CC BY
195
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 БИОЛОГИЯ Вып. 2
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 615.099.541.187
ТОКСИКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА НАНОДИСПЕРСНОГО РАСТВОРА ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
Т. И. АкафьевааЬ, В. Н. Звездина
а Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82; zvezdin@fcrisk.ru; (342) 236-39-30 ь Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Полученные результаты экспериментальных исследований токсиколого-гигиенической оценки нанодисперсного раствора диоксида кремния при однократном зондовом внутрижелудочном введении «нелинейным» белым мышам позволяют заключить, что нанодисперсный раствор при остром воздействии обладает в 2 раза большей степенью токсичности (3-й класс опасности по критерию LD50) по сравнению с дисперсным раствором, содержащим частицы «традиционной дисперсности» (4-й класс).
Ключевые слова: диоксид кремния; наночастицы; микрочастицы; оценка опасности; острая токсичность.
Введение
В настоящее время по данным департамента маркетинговых исследований Research Techart, происходит неуклонный рост совокупного мирового объема потребления наноматериалов [Маркетинговое ..., 2009]. В силу малой изученности потенциальных рисков и побочных эффектов, сопряженных с использованием этих материалов и прогнозируемым ростом контакта населения с продуктами наноиндустрии, особую актуальность приобретают вопросы токсиколого-гигиенической оценки безопасности наноматериалов для здоровья человека и объектов среды обитания.
Наноразмерный диоксид кремния обладает огромным потенциалом для применения в наиболее приоритетных отраслях развития нанотехнологий: оптоэлектронике, фармакологии, пищевой промышленности [Трифонова, Ширкин, 2009]. В связи с перспективой широкого использования нанодисперсного диоксида кремния в составе пищевых добавок, необходимо изучение возможной токсичности данного соединения при пероральном поступлении в организм, для разработки соответствующих стандартов безопасности.
Материалы и методы
Для определения потенциальной опасности, которую представляет исследуемый материал для здоровья человека, выполнена прогнозно-аналитическая процедура, основанная на построении генеральной определительной таблицы. Данная процедура позволяет провести анализ физических параметров и известных биологических эффектов наноразмер-ного диоксида кремния, представленных в имеющейся нормативно-технической документации и научной литературе.
Оценку размера и формы частиц нанодисперсно-го диоксида кремния, синтезированного методом жидкостно-кристаллического темплатирования с использованием бромид цетилтриметил-аммония, выполняли методами динамического светорассеива-ния и атомно-силовой микроскопии. Оценку удельной поверхности частиц проводили по методу Бру-науэра, Эммета и Тейлора без предварительного прокаливания [Бранауэр, 1948].
Оценку параметров острой токсичности при однократном внутрижелудочном зондовом введении нанодисперсного раствора диоксида кремния выполняли в соответствии с методическими указаниями МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов».
© Акафьева Т. И., Звездин В. Н., 2012
В ходе развернутого эксперимента использованы «нелинейные» белые мыши массой 25 ± 2 г в количестве 70 особей. Экспериментальные животные распределены на 7 групп по 10 особей. 1-3 опытные группы получили однократно зондово внутрижелу-дочно нанодисперсный раствор диоксида кремния в дозах: 500 мг/кг, 1000 мг/кг, 1500 мг/кг соответственно, в объеме, составляющем 1-2% массы тела. 4-6 группы сравнения получили микродисперсный раствор диоксида кремния в аналогичных дозах. Контрольная группа мышей получила однократно зондово внутрижелудочно физиологический раствор в эквивалентном объеме.
Экспериментальные животные наблюдались в течение 14 дней, имели свободный доступ к пище и воде. Все животные взвешивались на 1, 3 и 14-й день эксперимента.
Расчет параметров острой токсичности (LD50) производили с помощью статистической программы, реализующей алгоритм метода максимального правдоподобия.
У всех выживших животных на 14-й день произведен забор венозной крови из подъязычной вены. Оценку гематоксического эффекта выполняли при помощи анализа изменений форменных элементов крови в мазках, окрашенных по методу Паппенгей-ма, включающему комбинацию двух способов: Май-Г рюнвальда и Романовского-Г имза.
Результаты и обсуждение
Экспериментально в синтезированном растворе установлено два вида фактического размера частиц диоксида кремния: от 50 до 70 нм в длину и ширину, и от 25 до 35 нм в высоту (доля частиц данного размера составила 67% общего количества частиц). Размеры второго вида частиц соответствуют 25 нм в длину, ширину и высоту (доля частиц данного размера составила 30% общего количества частиц). В нанодисперсном растворе преобладают частицы неправильной формы. Удельная площадь поверхности наночастиц диоксида кремния составила 95.960 м2/г, что может обусловливать их высокую реакционную способность in vitro и in vivo [Тутельян и др.,
2009]. Частицы диоксида кремния «традиционной» размерности, использованные для сравнения, имели размер от 1 до 3.9 мкм в 100% случаев и форму, близкую к сферической.
В числе основных физико-химических характеристик, определяющих потенциальную опасность для здоровья человека наночастиц диоксида кремния, рассматривалась их растворимость в воде и биологических жидкостях. По данным научной литературы, наноразмерный диоксид кремния относится к нерастворимым соединениям, доля растворимых частиц при комнатной температуре в нейтральной pH среде составляет 0.007% [Dorota et al.,
2010]. Также выявлено, что наночастицы данного соединения смачиваются биологическими жидко-
стями (кровь, моча, лимфа, ликвор), но не растворяются в них, что может обусловливать длительное нахождение в свободном состоянии частиц исследуемого продукта в биологических средах [Тутельян и др., 2009; Dorota et al., 2010]. В этом случае биологические эффекты будут зависеть от поверхностных характеристик частиц, таких как заряд частицы, гидрофобность, устойчивость к агрегации.
Заряд поверхности диоксида кремния при рН = 7.4 определяется как отрицательный, что приводит к повышенной способности проникновения через тканевые барьеры (кожный, кишечный, гематоэнце-фалический) [Тутельян и др., 2009; Седунов, Ступ-никова, Демидов, 2011]. Не менее важным фактором, потенциально влияющим на токсичность наночастиц, является гидрофильность. Частицы диоксида кремния относятся к гидрофильным веществам, это объясняется высокой концентрацией гидроксильных групп на поверхности аморфного кремнезема, которая колеблется от 4 до 5 OH/nm2 [Barbara et al., 2008], что, по данным научной литературы, может обусловливать более высокий показатель токсического эффекта [OFarrel, Houlton, Horrocks, 2006].
Следует также отметить, что наночастицы диоксида кремния склонны к образованию агрегатов в водной среде [Dorota et al., 2010], в связи с этим их токсичность может снижаться, но тем не менее превышать данный показатель микрочастиц того же размера и массы [Тутельян и др., 2009].
Существенным фактором, определяющим токсические свойства наночастиц диоксида кремния, является способность данного соединения стимулировать избыточное образование активных форм кислорода (АФК) при взаимодействии с билипидным слоем клеточных мембран [OFarrel, Houlton, Horrocks, 2006; Unfried et al., 2007]. В ряде исследований выявлены повреждения клеточной мембраны, индуцированные наночастицами диоксида кремния, по повышению уровня восстановленного глутатио-на и малонового диальдегида [Lin et al., 2006], на фоне снижения текучести мембраны и нарушения внутриклеточного гомеостаза кальция [Yang et al., 2009]. Под действием исследуемого вещества также может изменяться уровень пероксиредоксинов. Исследования показали, что уровень экспрессии пе-роксиредоксинов отрицательно коррелирует с размером наночастиц [Xifei et al., 2010].
Интенсивное образование АФК при взаимодействии наночастиц диоксида кремния с клеточной мембраной может приводить к угнетению механизмов, противодействующих интенсификации опухолевой активности [Lin et al., 2006]. Также отмечается уменьшение уровня белка маспина в клетках под воздействием наночастиц диоксида кремния, который блокирует формирование, рост и распространение опухолей в организме [Xifei et al., 2010].
Следует отметить, что повреждение клеточной
мембраны может осуществляться и через взаимодействие наночастиц диоксида кремния с интегральными мембранными белками, ответственными за транспорт ионов. В ряде исследований установлено изменение плотности мембранных белков эритроцитов при воздействии на них исследуемого вещества [Геращенко, 2009].
При изучении токсических эффектов, вызываемых диоксидом кремния, было установлено, что наночастицы способны проникать в цитоплазму клетки. Отмечается их ядерная локализация, что указывает на возможное взаимодействие наночастиц диоксида кремния с ДНК клетки и может приводить к повышенному образованию фермента топоизоме-разы I, угнетающего процессы репликации, транскрипции и пролиферации [Dorota et al., 2010]. При идентификации ядерной локализации наночастиц диоксида кремния установлено изменение уровня экспрессии белков, что также может являться косвенным доказательством эпигенетических изменений в ДНК клетки под действием данного соединения [Xifei et al., 2010; Gong et al., 2010].
Важным фактором, определяющим потенциальную опасность для здоровья человека наночастиц диоксида кремния, является цитотоксическая активность. Установлено, что наночастицы диоксида кремния размером 70 нм обладают более выраженным цитотоксическим действием по сравнению с микроразмерными аналогами [Dorota et al., 2010]. Цитотоксическая активность данного вещества также может реализовываться через угнетение митохондриальной деятельности [Yang et al., 2009]. Установлено, что наночастицы диоксида кремния обладают гемолитической активностью [Геращенко, 2009].
В результате предварительной оценки потенциальной опасности установлено, что наноразмерный диоксид кремния достоверно является опасным для здоровья человека (средняя степень опасности по критерию частной опасности D=1.57).
В результате экспериментального определения параметров острой токсичности, установлено, что LD50 нанодисперсного и, сравнительно, микродис-персного растворов диоксида кремния на «нелинейных» мышах-самцах составляет соответственно 4638 мг/кг (3-й класс опасности) и более 10000 мг/кг (4-й класс опасности). Гибель экспериментальных животных в опытных группах, получивших нанодисперсный раствор диоксида кремния, отмечалась преимущественно на 3 и 4 сутки. За сутки до гибели у экспериментальных животных отмечалось значительное вздутие кишечника, поверхностное дыхание, ограничение подвижности, достоверное снижение массы тела на 20-25% от исходного значения. У экспериментальных животных, получивших микродисперсный раствор диоксида кремния, отмечалась положительная динамика массы тела и отсутствие клинических признаков интоксикации.
Наночастицы диоксида кремния в дозе, выше 0.2 LD50 обладают токсическим действием на форменные элементы крови экспериментальных животных, практически не установленным у микрочастиц. Это подтверждено наличием полихроматофильных эритроцитов (до 25% от общего числа эритроцитов крови), патологических телец Жоли в эритроцитах крови (до 10% от общего числа эритроцитов крови), выраженной агрегации тромбоцитов в крови.
На основании вышесказанного следует заключить, что аморфный наноразмерный диоксид кремния, синтезированный методом жидкостно-кристаллического темплатирования с использованием бромид цетилтриметил-аммония, при внутрижелудоч-ном поступлении в организм является опасным. Необходимо проведение исследований по выявлению качественных характеристик и количественных параметров хронического токсического действия данного вещества на организм.
Библиографический список
Брунауэр C. Адсорбция газов и паров. М.: Издат-инлит, 1948. Т. 1. 783 с.
Геращенко И.И. Мембранотропные свойства нано-размероного диоксида кремния // Мед.-биол. аспекты поверхност. явлений. 2009. Вып. 1(16). С. 288-306
Маркетинговое исследование рынка нанопорошков [Электронный ресурс] // Департамент маркетинговых исследований Research. Techart. М., 2009. Систем. требования: Foxit Reader. URL: fimip.ru/shared/projects/1319/PRJ001319_1.pdf (дата обращения: 29.03.2012)
Седунов С.Г., Ступникова М.П., Демидов О.М. Разработка способа получения наноразмерных коллоидных систем на основе диоксида кремния [Электронный ресурс] // Молекулярные технологии. [2011]. Систем. требования: Foxit Reader. URL: www.niipa.ru/journal/articles/16.pdf (дата обращения: 05.03.2012).
Трифонова Е.А., Ширкин Л.А. Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий: учеб. пособие. Владимир: Изд-во Владимир. гос. ун-та, 2009. 64 с.
Тутельян В.А. и др. Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека: метод. рекомендации. М., 2009. 35 с. Barbara J. Panessa-Warren et al. Nanoparticle Interactions with Living Systems: In Vivo and In Vitro Biocompatibility // Nanoparticles and Nanodevices in Biological Applications. 2008. Р. 1-45
Dorota N. et al. The nanosilica hazard: another variable entity [Электронный ресурс] // Particle and fibre toxicology: [сайт]. [2010]. URL:
http://www.particleandfibretoxicology.com/content /7/1/39 (дата обращения: 21.02.2012)
Gong C. et al. SiO(2) nanoparticles induce global genomic hypomethylation in HaCaT cells [Электронный ресурс] // US National Library of
Medicine. [2010]. URL:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/20501321 (дата обращения: 27.02.2012)
Lin W. et al. In vitro toxicity of silica nanoparticles in human lung cancer cells // Toxicology and Applied Pharmacology. 2006. Р. 252-259.
O'Farrell N. et al. B.R. Silicon nanoparticles: applications in cell biology and medicine [Электронный ресурс] // US National Library of
Medicine. [2006]. URL:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC2676646/?tool=pubmed (дата обращения: 21.02.2012)
Unfried K. et al. Cellular responses to nanoparticles: Target structures and mechanisms // Nanotoxicology. 2007. № 1. Р. 52-71.
Xifei Y. et al. SiO2 nanoparticles induce cytotoxicity and protein expression alteration in HaCaT cells [Электронный ресурс] // Particle and fibre toxicology. [2010]. URL: http://www.
particleandfibretoxicology.com/content/7/1/1 (дата обращения 25.02.12)
Yang H. et al. Cell membrane injury induced by silica nanoparticles in mouse macrophage [Электронный ресурс] // US National Library of Medicine. [2009]. URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
pubmed/20201428 (дата обращения: 20.02.2012).
Поступила в редакцию 15.05.2012
Hygienic and toxicological safety assessment of nano-dispersed silicon oxide T. I. Akafeva, technician
FBSI «Federal Scientific for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies», 82, Monastyrskaja str., Perm, Russia, 614045 Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990 V. N. Zvezdin, research scientist
FBSI «Federal Scientific for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies», 82, Monastyrskaja str., Perm, Russia, 614045; zvezdin@fcrisk.ru; (342) 2363930
The findings of the experimental study performed within the preliminary hygienic and toxicological assessment of nano-dispersed silicon oxide, which was endogastrics administered to white nonlinear mice once, showed that, under acute oral exposure to silicon oxide, nanodispersed particles were 2-fold more toxic and cumulative (category 3, according to the oral LD50 values) than dispersed solution with micro-sized particles (category 4).
Key words: silicon oxide; nanoparticles; micropartiles; hazard estimation; acute toxicity.
Акафьева Татьяна Игоревна, лаборант
ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»
ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Звездин Василий Николаевич, научный сотрудник
ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»
