CC BY
5
Высокая удельная поверхность (в расчете на единицу массы) наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость и химическую реакционную способность. Это может приводить к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода и далее к повреждению биологических структур, что не может не отразиться на процессах разложения отходов. С другой стороны, возможна адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает процессы адсорбции на них различных токсикантов и их способность проникать через барьеры организма.
Наночастицы вследствие своих небольших размеров могут проникать в клеточные органеллы и изменять функции биоструктур. Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера.
Из-за малого размера наночастицы не распознаются защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся. Это ведет к накоплению их в растениях, животных организмах и микроорганизмах, что увеличивает возможность поступления в организм человека.
Таким образом, все эти факторы свидетельствуют, что наноматериалы и их отходы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим действием, чем компоненты отходов в обычном физико-химическом состоянии.
Чрезвычайно важными с научной и практической точек зрения являются методы выявления, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, биосредах и в отходах, которые могли бы достоверно отличить их от химических аналогов в макродисперс-ной форме, но они недостаточно разработаны.
До настоящего времени не изученным остается вопрос методологии проведения эколого-гигиени-ческих исследований по выявлению характера и степени опасности отходов нанокомпозитных ма-
териалов, не оценена степень опасности технологий их обезвреживания и уничтожения. Поэтому одним из направлений научных исследований на современном этапе может явиться разработка методологических основ оценки опасности отходов нанотехнологий. При этом важно научно обосновать методологию проведения эколого-гигиениче-ских исследований по выявлению характера и степени опасности отходов нанокомпозитных материалов, продуктов их разложения и сжигания, разработать комплекс интегрированных показателей и критериев оценки такой опасности. Конечным результатом должна быть подготовка методических рекомендаций по эколого-гигиенической оценке опасности отходов нанокомпозитных материалов с обоснованием основных принципов, показателей и критериев, а также гигиенических требований и рекомендаций.
Литература
1. Алфимов М. В., Разумов В. Ф. // Рос. нанотехнол. — 2007. - Т. 2, № 1-2. - С. 12-25.
2. Елинсон В. М., Юровская М. А., Лямин А. Н., Овчинникова Н. С. // Нанотехника. - 2007. — № 2 (10). — С. 48-52.
3. О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы: Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации № 54 от 23.07.2007. - М., 2007.
4. О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы: Информ. письмо Рос-потребнадзора № 0100/4502-07-02 от 02.05.2007. -М., 2007.
5. Чечеткин В. Р., Прокопенко Д. В., Макаров А. А., За-седателев А. С. Биочипы для медицинской диагностики // Рос. нанотехнол. — 2006. — Т. 1, № 1. — С. 13-27.
6. Borm P. J., Kreyling W. // J. Nanosci. Nanotechnol. — 2004. - Vol. 4, N 4. - P. 521-531.
7. Cherukuri P., Gannon C. J., Leeuw T. K. et al. // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. - 2006. - Vol. 103, N 50. -P. 18882-18886.
8. Holsapple M. P., Farland W. H., Landry T. D. et al. // Toxicol. Sei. - 2005. - Vol. 88, N 1. - P. 12-17.
9. Oberdorster G., Sharp Z, Elder A. P. et al. // Inhal. Toxicol. - 2004. - Vol. 16, N 4. - P. 437-445.
Поступила 23.04.08
О Г. В. ЯКОВЛЕВА. А. А. СТЕХИН, 2008 УДК (Ы.7:5М.61]:ФМ
Г. В. Яковлева, А. А. Стехин
ОСОБЕННОСТИ ТОКСИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНООБЪЕКТОВ
ГУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, Москва
В последние годы значительный прогресс в области развития науки и техники получили наноматериалы и нанотехнологии, в основе которых использованы наночастицы, имеющие особые свойства. Нанометровый диапазон таких частиц составляет 1—100 нм. Нанообъекты, находящиеся в данном диапазоне, имеют отличные от объемного вещества термодинамические, электронные, диэлектрические, магнитные, структурные и другие свойства, соответственно их поведение и взаимодейст-
вие с окружающей средой, включая водную среду и биологические жидкости, отличается от таковых веществ, на основе которых они получены.
В химическом отношении нанообъекты представляют собой соединения, в которых атомы связаны одинарными или двойными связями подобно ароматическим структурам. Ненасыщенность связи в наноструктуре создает условия для проведения двух типов реакций: отнятия (присоединения) электронов и замещения (отщепления) введенных
групп. Являясь сильными л-акцепторами, такие образования в реакциях взаимодействия формируют соединения донорно-акцепторного типа, а в среде растворителей — сольватные или клатратные образования, имеющие ориентационную и структурную упорядоченность.
Отличный от плоских структур ароматических соединений кристаллический каркас нанообъекта имеет ббльшую энергию сопряжения и способен поглощать электромагнитную энергию в длинноволновой области спектра. В свою очередь наличие замкнутой электронной оболочки обеспечивает концентрирование электронов на внутренних поверхностях структурного каркаса. Накопленная энергия, связанная с делокализацией электронов, трансформируется в энергию молекулярных колебаний и может распространяться по ограниченному числу степеней свободы наноструктуры.
Возбуждение структуры нанообъекта приводит к появлению в ней термо- и автоэлектронной эмиссии и формированию ион-радикальных состояний вещества вследствие поглощения или допирования электронов. Наличие катион-радикалов в среде повышает скорость протекания реакций приблизительно в 10—100 раз по сравнению с реакциями, контролируемыми молекулярной диффузией.
Механизм взаимодействия наноструктур с растворителем обусловлен не только его химической активностью, но и наличием особого специфического взаимодействия этих образований, определяемого геометрическими параметрами структуры и поляризуемости молекул. Если незаряженные частицы взаимодействуют между собой по универсальному механизму, наличие заряда в наноструктуре позволяет ей осуществлять с растворителем 3 вида взаимодействия: дисперсионное, индукционное и электростатическое. При этом сила дисперсионного взаимодействия в среде максимальна, так как связана с поляризуемостью взаимодействующих молекул. Подобная поляризация обусловливает смещение электронных облаков вокруг атомов и отклонение атомных ядер от положения равновесия. Это создает частотный сдвиг, вызванный изменением свободной энергии в системе, который при наличии дополнительного заряда на доноре способствует формированию в воде комплекса с переносом заряда.
Возникновение таких соединений в воде сопровождается смещением электронной плотности от донора (ассоциированная фаза воды) к акцептору (наноструктура) и переносу заряда на молекулу на-ночастицы. Так, сродство фуллерена к электрону в растворе составляет 2,1—2,2 эВ (Sato G., 1994). Перенос электронной плотности приводит к возрастанию дипольного момента в комплексе, и он приобретает биполярную структуру с дефицитом заряда на доноре (ассоциированная фаза воды) и избытком на акцепторе (наночастица). Накопленный заряд на акцепторе приводит к деформации его структурного каркаса, что вызывает появление полевой эмиссии. При этом поглощенная наноструктурой энергия преобразуется в энергию молекулярных колебаний, создавая условия для формирования ион-радикалов, время жизни которых достига-
ет 10 мин и более, и коротко живущих свободных радикалов. В то же время в возбужденном состоянии наноструктуры в воде способны генерировать синглетный кислород. Появление реакционно-способных частиц в воде обусловливает высокую химическую активность наноструктур.
Дефицит заряда на доноре (ассоциированная вода) переводит его в электронно-возбужденное состояние, воздействие которого может транслироваться на значительные расстояния, перенося заряд на соседние цепочки ассоциированной воды. Это приводит к изменению их зарядового состояния и степени структурированности.
Такие нанообъекты вследствие изменения своих структурных, физических и химических свойств могут обладать биологической активностью, отличной от веществ, находящихся в объемном состоянии. Так, изучение биологической активности на клеточном и молекулярном уровнях таких нано-частиц, как фуллерены, проведенное на модельных системах in vitro с водорастворимыми аминокислотами и пептидами, показало, что они способны проникать через липидные мембраны, модулировать транспорт ионов и преодолевать гематоэнце-фалический барьер (Joesten М., 1974).
Кроме того, такие нанообъекты имеют склонность к агрегированию, что способствует появлению у них мембранотропной активности. Данное свойство наночастиц подтверждается в работе М. Joesten (1974), в которой показано, что антигенпрезенти-рующие клетки могут захватывать крупные агрегаты, образованные фуллеренами с аминокислотами в водном растворе после их агрегирования.
Иммуностимулирующее действие производных фуллерена с аминокислотами или дипептидами, а также водорастворимыми органическими соединениями было исследовано в работах А. Н. Егороч-кина (2000), Д. В. Конарева (1997), R. Ruoff (1995). Установлено, что фуллереновые соединения обладают большей способностью к образованию анти-идиотипических антител в биосистеме, чем полный адъювант Фрейда (ПАФ) и гидроокись алюминия (ГА), которые являются основными адъю-вантами, используемыми в настоящее время.
В то же время исследования по оценке токсических свойств фуллереновых наночастиц, проведенные на 6 видах грибов-деструкторов ароматических соединений (Шарыгин П. П., 1947), показали, что фуллерены не обладают тератогенным и токсическим действием по отношению к исследуемым тест-объектам. При изучении дыхательной активности грибов в присутствии фуллеренов и фулле-реновой сажи не выявлено существенных различий в продуцировании углекислого газа по сравнению с контрольными опытами. Следовательно, активного вовлечения фуллерена в метаболизм грибов как углеродного сорбента не происходит. Попытка автора идентифицировать механизм взаимодействия грибов с фуллеренами не увенчалась успехом.
Исследованиями по оценке влияния на гидро-бионты и рыб фуллеренов, находящихся в водной среде, проведенными австрийскими учеными, установлено, что для гидробионтов наличие фуллеренов в воде приводит к летальному исходу в течение 1-х суток их нахождения в среде, а для рыб на-
блюдаются резкие изменения в коре головного мозга.
Анализ биологической активности углеродных наночастиц показывает, что при взаимодействии с биосистемами они не воздействуют как углеродное соединение, но способны проявлять донорно-ак-цепторные свойства, допируя или отбирая электроны от клеточных структур биообъекта.
Изучение свойств наночастиц и их последующего воздействия на биологические структуры возможно по 2 основным направлениям: микроскопическому и термодинамическому. При использовании 1-го подхода изучение особенностей поведения нанообъектов осуществляется от единичных атомов или молекул вещества до гигантских наноструктур, к которым применимы все приближения, применяемые в физике твердого тела. 2-е направление имеет обратный подход, когда от макроскопического объекта переходят к нанокластерам за счет дробления или наноструктурирования.
Оценка атомно-молекулярных свойств наночастиц возможна на основе применения методов квантовой химии, позволяющих характеризовать структуру молекулярных уровней в нанокластерах и тем самым определять тепловые, электронные, оптические, магнитные и другие свойства нанообъектов. При молекулярном или твердотельном подходе к оценке свойств наночастиц возможно обоснование характерных черт нанокластеров, отличающих их как от атомов, так и от твердых тел: изменения поверхностных свойств и квантовых ограничений коллективных процессов, связанных со спиновыми состояниями, фононами, плазмонами и заряженными частицами, поступающими из окружающей среды.
Применение термодинамического подхода к изучению свойств нанокластеров позволяет установить закономерности изменения их свойств в процессе фазового перехода. Кроме того, необходимо оценить возможность синергетического воздействия наночастиц с токсическими загрязнителями, которое также может оказывать негативное действие на биообъекты. Для проведения подобных исследований необходимо использовать высокоразрешающие и высокочувствительные физико-химические методы анализа.
Анализируя данные по биологической активности углеродных наночастиц, можно сделать вывод, что они воздействуют на биосистемы не как углеродные соединения, а проявляют свою способность как электрически заряженные структуры.
Исходя из этого, основными направлениями исследования токсического действия наноструктур на биологические объекты могут явиться:
— изменение структурно-энергетического состояния воды вследствие донорно-акцепторного взаимодействия с наноструктурами;
— перенос токсичных соединений к активным центрам рецепторов в виде иммобилизованных комплексов и интеркалированных соединений;
— формирование избытка свободных радикалов вблизи активных центров;
— перенос наноструктурами сорбированных токсичных соединений к активным центрам рецепторов.
Отличительной особенностью наноструктур является большая энергия в сопряжении связей в структуре, которая позволяет им поглощать энергию из внешней среды в длинноволновой области спектра, а наличие замкнутой электронной оболочки способствует концентрированию электронов на внутренних поверхностях структурного каркаса (Фролов Г. И., 1996). Это определяет их свойства как сильных р-акцепторов, подобных я-акцепто-рам.
При контакте таких структур с растворителями низкой поляризуемости, к которым относится и вода, последние заполняют пустотные пространства между объемными структурами наночастиц, формируя с ними клатраты (по типу газогидратов) или сольваты (гидраты). Это приводит к ориента-ционному разупорядочению растворителя и фазовому переходу в сольватной структуре, связанной с перестройкой молекул в нанообъекте и их зарядовой активацией. Зарядовая активация фуллеренов осуществляется посредством донорно-акцептор-ных взаимодействий по схеме:
[02-<*>...0Н-<*> (Н20)„]р + С№ [02и...0Н-<*>(Н20)„]р.к +
(равновесный переход)
где р, (р-к) — параметры ионной ассоциации (р — исходное состояние, р-к — конечное состояние).
Появление зарядов на фуллерене стимулирует процессы ориентационного упорядочения с образованием цепочечных структур из нанокластеров.
Механизм взаимодействия наноструктур с водой обусловлен не столько параметрами растворителя, сколько структурными особенностями и поляризуемостью наночастиц. Если наночастицы, не несущие избыточного заряда, взаимодействуют с водой по универсальному механизму, то наличие заряда в наноструктуре позволяет ей осуществлять с растворителем 3 вида взаимодействий: индуцированное дисперсионное и индукционное, а также электростатическое (Галкин В. И., Черкасов Р. А., 1981). При этом сила дисперсионного взаимодействия в воде максимальна, так как определяется не только поляризуемостью взаимодействующих молекул, но и наведенной поляризуемостью ион-радикалов наночастиц с переменным макроскопическим зарядом. Подобная наведенная поляризация вызывает смещение плотности электронных облаков вокруг атомов, что создает частотный сдвиг, связанный с изменением свободной энергии во взаимодействующих молекулах. При наличии дополнительного заряда на одной из молекул (связанная фаза воды) и недостатка на другой (наноструктура) в воде формируется комплекс с переносом заряда, т. е. происходит смещение электронной плотности с донора на акцептор и образование би-поляронной структуры с дефицитом заряда на доноре и избытком на акцепторе.
Избыток заряда на акцепторе вызывает деформацию его структурного каркаса, что сопровождается появлением электромагнитной эмиссии. При этом накопленная на акцепторе энергия трансформируется в энергию молекулярных колебаний и может распространяться по ограниченному направлению одной из степеней свободы нанострук-
Переходное состояние
Иммобилизованный комплекс
Образование анионного комплекса и разрыв ковалентной связи
Рис. 1. Иммобилизация наноструктур в воде.
туры, что служит условием кооперативной самоорганизации молекулярных фрагментов не только наноструктуры, но и внешней среды. Динамика кооперативной системы "донор—акцептор" сопровождается электронным возбуждением фрагментов цепочечной среды переноса электронной плотности, что приводит к изменению зарядового состояния воды и соответственно ее структурированности.
Кроме того, образующиеся в воде сольватные соединения в поле действия наноструктуры способны объединяться вследствие кооперативных эффектов в кластеры, которые заполняют всю поверхность частицы. При определенных значениях заполнения (слой 0,7—1,2 нм) кластеры могут изменять свой состав и структуру монослоя, что сопровождается повышением скорости сорбции воды на поверхности наноструктуры. При возрастании объема кластера выше критического состояния он взрывообразно распадается с образованием свободных радикалов и синглетного кислорода, что вызывает процессы радикально-каталитического окисления белковых структур.
Другим направлением возможного токсического действия наноструктур на биообъекты является перенос токсичных соединений в виде иммобилизованных комплексов или интеркалированных соединений.
Обладая акцепторными свойствами, наноструктуры способны образовывать с донорами некова-лентные соединения донорно-акцепторного типа. Такие соединения формируются как за счет ван-дер-ваальсовых, так и электростатических сил.
Взаимодействие наноструктур приводит к образованию ион-радикальных солей. Так, при нахождении в водной сре- R
де галогенов, наноструктуры присоединяют их на внешнюю поверхность структурного каркаса с образованием галогенированных нано-частиц, для которых характерны более сильные акцепторные свойства, чем у исходной наноструктуры. При этом возрастает и сродство к электрону. Если у фуллерена сродство к электрону в растворе составляет 2,1—2,2 эВ, то у галогенированных фуллеренов оно находится в диапазоне 3,5—3,8 эВ (Chen P., Wu X., 1999). Подобные
комплексы наноструктуры фор-► мируют с органическими соединениями по п-я и л-л типу.
При одновременном нахождении в воде органических соединений и наноструктур образуются нековалентные донорно-акцеп-торные комплексы. Иммобилизованный комплекс при попадании в организм вблизи активных центров вследствие изменения энергии связи между наноструктурой и привитым соединением распадается с выделением органического соединения без его разложения. Таким путем наноструктуры могут осуществлять доставку токсичных соединений к активным центрам рецепторов (рис. 1).
Подобную функцию наноструктуры выполняют и при попадании органических соединений во внутреннюю полость наночастиц через пятичлен-ные циклы. Находясь в интеркалированном состоянии внутри наноструктуры, органические соединения не претерпевают структурных и химических изменений при их передвижении с наночасти-цами в организме. Попавшие внутрь соединения не могут покинуть структурный каркас наночастицы, так как наличие заряда на внутренних поверхностях структуры изменяет длину связи между атомами каркаса. При этом небольшое увеличение заряда на каркасе приводит к уменьшению длины связи в пятичленных циклах и незначительному увеличению в шестичленных. Интеркалированные соединения перемешаются вместе с наноструктурой в организме за счет дальнодействующего индукционного взаимодействия с активным центром. Однако вблизи активного центра рецептора, являющегося сильным донором электронов, наноструктуры приобретают повышенный электронный заряд, который приводит к удлинению связей в шес-тичленном цикле каркаса. Подобная перестройка приводит к выходу интеркалированных соединений из каркасной оболочки наноструктур вследствие возникающего индукционного эффекта (рис. 2).
В отличие от соединений, имеющих плоские структуры, объемные наноструктуры за счет своей акцепторной способности и поляризуемости могут концентрировать на поверхности и в прилегающей к наночастице среде свободные радикалы.
АЦ (-)
Переходное состояние
Интеркалированный комплекс с переносом заряда
Распад комплекса за счет индукционного взаимодействия
Рис. 2. Интеркаляция наноструктур в воде.
Здесь и на рис. 3, 4: АЦ — активные центры.
Рис. 3. Формирование свободных радикалов вблизи активных центров.
Удерживание радикалов в сольватной оболочке наноструктуры определяется ее зарядовым состоянием. Чем оно выше, тем выше поляризуемость среды и соответственно силы удерживания и гидрофобного взаимодействия. Однако при избыточном насыщении структурного каркаса электронами наночастица становится донором и происходит сброс радикалов и электронов в ближних областях наночастиц. При этом выход электронов за пределы структурного каркаса провоцирует формирование дополнительных свободных радикалов в окружающей среде (рис. 3).
Таким образом, попадание наночастиц в организм сначала способствует удалению свободных радикалов, но вблизи активных энергетических центров происходит сброс концентрированных свободных радикалов из сольватной оболочки наноструктуры и появление дополнительных радикалов вследствие выброса из каркасной структуры наночастицами пакета электронов. Наличие большого количества свободных радикалов вблизи активных центров способствует протеканию локализованных радикальных процессов и деградации белковых структур.
Следующим направлением проявления нано-токсичности является способность наноструктур к сорбционному удерживанию токсичных веществ.
Известно, что основную роль в сорбционных процессах играют межмолекулярные силы взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом. В обычных процессах физической сорбции удерживание веществ на поверхности сорбента осуществляется дисперсионными силами. В наноструктурах удерживание адсорбата осуществляется за счет электростатического взаимодействия помимо дисперсионного. Особенно это влияние сказывается на степени удерживания полярных соединений, для которых адсорбционный потенциал при использовании фуллеренов в 3 раза превышает величину данного показателя для графитированных саж.
Оценкой теплот адсорбции и удерживаемых объемов ряда соединений установлено, что из электронодонорных органических соединений наиболее хорошо сорбируются на наноструктурах соединения, в состав которых входят гидроксильные, нитрильные, нитратные, азидные, кетонные и карбонильные группировки. При наличии в воде акцепторов, у кото-
рых потенциал сродства к электрону выше, чем у наноструктуры, они удерживаются на поверхности за счет электростатического взаимодействия. К таким соединениям можно отнести соединения, в состав которых входят галоиды, перекиси, надперекиси и другие группы, обладающие сильными акцепторными свойствами. При попадании наноструктур в воду они как акцепторы отбирают у связанных фаз воды электроны, тем самым увеличивая свое зарядовое состояние. Это приводит к модификации поверхности наночастицы. При этом в 50—200 раз повышаются электронообмен-ные свойства, сорбционные характеристики и каталитическая активность. Такие изменения наночастиц в воде способствуют большему удерживанию соединений на поверхности частицы.
Силы удерживания сорбированных соединений возрастают при попадании наночастиц в организм. Под действием организменных электромагнитных полей происходит уплотнение наноструктуры. При этом уменьшается длина связей между атомами в структуре. Передвижение наноструктур с сорбированными на них соединениями в организме осуществляется силами обменного электромагнитного взаимодействия, при этом основным направлением передвижения являются активные центры. Вблизи таких точек происходит перенасыщение наноструктур электронами, что приводит к фазовому переходу в каркасе наночастицы, сопровождаемому сбросом сорбированных соединений с поверхности наночастицы и пакетным выходом электронов.
Из вышеизложенного следует, что основное токсическое действие наночастиц обусловлено не самим веществом, из которого они получены, а их электрофизическими особенностями, способствующими изменению структурно-энерге-тических состояний организменных жидкостей, доставке токсичных соединений к активным центрам рецепторов и формированию вблизи них избыточного количества свободных радикалов (рис. 4).
Рис. 4. Перенос наноструктурами токсичных веществ к АЦ.
Наиболее выраженные особенности наноча-стиц, связанные с их формой и размерами, а также напряженностью электромагнитного поля с продольной электрической поляризацией, проявляются в донорно-акцепторном взаимодействии и возможности накопления, туннельного переноса и допирования электронов, отличающей их от классических молекулярных соединений.
С учетом особенностей наночастиц исследование их токсических свойств необходимо проводить с контролем направленности протекания электромагнитных процессов, имеющих место в электрически активных сопряженных структурах организма.
Совместный анализ электрофизических, физико-химических и химических процессов, протекающих в водной среде и биологических жидкостях в присутствии наночастиц, позволит выявить механизм их действия на биообъекты.
Литература
1. Галкин В. И., Черкасов Р. А. Реакционная способность органических соединений. Успехи химии. — 1981. - Т. 18. - С. 111.
2. Егорочкин А. Н., Здеренова С. Е. // Изв. АН. Сер. хим. - 2000. - Т. 6. - С. 1002.
3. КонаревД. В. // Изв. АН. Сер. хим. - 1997. - Т. 37. - С. 238.
4. Фролов Г. И. // Физика твердого тела. — 1996. — Т. 38. - С. 1208.
5. Шарыгин П. П. // Журн. физ. химии. — 1947. — Т. 21, № 10. - С. 1125-1134.
6. Joesten М. D., Schaad L. J. Hydrogen Bonding. — New York, 1974.
7. Chen P., Wu X. // Science. - 1999. - Vol. 285. - P. 9.
8. Ruoff R. S. // J. Phys. Chem. - 1995. - Vol. 99. -P. 8843.
9. Sato G. U Synth. Met. - 1994. - Vol. 64. - P. 359.
Поступила 11.04.08
СЛ. П. СЫЧЕВА, 2008 УДК 614.3/.4:620.22
Л. П. Сычева
ОЦЕНКА МУТАГЕННЫХ СВОЙСТВ НАНОМАТЕРИАЛОВ
ГУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН, Москва
Стремительное развитие нанотехнологий требует столь же быстрой разработки подходов к оценке токсичности наноматериалов (НМ), в том числе их мутагенных свойств. Существуют природные вещества, которые ранее изучались токсикологами, но только в настоящее время отнесены к НМ в связи с их наноразмерами (менее 100 нм). Однако особого внимания заслуживают новые, сконструированные НМ: фуллерены, углеродные нанотрубки, квантовые точки, наночастицы и др. Подобно новым химическим соединениям НМ должны пройти оценку генетической безопасности. Проблема заключается в том, какие методы использовать для оценки генотоксических свойств НМ? Какие данные указывают на генотоксическую активность НМ? Какие особенности НМ следует учесть при изучении их генотоксической активности? Какие подходы (одинаковые или отличающиеся) применять при тестировании НМ разного типа? Достаточны ли существующие общепринятые в мире и России батареи тестов для выявления генотоксических свойств НМ?
НМ характеризуются особенностями, позволяющими предположить их генотоксическое действие: высокой проницаемостью на организмен-ном, органном, тканевом и клеточном уровнях; индукцией свободных радикалов, в том числе активных форм кислорода и азота [8, 18, 22]; повреждением цитоскелета [11]; способностью некоторых НМ преодолевать кариолемму и располагаться в ядре клетки [14]; конъюгацией с ДНК [6]; составом некоторых НМ, включающих атомы химических соединений, обладающих канцерогенным действием, например, кадмия или мышьяка [9]; сходством в строении некоторых НМ с волокнами асбеста [17], который обладает генотоксическим и канцерогенным действием [10]. Сравнение генотоксиче-ского эффекта нано- и микрочастиц одних и тех же
соединений показывает, что первые обладают большей активностью [18].
Генотоксические свойства НМ изучены в нескольких исследованиях in vitro, которые отражены в таблице. ДНК-повреждения выявлены методом Comet при оценке действия наночастиц кобальт-хромового сплава на культивируемые фибробласты человека [18]; ультратонких (менее 100 нм в диаметре) Т102-наночастиц на лимфобласты человека [21]; покрытых церием ТЮ2-наночастиц, активируемых видимым светом, на клетки гепатомы человека Ве17402 [22]; ТЮ2-наночастиц размером 10—20 нм без фотоактивации на бронхиальные эпителиоциты человека BEAS-2B [8]. Наночастицы реальгара повышали ДНК-фрагментацию и апоп-тоз в клетках U937 [23]. Наночастицы хитозана (65 нм) в концентрациях 25—100 мкг/л индуцировали ДНК-фрагментацию и апоптоз в клетках карциномы желудка человека MGC803 [19].
Генераторы рентгеновских лучей нового типа, в которых используются углеродные нанотрубки, оказались такими же по эффективности индукции ДНК-повреждений (двойных разрывов) в клетках лимфомы мышей in vitro, как и ранее применявшиеся генераторы термионного типа [16]. Люминесцентные кремниевые наночастицы не вызывали модификацию оснований ДНК, разрывы ДНК, повышенную репарационную активность клеток в культуре при концентрации менее 100 мкг/мл [11].
Повышение уровня хромосомных аберраций показано в опытах по оценке действия наночастиц оксида цинка (средний размер 100 нм). Этот ингредиент широко используется в дерматологических препаратах и средствах УФ-защиты. Препарат индуцировал хромосомные аберрации при обработке культуры клеток китайского хомячка СНО в трех вариантах: в темноте, в условиях предобработ-
