.
J1 итература
1. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны — М., 2003.
2. Ермаков А. £. // 1-я Международ, летняя школа "Нанома-териалы и нанотсхнологии в живых системах". 29 июня — 4 июля 2009 г. - 2009. - С. 90.
3. Кинзирский А. С., Бовина Е. В., Клочков С. Г. и др. // 1-я Международ, летняя школа "Наноматериалы и нанотехно-логии в живых системах". 29 июня — 4 июля 2009 г. — 2009. - С. 162.
4. Пиотровский Л. Б., Кузнецов В. Б. Фуллерены: фотодина-мическис процессы и новые подходы в медицине. — СПб., 2005.
5. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. — М., 1979.
6. Соколов В. И., Станкевич И. В. // Успехи химии. — 1993. — Т. 62, № 5. - С. 455.
7. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. — М., 1984.
8. Чурилов Г. Н. // Материалы 2-й межрегион, конф. с международным участием "Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы". — Красноярск, 1999. — С. 77—87.
9. Aoshima Н., Saitoh У., ho S. et al. // J. Toxicol. Sci. — 2009 Vol. 34, N 5. - P. 555-562.
10. Bonn R. A. // Inhal. Toxicol. - 2007. - Vol. 19. - Suppl. I. -P. 213-228.
11. Bermudez E., Mangum J. В., Wong B. A. et al. // Toxicol. Sci. — 2004. - Vol. 77, N 2. - P. 347-357.
12. Brown C. L., Whitehouse M. W., Tiekink E. R„ BusMell G. R. // Inflammopharmacology. - 2008. — Vol. 16, N 3. - P. 133— 137.
13. Chen Z., Meng H., Xing G. et al. // J. Phys. Cliem. Toxicol. Lett. -. 2006. - Vol. 163. - P. 109-120.
14. Chiu-Wing Lam, James John Т., McChiskey R., Hunter R. L. // Toxicol. Sci. - 2004. - Vol. 77. - P. 126-134.
15. Donaldson K., Stone V. // Ann. 1st. Super Sanita. — 2003. — Vol. 39, N 3. - P. 405-410.
16. Elder A. C. P. The Toxicology of Nanomaterials. — Rochester, 2007.
17. Ellinger-Ziegelbauer #., Pauluhn J. // Toxicology. — 2009. — Vol. 266, N 1-3. - P. 16-29.
18. Hamilton R. F. Jr., Wu N.. Porter D. et al. // Part. Fibre Toxicol. - 2009. - Vol. 6, N 1. - P. 35.
19. Heinrich U., Fuhst R., Peters L. et al. // Exp Pathol. — 1989. -Vol. 37, N 1-4. - P. 27-31.
20. Kishore A. S., Surekha P., Murthy P. B. // Toxicol. Lett. — 2009. - Vol. 191, N 2-3. - P. 268-274.
21. Kolosnjaj J., Szwarc H., Moussa F. // Adv/ Exp/ Med/ Biol. —
2007. - Vol. 620. - P. 168-180.
22. Lei R., Wu C., Yang B. et al. // Toxicol. Appl. Pharmacol. —
2008. - Vol. 232, N 2. - P. 292-301.
23. Liu Y., Gao Y., Zhang L. et al. // J. Nanosci. Nanotechnol. —
2009. - Vol. 9, N 11. - P. 6335-6343.
24. Marconi A. // G. Ital. Med. Lav. Ergon. - 2006. - Vol. 28, N 3. - P. 258-265.
25. Morgan D. L. //Toxicol. Rep. Ser. — 2006. - Vol. 74. — P. 1 — 62; AI-C2.
26. Moss O. R„ Wong V. A. // Inhal. Toxicol. - 2006. - Vol. 18, N 10. - P. 711-716.
27. Nowack В., Mueller N. C. // Environ. Sci. Technol. — 2008. — Vol. 42. - P. 4447-4453.
28. Oberdorster G., Maynard A., Donaldson K. et al. //' Part. Fibre Toxicol. - 2005. - Vol. 2. - P. 8.
29. Park В., Donaldson K., Duffin R. et al. // Inhal/ Toxicol. — 2008. - Vol. 20, N 6. - P. 547-566.
30. Park J. S„ Park Y. J., Heo J. // Waste Manag. - 2007. -Vol. 27, N 9. - P. 1207-1212.
31. Pauluhn J. U Toxicol. Sci. - 2009. - Vol. 109, N 1. -P. 152-167.
32. Porter D. W., Hubbs A. F., Mercer R. R. // Toxicology. - 2009.
33. Ravichandran P., Periyakaruppan A., Sadanandan B. et al. // J. Biochem. Mol. Toxicol. - 2009. - Vol. 23, N 5. - P. 333-344.
34. Reis C. P., Neufeld R. J., Ribeiro A. J., Veiga F. // Nanomed.: Nanotechnol., Biol., Med. - 2006. - Vol. 2. - P. 53-65.
35. Romano N.. Zeng C. // Aquat. Toxicol. — 2007. — Vol. 85, N 3. - P. 202-208.
36. Rzigalinski B. A., Sirobl J. S. // Toxicol. Appl. Pharmacol. — 2009. - Vol. 238, N 3. - P. 280-288.
37. Tang J., Xi T. //. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. -2008. - Vol. 25, N 4. - P. 958-961.
38. Warheit D. B., Laurence B. R„ Reed K. L. et al. // Toxicol. Sci. — 2004. - Vol. 77, N I. - P. 117-125.
39. Warheit D. B„ Webb T. R., Reed K. L. et al. // Toxicology. -
2007. - Vol. 230, N I. - P. 90-104.
40. Warheit D. B., Sayes C. M., Reed K. L. // Environ. Sci. Tech-nol. - 2009. - Vol. 43. N 20. - P. 7939-7945.
41. Win-Shwe T. T., Yamamolo S., Fujilani Y. // Neurotoxicology. —
2008. - Vol. 29. N 6. - P. 940-947.
42. Witimaack K. // Environ. Hlth Perspect. - 2007. - Vol. 115, N 2. - P. 187-194.
43. Wong S. W„ Leung P. T., Djurisic A. B„ Leung K. M. // Anal. Bioanal. Chem. - 2010. - Vol. 396, N 2. - P. 609-618.
44. Yamago S., Tokuyama H., Nakamura E. et al. // Chem. Biol. — 1995. - Vol. 2, N 6. - P. 385-389.
45. Yamamolo N.. Mizokuro T., Mochizuki H. et al. // 1. Microsc. — 2004. - Vol. 213, pt 2. - P. 135-139.
46. Yang F., Hu J., Yang D. et al. // Nanomedicine (Lond.). — 2009. - Vol. 4, N 3. - P. 317-330.
47. Yang K, Lin D., Xing B. // Langmuir. - 2009. - Vol. 25, N 6. - P. 3571-3576.
48. Zhao J., Bowman L., Zhang X. et al. // J. Toxicol. Environ. Hlth A. - 2009. - Vol. 72, N 19. - P. 1141-1149.
49. Zvyagin A. V, Zhao X., Gierden A. et al. // J. Biomcd. Opt. — 2008. - Vol. 13, N 6. - P. 064031.
flociyimna 12.03.10
История гигиены
С КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ. 2011 УДК 614.7:579.631:001.8(477)
А. М. Сердюк, Е. В. Сурмашева, Г. И. Корчак
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ САНИТАРНОЙ МИКРОБИОЛОГИИ В ГУ "ИНСТИТУТ ГИГИЕНЫ И МЕДИЦИНСКОЙ ЭКОЛОГИИ ИМ. А. Н. МАРЗЕЕВА АМН УКРАИНЫ" (КИЕВ)
ГУ Институт гигиены и медицинской экологии им. А. Н. Марзсева АМН Украины, Киев
В статье описаны основные этапы развития санитарно-бактериологических исследований в головном гигиеническом научно-исследовательском учреждении Украины — ГУ "Институт гигиены и медицинской экологии АМН Украины им. А. Н. Марзеева". Эти исследования внесли существенный вклад в становление и развитие гигиенической науки в бывшем Советском Союзе. Рассмотрены современные и перспективные направления в области санитарной микробиологии в Украине.
Ключевые слова: ГУ "Институт гигиены и медицинской экологии им. А. И. Марзеева АМН Украины"
А. М. Serdyuk, Е. V. Surmasheva, G. 1. Korchak. - DEVELOPMENT OF SANITARY MICROBIOLOGY RESEARCHES AT THE A. N. MARZEYEV INSTITUTE FOR HYGIENE AND MEDICAL ECOLOGY, ACADEMY OF MEDICAL SCIENCES OF UKRAINE (KIEV)
The paper describes the main stages of development of sanitary bacteriological studies at the leading hygiene research institute of Ukraine - the A. N. Marzeyev Institute for Hygiene and Medical Ecology. These researches have made a substantial contribution to the formation and development of hygiene science in the former Soviet Union. The current and promising areas in sanitary microbiology in Ukraine are considered.
Key words: A. N. Marzeyev Institute of Hygiene and Medical Ecology, Academy of Medical Sciences of Ukraine
С первых дней создания лаборатории санитарной микробиологии в Институте гигиены и медицинской экологии в 1946 г. определилось основное направление ее исследовательской деятельности: изучение микробиологических процессов водных объектов. Это было связано с водоснабжением населения Украины питьевой водой, состоянием воды водоемов и чрезвычайно важной ролью, которую играла вода в распространении возбудителей инфекционных заболеваний. Параллельно разрабатывались вопросы очистки населенных мест и сточных вод, изучались методы утилизации бытовых отходов, исследовались процессы самоочищения сельскохозяйственных угодий, орошаемых доочищенными сточными водами.
Сердюк А. М. — д-р мед. наук, проф., акад. АМН Украины, дир. ин-та (11еаи11.£ОУ@)Ьеаи11.£ОУ. иа); Сурмашева Е. В. — д-р мед. наук, ст. науч. сотр., зав. лаб. (е5игта5Ь@)11еаи11^0У. иа); Корчак Г. И. — д-р мед. наук, ст. науч. сотр., гл. науч. сотр. (когсЬак_£аПпа@)икг.пе1)
Результатом изучения процессов самоочищения явилась разработка уникального метода микробной очистки сточных вод промышленных предприятий от таких опасных для окружающей среды и здоровья населения токсикантов, как фенолы, цианистые и роданистые соединения [17, 22). Данный метод нашел широкое применение на металлургических и коксохимических предприятиях бывшего СССР.
В 60-е годы в институте были заложены основы санитарной вирусологии, что способствовало дальнейшему развитию этой отрасли науки не только в Украине, но и за ее пределами. Изучили распространение, выживание и стойкость энтеровирусов, бактериофагов и санитарно-показательных бактерий в различных объектах окружающей среды. Впервые исследовали загрязнение энтерови-русами сточных вод, водоемов, почвы. Установили, что пробы сточной воды (52,7% случаев), воды водоемов (18,7%), почва (12,8%) контаминированы энтеровируса-ми, прежде всего вирусами Коксаки А и В. Доказали чрезвычайную стойкость вирусов к воздействию физико-
