CC BY
5
;ена и санитария 6/2008
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-
ки УФ-светом с последующим действием оксида цинка и при одновременном действии оксида цинка и УФ-облучения. В двух последних вариантах опыта значимый эффект выявлен при более низких концентрациях оксида цинка [7]. Отрицательный эффект получен в опыте по анализу хромосомных аберраций в культуре клеток китайского хомячка СНО при действии ультратонких частиц ТЮ2 [24].
Образование микроядер отмечено в исследованиях in vitro при действии наночастиц диоксида титана: покрытых церием ТЮ2-наночастиц, активируемых видимым светом на клетки гепатомы человека Ве17402 [22]; ТЮ2-наночастиц размером 10— 20 нм на бронхиальные эпителиоциты человека BEAS-2B без фотоактивации [8]; ультратонких частиц Ti02 (< 100 нм в диаметре) на лимфобласты человека в культуре [21]. Анеуплоидия определена при изучении действия кобальт-хромовых наночастиц на клетки культуры фибробластов человека [18].
Ультратонкие частицы диоксида титана вызывали 2,5-кратное повышение частоты HPRT-мутаций при действии на культуру лимфобластов человека [21].
В настоящее время практически отсутствуют данные по оценке генотоксического действия НМ in vivo. В одном из опытов углеродные нанотрубки при интратрахеальной инстилляции вызывали повреждения митохондриальной ДНК в клетках аорты трансгенных АроЕ (-/-) мышей на 7, 28 и 60-й день экспозиции. Считают, что с этим связано выявленное расширение зоны атеросклеротических бляшек в аорте. Следует обратить внимание на проявление эффекта в системе кровообращения при интратрахеальном введении препарата, что, по-видимому, связано с транслокацией этих частиц и прямым действием, вызывающим сердечнососудистую дисфункцию [13]. Показано проникновение наночастиц и, в ряде случаев, аккумуляция их в разных органах: легких, сосудах, лимфатической ткани, костном мозге, печени, почках [9].
По мнению ряда авторов, генотоксическая активность НМ определяется их способностью индуцировать активные радикалы кислорода и азота, повреждающие ДНК [8], а также высокой проницаемостью и прямым действием на внутриклеточ-
Наноматериал Объект Тест Эффект Источник
Фуллерены См (2,2 мкг/л) Культура лимфоцитов человека Тест Comet + [5]
Углеродные нанотрубки 1 нм в диа- Фибробласты У79 и и
метре (96 мкг/мл) + [12]
Углеродные наночастицы Культура клеток А549 Тест Comet, изменение кинетики [15]
клеточного цикла +
Кобальт-хромовые наночастицы Культура фибробластов человека Тест Comet + [18]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 Культура лимфобластов человека и и + [21]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 без Культура бронхиальных эпителиоци- и и
фотоактивации тов человека ВЕА5-2В + [8]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 с/без Культура клеток кожи золотой рыбки N п
фотоактивации ОР5к-51 + [20]
Наночастицы реальгара Культура клеток 11937 ДНК-фрагментация и апоптоз + [23]
Наночастицы хитозана 65 нм Культура клеток карциномы желудка То же
человека \1GC803 + [19]
ТЮ2-наночастицы, покрытые церием Культура клеток гепатомы человека и и
при активации светом Ве17402 + [22]
Люминесцирующие кремниевые на- Культура клеток Анализ модификации оснований
ночастицы (менее 100 мкг/мл) ДНК, разрывов ДНК, повышенной [111
репарации -
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 Культура лимфобластов человека HPRT-мутации + [21]
С<уТе квантовые точки Культура клеток карциномы легких человека Анализ эпигенетических событий: гипометилирование ДНК; активация р53; индукция сигнальных путей PU-
MA, NOXA + [4]
Наночастицы оксида цинка Культура клеток китайского хомячка Метафазный анализ хромосомных
СНО аберраций + [7]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 То же То же - [24]
Кобальт-хромовые наночастицы Культура фибробластов человека Анализ анеуплоидии + [18]
ТЮ2-наночастицы, покрытые церием. Культура клеток гепатомы человека Интерфазный анализ микроядер
при активации светом (10 мкг/мл) Ве17402 + [22]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 без Культура бронхиальных эпителиоци- То же
фотоактивации тов человека BEAS-2B + [8]
Ультратонкие наночастицы ТЮ2 Культура лимфобластов человека N N + [21]
Углеродные нанотрубки, 1 нм в диа- Фибробласты V79 Интерфазный анализ микроядер
метре (96 мкг/мл) +/- [12]
Углеродные нанотрубки Salmonella typhimurium, штаммы YG1024, YG1029 Тест Эймса _ То же
Фуллерен Си (0,45 мкг/мл) Е. coli с добавлением гомогената пе- SOS-хромотест
чени и без него + [1]
Фуллерсн С^ (2,24 мкг/мл) Drosophila melanogaster (личинки вы- Анализ соматической рекомбинации
ращены на стандартной среде, сме-
шанной с фуллереном) + То же
Углеродные нанотрубки при интрат- Мыши, клетки аорты Анализ повреждения митохондри-
рахеальной инстилляции альной ДНК + [13] 27
:ена и санитария 6/2008
Предполагаемы« механизмы генотоксического действия НМ
ные структуры, в том числе на цитоскелет и хроматин [11], что обобщено нами в представленной схеме.
Анализ проведенных исследований показывает, что генотоксическая активность НМ почти не изучена. Данные получены на ограниченном количестве НМ и, в основном, в опытах in vitro. С другой стороны, даже это небольшое число работ указывает на способность НМ индуцировать ДНК-по-вреждения, хромосомные аберрации, микроядра, анеуплоидию. Недавно выявлены последствия ге-нотоксического действия НМ: ультратонкие частицы диоксида титана (< 100 нм в диаметре) вызывали фиброз и рак легкого у крыс [21].
Таким образом, есть основания опасаться гено-токсического и мутагенного действия НМ на организм человека, что приводит к тяжелым последствиям. Можно предполагать, что НМ будут более активны при действии на генетический аппарат клеток по сравнению с микрочастицами. Следовательно, насущной необходимостью является создание системы оценки генетической безопасности НМ, основой которой может быть общепринятый подход к оценке мутагенных свойств химических соединений, наиболее детально разработанный для лекарственных препаратов [3]. Система должна быть дополнена тестами in vivo для анализа органной специфичности генотоксического действия НМ. В свете представленных данных высокоинформативным может оказаться разработанный в институте полиорганный микроядерный тест с учетом показателей пролиферации и апоптоза [2]. В настоящее время важно начать комплексную оценку генетической безопасности НМ разного типа.
Литература
1. Захаренко Л. П., Захаров И. К., Васюнина Е. А. и др. // Генетика. - 1997. - Т. 33, № 3. - С. 405-409.
2. Полиорганный микроядерный тест в эколого-гигие-нических исследованиях / Под ред. Ю. А. Рахмани-на, Л. П. Сычевой. — М., 2007.
3. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ / Под ред. Р. У. Хабриева. — М., 2005. — С. 48-50.
4. Choi А. О., Brown S. Е., SzyfM., Maysinger D. // J. Mol. Med. - 2008. - Vol. 86, N 3. - P. 291-302.
5. DhawanA., TaurozziJ. S., PandeyA. K. et al. // Environ. Sci. Technol. - 2006. - Vol. 40, N 23. - P. 7394-7401.
6. Dubertret В., Skourides P., Norris D. J. et al. // Science.
- 2002. - Vol. 298. - P. 1759-1762.
7. Dufour E. K., Kumaravel Т., Nohynek G. J. // Mutat Res.
- 2006. - Vol. 607, N 2. - P. 215-224.
8. Gurr J. R., Wang A. S., Chen С. H., Jan K. Y. // Toxicology. - 2005. - Vol. 213, N 1-2. - P. 66-73.
9. Hardman R. // Environ. Hlth Perspect. - 2006. — Vol. 114. - P. 165-172.
10. LARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risk of Chemicals to Man. Asbestos. Lyon, 1977. — Vol. 14.
11. Jin Y., Kannan S., Wu M., Zhao J. X. I I Chem. Res. Toxicol. - 2007. - Vol. 20, N 8. - P. 1126-1133.
12. Kisin E. R., Murray A. R., Keane M. J. et al. // J. Toxicol. Environ. Hlth. - 2007. - Vol. 70, N 24. -P. 2071-2079.
13. Li Z., Hulderman Т., Salmen R. et al. // Environ. Hlth Perspect. - 2007. - Vol. 115, N 3. - P. 377-382.
14. Lovriq J., Cho S. J., Winnik F. M., Maysinger D. // Chem. Biol. - 2005. - Vol. 12. N 11. - P. 1227-1234.
15. Mroz R. M., Schins R. P., Li H. // Eur. Respir. J. - 2007. -Vol. 31, N 2. - P. 241-251.
16. Nakazato Т., Nakanishi M., Kita S. et al. // J. Radiat. Res. - 2007. - Vol. 48, N 2. - P. 153-161.
17. Oberdorster G., Oberddrster E., OberddrslerJ. // Environ. Hlth Perspect. - 2005. - Vol. 113, N 7. - P. 823-839.
18. Papageorgiou I., Brown C., Schins R. et al. // Biomate-rials. - 2007. - Vol. 28, N 19. - P. 2946-2958.
19. Qi L. F., Xu Z. R., Li Y. et al. // Wld J. Gastroenterol.
- 2005. - Vol. 11, N 33. - P. 5136-5141.
20. Reeves J. F., Davies S. J., Dodd N. J., Jha A. N. // Mutat. Res. - 2008. - Vol. 640, N 1-2. - P. 113-1122.
21. Wang J. J., Sanderson B. J., Wang H. // Mutat. Res. — 2007. - Vol. 628, N 2. - P. 99-106.
22. Wang L., Jian Mao, Gao-Hua Zhang, Ming-Jing Tu. // Wld J. Gastroenterol. - 2007. - Vol. 13, N 29. -P. 4011-4014.
23. Wang X. В., Gao H. Y., Нои B. L. et al. // Arch. Pharm. Res. - 2007. - Vol. 30, N 5. - P. 653-658.
24. Warheit D. В., Hoke R. A., Finlay C. et al. // Toxicol Lett. - 2007. - Vol. 171, N 3. - P. 99-110.
Поступила I4.0S.08
Summary. Nanomaterials have properties showing their possible mutagenic activity. The review analyzes the currently available studies evaluating the mutagenic properties of nanomaterials. The studies have been conducted using limited quantities of nanomaterials and mainly in in vitro experiments. But they also suggest that nanomaterials are able to induce DNA damages, chromosomal aberrations, micronuclei, and aneuploidy. Single studies have revealed consequences due to the genotoxic effect of nanomaterials: rat lung cancer. There is a need for developing a system to evaluate the mutagenic properties of nanomaterials, the basis of which may be a poly-organ micronuclear test, by taking the indicators of proliferation and apoptosis into account.
