CC BY
24
Влияние ультрадисперсных частиц ^ и TiO2 на физиологический статус и состояние центральной нервной системы животных
ЕВ. Шейда, к.б.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ; Е.А. Русакова, к.б.н., ФГБНУ ФНЦ БСТРАН; ОЮ. Сипайлова, к.б.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГМУ; Е.А. Сизова, д.б.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ, ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН
Ультрадисперсные частицы титана и диоксида титана (УДЧ Т и ТЮ2) в настоящее время являются наиболее востребованными, широко используемыми в различных областях. Диоксид титана используется в качестве материала для фотокаталитической стерилизации в медицинской, пищевой и микобио-логической промышленности, а также для решения экологических проблем [1].
Благодаря своим оптическим и электрическим свойствам УДЧ ТЮ2 используются для повышения потребительских качеств бумаги, красок, керамики, косметических средств, пищевых продуктов, фармацевтических средств и т.п. [2, 3]. Однако необходимо учитывать, что УДЧ и их производство значительно отличаются по своим свойствам и эффектам, комплексу физических, химических и биологических свойств от макро- и микроформ веществ [4]. Для большинства УДЧ не известны механизмы поступления в организм, биосовместимости, биотрансформации, транслокации в органах и тканях и, что особенно важно, их токсичности.
Известно, что нервная система является наиболее чувствительной к различным воздействиям, поэтому тестирование УДЧ на животных с целью изучения поведенческих реакций и эмоционального напряжения является неотъемлемой частью установления нейротропных эффектов УДЧ [5].
В настоящее время УДЧ активно внедряются в практику, однако это должно быть сопряжено с глубоким изучением и осмыслением побочных эффектов и потенциальных рисков, которые связаны с их использованием [6]. Многочисленные исследования показывают неоднозначные последствия воздействия УДЧ Т и ТЮ2, показано наличие общей токсичности и цитотоксичности диоксида титана [7, 8]. Для оценки характера нейротропных воздействий диоксида титана в виде частиц размером 12 и 175 нм проведено исследование на крысах, которым в течение 7 дней скармливали 250 мг/кг ТЮ2 с кормом. Установлено, что ТЮ2 в микродисперсной форме понижал чувствительность к стрессу и агрессивность, но повышал общую двигательную активность, спектральные мощности основных диапазонов ритмов электроэнцефалограммы крыс, в то время как ультрадисперсная его форма продемонстрировала в
основном противоположные результаты воздействия на центральную нервную систему животных [9]. Следует отметить, что эти исследования достаточно противоречивые, поэтому целью нашего исследования явилось изучение общего воздействия УДЧ Ti и TiÜ2 на рост и развитие внутренних органов крыс, а также изучение особенностей изменения ориентировочно-поведенческой и эмоциональной активностей организма животных.
Материал и методы исследования. Объект исследования. Биомедицинские исследования проводили на 300 белых крысах-самцах линии Wistar массой 110 - 180 г. До начала эксперимента животные содержались в условиях экспериментально-биологической клиники ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» на стандартной диете для лабораторных животных (ГОСТ Р 50258 - 92) согласно правилам лабораторной практики при проведении доклинических исследований в РФ (ГОСТ 3 51000.3 - 96 и 51000.4 - 96). Эксперименты проводились в соответствии с требованиями гуманного обращения с животными [10].
Характеристика УДЧ Ti и TiÜ2. В эксперименте использовали препараты ульрадисперсных частиц титана (УДЧ Ti) и препараты ульрадисперсных частиц диоксида титана (УДЧ TiÜ2), произведённые ООО «Платина» (г. Москва). УДЧ Ti были получены методом электрического взрыва проводника в атмосфере аргона. УДЧ Ti в своём составе содержали не менее 99,8% Ti; размером 60 - 80 нм, с удельной поверхностью 13,8 м2/г; Z-потенциалом -18,5 ± 0,5 мВ. УДЧ TiÜ2 были получены методом плазмохимического синтеза. УДЧ TiO2 в своём составе содержали 99,8% TiO2 и 0,2% С12; размером 90 нм, с удельной поверхностью 16,5 м2/г; Z-потенциалом - 18,5 ± 0,5 мВ.
Схема эксперимента. Все экспериментальные животные были разделены на пять групп (n = 6). Все животные содержались в одинаковых условиях, с одинаковым рационом. Контрольную и опытные группы сформировывали из животных одного возраста. Разброс в группах по исходной массе не превышал 10%. Животным I и II опытных групп однократно внутрибрюшинно вводили УДЧ Ti в дозе 8 и 80 мг/кг; животным III и IV опытных групп однократно вводили УДЧ TiÜ2 в дозе 13,3 и 133,3 мг/кг. Контрольной группе животных вводили изотонический раствор хлорида натрия 0,9% в эквивалентном объёме. Выбранные концентрации ультрадисперсных частиц не превышали максимально переносимых доз (МПД) для данного металла. Взвешивание животных проводили каждые три дня в течение всего периода исследования. По окончании
эксперимента (14-е сутки) крыс декапировали под нембуталовым наркозом. После этого проводили анатомическую разделку и взвешивание внутренних органов крыс.
Исследование поведенческой активности. Эмоциональную, двигательную активность и ориентировочно-исследовательское поведение крыс исследовали в тесте «Открытое поле». Подсчитывали количество различных поведенческих реакций: горизонтальная двигательная активность (ГДА) - число пересечённых квадратов по периферии, на 2/3 и в центре площадки; вертикальная двигательная активность (ВДА) - число вставаний на задние лапы; ориентировочно-исследовательская активность - число заглядываний в отверстия поля; эмоциональный фактор - количество фекальных болюсов; груминг - количество умываний, причесываний и других элементов ухода.
Статистический анализ. Основные данные, полученные в исследованиях, были обработаны с использованием программ «Excel» и «Statistica 6,0».
Результаты исследования. На рисунке 1 представлены данные, свидетельствующие о влиянии УДЧ Ti и TiO2 на массу внутренних органов крыс. Концентрация 8 мг/кг УДЧ Ti (I гр.) способствовала максимальному изменению массы селезёнки, печени и почек в сторону их увеличения на 15,8; 14,1 и 10,5% соответственно относительно контрольного образца. Установлено незначительное увеличение массы головного мозга (на 4,40% относительно контрольного аналога). Кроме того, среди общей тенденции увеличения массы органов отмечено снижение массы лёгких на 2,90% при сравнении с контролем (рис. 1а).
Воздействие 80 мг/кг УДЧ Ti (II гр.) привело к наибольшему увеличению массы печени, что в числовом значении составляло на 16,8% больше, чем в контроле. Незначительное снижение массы лёгких (на 1,83% при сравнении с аналогом контроля) отмечено при воздействии данной концентрации. УДЧ Ti в концентрации 80 мг/кг (II гр.) способствовали увеличению массы головного мозга и почек - на 7,86 и 3,47% относительно контрольного образца (рис. 1 б). Изменение массы селезёнки оказалось незначительным.
Максимальные скачки в изменении массы при концентрации 13,3 мг/кг УДЧ Ti02 (III гр.) отмечены среди таких органов, как селезёнка (на 24,6%), печень (на 18,5%) и почки (на 14,5%) при сравнении с контрольным аналогом. Примерно одинаковому увеличению массы лёгких и головного мозга (на 6,33 и 6,03% относительно контроля) способствовали УДЧ Ti02 в данной концентрации (рис. 1 в).
Примечательно, что концентрация 133,3 мг/кг УДЧ Ti02 (IV гр.) способствовала равномерному увеличению массы таких органов, как почки, головной мозг и печень, на 9,39; 8,65 и 6,02% при сравнении с контрольным образцом (рис. 1г).
Однако максимальное увеличение массы было отмечено у такого органа, как селезёнка (на 22,0% относительно контроля). Концентрация УДЧ ТЮ2 в количестве 133,3 мг/кг (IV гр.) приводила к изменениям в сторону уменьшения массы лёгких на 4,99%, в отличие от контрольного аналога.
Было изучено влияние УДЧ Т и ТЮ2 на поведенческую активность крыс. При введении УДЧ
о.
о
га 2
» о
X
га >—
а а я
ш
о
X £ о. о га
га
о.
О га
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00
8,00 6,00 4,00 2,00 0,00
□ Контроль 0 8 мг/кг УДЧ Ti
Печень Почки Лёгкие Селезёнка Гол. мозг
а
□ Контроль S 80 мг/кг УДЧ Ti
ГШ
А
Печень Почки Лёгкие Селезёнка Гол.мозг б
□ Контроль 0 13,3 мг/кг УДЧ ТЮз
1ЕЗД
Печень Почки Лёгкие Селезёнка Гan. мозг
в
□ Контроль
Ei 133.3 мг/кг УДЧ ТЮг
1R3
Лёгкие
г
Селезёнка Гол. мозг
Рис. 1 - Изменение массы внутренних органов после введения различных концентраций УДЧ Ti и TiO2:
а) 8 мг/кг УДЧ Ti (I гр.); б) 80 мг/кг УДЧ Ti (II гр.); в) 13,3 мг/кг УДЧ TiO2 (III гр.); г) 133,3 мг/кг УДЧ TiO2 (IV гр.)
Ti в дозировке 8 мг/кг (I гр.) на 1-е сутки эксперимента у крыс отмечается снижение ГДА на 14,0% (Р <0,01), ВДА - на 7%, на фоне снижения общей ДА произошло увеличение уровня тревожности и страха: груминга - на 61,0% (Р <0,01), дефекации - на 18,0%, при этом также увеличилась ориентировочная активность в 2 раза (Р <0,05) относительно контроля. На 1-е сутки после введения УДЧ Ti в дозировке 80 мг/кг (II гр.) активность животных изменялась по такому же принципу: снижалась ГДА на 17,0% (Р <0,05) и ВДА - на 7,0% относительно контрольных значений, гру-минг увеличился на 64,0% (Р <0,001), количество фекальных болюсов - на 22,0%, ориентировочная деятельность - на 50,0% (Р <0,001) при сравнении с контролем.
На 7-е сутки после введения УДЧ Ti ДА в опытных группах относительно контрольных значений увеличилась. При этом в I гр. ГДА увеличилась на 15,0% (Р<0,01), ВДА - на 68,0% (Р<0,01), уровень эмоционального напряжения также увеличился - груминг - на 63,0% (Р <0,001), ориентировочная деятельность - на 40,0% (Р <0,05). Во II гр. ГДА увеличилась относительно контроля на 26,0% (Р <0,001), ВДА - на 67,0% (Р <0,001), груминг - на 65,0% (Р<0,01), дефекация - на 6,0%, число обследуемых отверстий - на 17,0% (Р<0,001). Следует также отметить, что на 7-е сутки эксперимента двигательная активность во II гр. была выше, чем в I гр. К 7-м суткам после введения УДЧ ТЮ2 картина менялась следующим образом: наибольшая чувствительность отмечалась в III гр., при этом в ней отмечена активность больше, чем в IV и в контрольной гр. Относительно контроля в III гр. увеличился уровень ГДА на 27,0% (Р <0,001), ВДА - на 69,0% (Р <0,01), груминг - в 3 раза (Р <0,05). Уровень ГДА и ВДА в IV гр. относительно контроля был выше на 18,0% (Р <0,05) и 48,0% (Р <0,001) соответственно. Однако относительно III гр. эти показатели снижались: ГДА - на 11,0% и ВДА - на 40,0%. В опытных группах замечено также увеличение показателей груминга по сравнению с контролем
в III гр. на 67,0% (Р <0,05), а в IV гр. - на 65,0% (Р<0,001).
На 14-е сутки эксперимента отмечена та же закономерность, что и на 7-е сутки эксперимента. При этом в I гр. уровень ГДА и ВДА относительно контроля увеличился на 7,5 и 33,0% (Р <0,01), груминг усилился в 6 раз (Р <0,001), а ориентировочная деятельность и количество актов дефекации незначительно снизились (рис. 2а, 2б).
Во II гр. ГДА и ВДА увеличились относительно контроля на 23,0% (Р <0,01) и 50,0% (Р <0,001) соответственно. В III гр. ГДА увеличивалась на 22,0% (Р <0,001), ВДА - на 48,0% (Р <0,01), груминг - на 87,0% (Р <0,001) по сравнению с контролем. В IV группе повышалась ВДА относительно контроля на 12,0% и груминг - на 77,0% (Р <0,01), уровень ГДА незначительно повышался, а уровень ориентировочной активности в III и IV гр. относительно контроля снижался на 31,0% (Р<0,01) и 38,0% (Р <0,05) соответственно.
Необходимо отметить, что уровень активности в контрольной группе к 7-м суткам снижался, что говорит о наличии эффекта привыкания, а к 14-м суткам немного увеличивалась, в опытных же группах активность увеличивалась от 1-х суток к 14-м, причём высшая активность отмечалась во II группе.
Выводы. Исследования влияния УДЧ Ti и Tiü2 на ориентировочно-поведенческую и двигательную активность животных были в тесте «Открытое поле». Результаты наших исследований показали, что УДЧ Ti и TiO вызвали серьёзные последствия нарушения двигательной активности животных и их эмоционального поведения. В тесте «Открытое поле» показано увеличение тревожного индекса крыс, что может быть связано с окислительным повреждением в центральной нервной системе (ЦНС). ЦНС является потенциально восприимчивой к воздействию данных частиц.
В результате изучения изменения абсолютной массы тела животных, внутренних органов и головного мозга крыс зафиксировано увеличение данных показателей в опытных группах относительно контроля, что может быть вызвано накоплением УДЧ
а а
Рис. 2 - Изменение эмоционального состояния крыс после введения различных концентраций УДЧ Т1 и Т1О2:
а) груминг, б) дефекация
Ti и TiÜ2 в органах и тканях организма крыс. УДЧ, накапливаясь в головном мозге, нарушают тем самым кровообращение, что в свою очередь может влиять на целостность эндотелия клеточной мембраны и нарушение гематоэнцефалического барьера.
Полученные результаты изменения уровня двигательной активности животных, эмоционального напряжения и ориентировочной деятельности свидетельствуют о зависимости данных параметров не только от площади поверхности, размера частиц, поверхностно-активного заряда и др., но и дозировки и времени экспозиции. Полученные данные об изменении двигательной активности животных предполагают, что УДЧ металлов и их оксиды наряду с цитотоксичностью, высокой скоростью проникновения через гематоэнцефалический барьер и др. обладают потенциальным нейротоксическим эффектом в отношении биологических объектов.
Литература
1. Owen R., Depledge M. Nanotechnology and the environment: Risks and rewards / Marine Pollution Bulletin. 2005. Vol. 50, № 6. P. 609 - 612.
2. Besov A.S., Krivova N.A., Vorontsov A.V., Zaeva O.B. et al. Air detoxification with nanosize TiO2 aerosol tested on mice / Journal of Hazardous Materials. 2010. Vol. 173. P. 40 - 46.
3. Salomon M. Risks of synthetic nanomaterials for human health / Umweltmedizin in Forschungund Praxis. 2009. Vol. 14, № 1. P. 7 - 22.
4. Afaq F., Abidi P., Matin R. et al. Cytotoxicity, pro-oxidant effects and antioxidant depletion in rat lung alveolar macrophages exposed to ultrafine titanium dioxid / Toxicology. 1998. Vol. 18. Р. 307 - 312.
5. Jones C.F., Grainger D.W. In vitro assessments of nanomaterial toxicity / Advanced Drug Delivery Reviews. 2009. Vol. 61. P. 438 - 456.
6. Rotenberg A., Muller P., Birnbaum D. et al. Seizure suppression by EEG-guided repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat / Clinical Neurophysiology. 2008. Vol. 119. P. 2697 - 2702
7. Warheit D.B., Webb T.R., Sayes C.M. et al. Pulmonary instillation studies with nanoscale TiO2 rods and dots in rats: toxicity is not dependent upon size and surface area / Toxicological Sciences. 2006. Vol. 91, № 1. P. 227 - 236.
8. Wang J.J., Sanderson B.J.S., Wang H. Cyto- and genotoxicity of ultrafine TiO2 particles in cultured human lymphoblastoid cells / Mutation Research. 2007. Vol. 628. P. 99 - 106.
9. Лоскутова Л.В., Дубровина Н.И. rAMKb-рецепторы и амнезия мышей с альтернативными стереотипами поведения / Экспериментальная и клиническая фармакология. 2007. № 3. С. 10 - 12.
10. Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских технологиях / под ред. Н.Н. Каркищенко, С.В. Грачева. М., 2010.
Влияние аэроионизации на динамику абсолютной массы яичника куриных эмбрионов
Е.Е. Бирюкова, аспирантка, Р.Ю. Хохлов, д.б.н., ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ
Аэроионизация воздуха, как показывают исследования, может использоваться для оптимизации воздушной среды при выращивании животных и птицы [1-4].
Проведены исследования по изучению влияния отрицательных аэроионов кислорода на эмбриональное развитие сельскохозяйственной птицы [5, 6]. В этих исследованиях установлено, что отрицательные аэроионы способствуют повышению выводимости цыплят, оказывают влияние на морфометрические показатели печени куриных эмбрионов, оказывают положительное влияние на постэмбриональное развитие бройлеров.
В доступной литературе мы не обнаружили сведений о влиянии аэроионизации на репродуктивную систему животных и птиц. На наш взгляд, многие вопросы морфогенеза органов размножения млекопитающих и птиц остаются открытыми, несмотря на многочисленные исследования этой проблемы [7, 8].
Цель исследования - изучение влияния аэроионизации на рост яичника куриных эмбрионов.
Материал и методы исследования. Для инкубации использовали инкубационное яйцо кросса Родонит-3, ОСТ 10321 - 2003, вес 64 - 73 г, линия Р35678.
Объектом исследования являлись куриные эмбрионы. Материалом для исследования являлся яичник куриных эмбрионов. Для проведения опыта было сформировано 2 группы яиц, по 180 в каждой группе. Инкубацию яиц осуществляли в инкубаторах марки ИГБ-200 с автоматическим поворотом яиц. Яйца контрольной группы инкубировались в соответствии с рекомендациями ВНИТИП по инкубации яиц сельскохозяйственной птицы. Яйца опытной группы инкубировались при искусственной аэроионизации.
В качестве источника отрицательных аэроионов применялся аэроионизатор «Эффлювион»-3.1, изготовленный в ООО «НПЦ «Альфа-РИТМ» (сертификат соответствия №РОСС RU.ME15.B01404). Санитарно-эпидемиологическое заключение № 13.01.04.346.П.000212.08.06. Ежедневно в одно и то же время проводились сеансы аэроионизации продолжительностью 3 часа с концентрацией отрицательных аэроионов 75 103 ион/см3.
Для морфологических исследований ежедневно с 11- по 19-суточный возраст методом случайной выборки отбирали яйцо в количестве 5 - 6 шт. Отбор осуществлялся в одно и то же время.
Анатомический уровень исследований включал: вскрытие грудобрюшной полости, препарирование яичника. Извлечённый яичник взвешивали на весах Adventurer AR-2140.
Полученный цифровой материал подвергали статистической обработке: рассчитывали среднюю
