Оценка потенциальной опасности для здоровья человека наночастиц аморфного диоксида кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

14

ЗНиСО сентябрь №9 (234)

св

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА НАНОЧАСТИЦ АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

В.Н. Звездин1, Т.И. Акафьева1,2

SSESSING POTENTIAL HUMAN HEALTH HAZARDS OF AMORPHOUS SILICA NANOPARTICLES

V.N. Zvezdin, T.I. Akafyeva

'ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», г. Пермь, 2ФБГОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь

В результате выполнения процедуры оценки потенциальной опасности по обобщению данных о физических, физико-химических, молекулярно-биологических, биохимических цитологических и токсикологических характеристик и параметров распространения в среде обитания наноди-сперсного диоксида кремния установлено, что он обладает средней степенью опасности для здоровья человека (D = 1,49).

Ключевые слова: наночастицы, аморфный диоксид кремния, потенциальная опасность для здоровья населения.

The assessment of potential human health hazards, based on the generalization of data on physical, physicochemical, bio-molecular, biochemical, cytological and toxicological characteristics, and the parameters of environmental distribution of nanodispersed silicon dioxide, has determined that its hazard level is medium (D = 1,49).

Keywords: nanoparticles, amorphous silica, potential human health hazard.

Увеличивающийся объем производства продукции, содержащей наночастицы, токсические свойства которых недостаточно изучены, обусловливает необходимость проведения широкомасштабных исследований, нацеленных на оценку потенциальной опасности для здоровья населения производящего и потребляющего данную продукцию.

На сегодняшний день до 80 % от всего объема промышленного производства нанопорош-ков приходится на диоксид кремния, который используется в наиболее приоритетных направлениях развития нанотехнологий: оптике, электронике, фармакологии. В связи с этим изучение возможной токсичности наночастиц диоксида кремния представляет значительный интерес

сентябрь №9 (234) ЗНифО

15

св

для перспектив гигиенического нормирования. Необходимым этапом в изучении токсичности наночастиц диоксида кремния является установление потенциальной опасности, позволяющее на основе уже имеющейся научной информации определить потенциальную степень их опасности для здоровья населения.

Материалы и методы. Для определения потенциальной опасности, которую представляет исследуемый материал для здоровья человека, выполнена прогнозно-аналитическая процедура, основанная на построении генеральной определительной таблицы (ГОТ) в соответствии с МР 1.2.2522-09 [1].

По итогам исследования рассчитана степень опасности по критерию частной опасности D с дополнительным определением коэффициента достоверности «и». Оценка размера и формы наночастиц диоксида кремния, синтезированного методом жидкостно-кристаллического темплатирования с использованием бромид цетилтриметил-аммония, выполнялась методами динамического светорассеяния и атомно-силовой микроскопии. Оценка удельной поверхности частиц проводилась по методу Брунауэра, Эммета и Тейлора.

Результаты. Физические характеристики (размер, форма, удельная площадь поверхности) оценивались по результатам собственных экспериментальных исследований синтезированного образца. Эллипсовидные наночастицы аморфного диоксида кремния в меньшей из осей имели размер 25—35 нм, форм фактор — 3. Сферические частицы имели диаметр 25 нм, форм фактор для сферических частиц отсутствует [1]. 67 % частиц аморфного диоксида кремния имели эллипсовидную форму, 33 % — сферическую. По литературным данным, химическая модификация поверхности аморфного диоксида кремния приводит к образованию частиц, имеющих чрезвычайно разветвленную поверхность, с удельной площадью поверхности от 50 до 380 м2 на 1 г вещества [5]. В исследуемом продукте удельная площадь поверхности наночастиц соответствовала 96,96 м2/г.

Из источников аннотированной литературы известно, что водная суспензия аморфного диоксида кремния имеет долю растворимых частиц при 25 °С в нейтральной рН среде в зависимости от размера частиц и состояния гидратации поверхности, а также присутствия следов примесей от 0,007 до 0, 015 % [1; 8]. Также установлено, что наночастицы аморфного диоксида кремния смачиваются биологическими жидкостями (кровь, моча, лимфа, ликвор), но не растворяются в них [4]. Поверхность наночастиц диоксида кремния при рН = 7.4 заряжена отрицательно [9; 10; 15]. В зависимости от вида синтеза наночастицы аморфного диоксида кремния могут иметь как микро-, так и макропористую структуру, а в водной среде интенсивно образуют агрегаты [2; 4]. Наночастицы аморфного диоксида кремния относятся к гидрофильным веществам [4].

Наночастицы аморфного диоксида кремния обладают выраженными мембранотропными свойствами, которые проявляются лизисом эри-

троцитов in vitro, изменением мембран эпителио-цитов кишечника, активацией мембран лимфоцитов и тучных клеток [10]. Частицы аморфного диоксида кремния с большой удельной площадью могут нарушать целостность мембран и стимулировать образование активных форм кислорода [6; 8]. Частицы, проникающие в цитоплазму, могут интенсифицировать внутриклеточный окислительный стресс, также возможно снижение текучести мембраны и нарушение внутриклеточного гомеостаза кальция [8; 12].

Существуют противоречивые данные о гено-токсическом действии наночастиц аморфного диоксида кремния. В работе ряда авторов была засвидетельствована ядерная локализация частиц в клетках [2]. В других работах негативных изменений со стороны ДНК установлено не было [6].

По данным научной литературы установлено изменение плотности мембранных белков эритроцитов и снижение мембранной проводимости [10].

В ряде исследований также была установлена способность наночастиц аморфного диоксида кремния интенсифицировать образование АФК как на мембране, так и внутриклеточно, что может приводить к угнетению запрограммированной клеточной смерти, обусловливающей опухолевую активность [3; 6; 8]. Наночастицы аморфного диоксида кремния способны вызывать эпигенетические изменения через механизм метилирования [7]. Возможна реализация трансформирующей активности через уменьшение уровня белка маспина [11].

Установлена способность наночастиц диоксида кремния проникать через мембрану и агрегировать в цитоплазме клетки, что может обусловливать способность к внутриклеточному накоплению [3]. Достоверно установлено, что частицы аморфного диоксида кремния обладают цитотоксическим действием. Выраженность цитотоксического воздействия зависит от размера: наночастицы аморфного диоксида кремния размером 70 нм обладают более выраженным, по сравнению с частицами «традиционной» дисперсности (1 000 нм), цито-токсическим эффектом и более интенсивно индуцируют апоптоз [2]. Это объясняют увеличением удельной площади поверхности. Образцы наночастиц аморфного диоксида кремния с наибольшей площадью поверхности обладают более выраженной способностью к угнетению роста клеточных культур [5]. Одним из возможных механизмов цитотоксического действия наночастиц аморфного диоксида кремния является угнетение митохондриальной активности через активацию оксидативного стресса при внутрицитоплазма-тической локализации частиц, что приводит к отсроченному (позднему) повышению апоптоза и некротических изменений клеток HepG2 при контакте с растворами, содержащими наночастицы аморфного диоксида кремния размером 100— 200 нм (100 мг/мл и 200 мг/мл) в течение 24 часов [8]. Реализация данного механизма доказана и для частиц размером 15 и 30 нм [12].

Так же описан еще один из механизмов возможного цитотоксического действия наночастиц аморфного диоксида кремния, который реализу-

16

ЗНиСО сентябрь №9 (234)

ется через агрегацию наночастиц непосредственно в клеточной цитоплазме, что приводит к механическому повреждению органелл [3].Установлено влияние наночастиц аморфного диоксида кремния на протеомный и метаболомный профиль, наночастицы, размером 15 и 30 нм могут вызывать изменения экспрессии белков, связанных с окислительным стрессом и апоптозом [11]. Под действием наночастиц аморфного диоксида кремния изменяется уровень пероксиредоксинов, которые являются антиоксидантными ферментами и контролируют уровень цитокин-индуцированных пероксидов. Исследования показали, что уровень экспрессии Prxl и Prx6 отрицательно кореллирует с размером наночастиц [11]. Имеет место изменение уровня молекулярных шаперонов под действием наночастицы аморфного диоксида кремния, участвующих в восстановлении правильной третичной структуры поврежденных белков [11].

Из данных паспорта безопасности, согласно Regulation (EC) № 1907/2006 для диоксида кремния (silicon dioxide) (CAS № 7631-86-9) (продукт № 637238 Aldrich), содержащего частицы диаметром 10—20 нм, LD50 при пероральном введении крысам — 3160 мг/кг, 7500 мг/кг [9]. При остром ингаляционном воздействии у мышей установлены воспалительные изменения в легочной ткани с активацией макрофагальной гибели, смерть экспериментальных животных наступала от тромбоза вен [4; 10].

При внутривенном введении наночастиц аморфного диоксида кремния размером 70 нм в дозе 30 мг/кг засвидетельствованы повреждения гепатоцитов, в то время как при внутривенном введении частиц размером 300—800 нм они не вызывали изменений в дозе 100 мг/кг [4].

При хроническом ингаляционном поступлении наночастиц аморфного диоксида кремния у животных возникают частично обратимые воспаления и эмфиземы, но не отмечается возникновение прогрессирующего фиброза легких. Тем не менее, высокие дозы могут привести к острой легочной воспалительной реакции, которая, вероятно, может вызывать долгосрочные последствия, несмотря на низкую биостойкость частиц [2]. При субхроническом ингаляционном воздействии все изменения имели обратимый характер [4].

МНД для хронического перорального воздействия установлена на уровне 2 500 мг/кг в сутки [4]. В ряде исследований установлено, что при хроническом пероральном поступлении наноча-стицы аморфного диоксида кремния могут вызывать активацию трансаминаз печени [4].

Мировой объем производства аморфного диоксида кремния, синтезированного различными способами, составляет 80 % от всего объема производства нанопорошков (свыше 100 тыс. тонн в год). Возможно прямое экспонирование персонала, участвующего в производстве наноча-стиц аморфного диоксида кремния, и потребителей данной продукции.

В результате предварительной оценки потенциальной опасности достоверно установлено, что наноразмерный диоксид кремния является опасным для здоровья человека (средняя сте-

пень опасности по критерию частной опасности D = 1,49), что требует дальнейших токсиколого-гигиенических исследований для установления качественных характеристик и количественных параметров токсичности. Полученный коэффициент достоверности (U = 0,18) укладывается в диапазон 0—0,25, оцениваемый как «достоверный».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I. Тутельян В.А., Гмошинский И.В., Глинцбург А.Л., и др. Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека: Методические рекомендации. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. 35 с.

2.. Dorota N., Leen C., Dominique L., Johan A. The nanosilica hazard: another variable entity [Электронный ресурс] //Particle and fibre toxicology: [сайт]. URL: http://www.particleandfibre toxicology. com/ content/7/1/39 (дата обращения: 21.05.2012).

3. Drescher D., Orts-Gil G, Laube G., Natte K. Toxicity of amorphous silica nanoparticles on eukaryotic cell model is determined by particle agglomeration and serum protein adsorption effects //Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2011. № 5. P. 1367—1373.

4. Fruijtier-Polloth C. The toxicological mode of action and the safety of synthetic amorphous silica — A nanostructured material //Toxicology. 2012. Vol. 294. P. 61—79.

5. Gazzano E., Ghiazza M., Polimeni M., Bolis V. Physico-chemical determinants in the cellular responses to nanostructured amorphous silicas [Электронный ресурс] //Toxicological Sciences: [сайт]. URL: http:// toxsci.oxfordjournals.org/content/early/2012/04/04/ toxsci.kfs128.long (дата обращения: 24.05.2012).

6. Gehrke H., Fruhmesser A., Pelka J., Esselen M. In vitro toxicity of amorphous silica nanoparticles in human colon carcinoma cells [Электронный ресурс] //Nanotoxicology: [сайт]. URL: http://www.ncbi. nlm. nih.gov/pubmed/22264143 (дата обращения: 24.05.2012).

7. Gong C., Tao G, Yang L., Liu J., Liu Q., Zhuang Z. SiO(2) nanoparticles induce global genomic hypomethylation in HaCaT cells [Электронный ресурс] //US National Library of Medicine: [сайт]. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/20501321 (дата обращения: 20.05.2012).

8. Lei S., Yang L., Xiaomei L., Minghua J. Cytotoxicity and mitochondrial damage caused by silica nanoparticles //Toxicology in Vitro. 2011. № 25. P. 1619-1629.

9. Nanopowder, 10-20 nm particle size (SAXS), 99.5 % trace metals basis: паспорт безопасности аморфного наноразмерного диоксида кремния [Электронный ресурс] //Sigma-Aldrich [сайт]. URL: http://www. sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/637238?lan g=en&region=RU (дата обращения: 25.04.2012).

10. Panas A, Marquardt C, Nalcaci O, Bockhorn H. Screening of different metal oxide nanoparticles reveals selective toxicity and inflammatory potential of silica nanoparticles in lung epithelial cells and macrophages [Электронный ресурс] //Nanotoxicology: [сайт]. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov /pubmed/22276741 (дата обращения: 24.05.2012).

II. Xifei Y, Jianjun L., Haowei H., Li Z. SiO2 nanoparticles induce cytotoxicity and protein expression |alteration

CB

сентябрь №9 (234) ЗНифО

17

g in HaCaT cells [Электронный ресурс] //Particle and I—> fibre toxicology: [сайт]. URL: http://www.particle and c^ fibretoxicology.com/content/7/1/1 (дата обращения: 23.04. 2012).

=| 12. Yang H., Wu Q., Tang M., Kong L., Lu Z. Cell j-fi membrane injury induced by silica nanoparticles in ¿L mouse macrophage [Электронный ресурс] //US ^^ National Library of Medicine: [сайт]. URL: http:// www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20201428 (дата обра-^ щения: 20.05.2012).

Контактная информация:

Звездин Василий Николаевич, тел.: 8 (342) 237-18-15, e-mail: zvezdin@fcrisk.ru

Contact information: Zvezdin Vasilii, phone: 8 (342) 237-18-15, e-mail: zvezdin@fcrisk.ru