Вплив наночастинок нітриду титану на ультраструктуру респіраторного відділу легень щурів у хронічному експерименті Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»



EFFECT OF TITANIUM NITRIDE NANOPARTICLES ON THE ULTRASTRUCTURE OF THE RAT LUNG IN THE CHRONIC EXPERIMENT

Yavorovskyi O.P., Stechenko L.O., Solokha N.V., Kryvosheieva O.I., Chukhrai S.M.

ВПЛНВ НАНОЧАСТИНОК Н1ТРИДУ ТИТАНУ НА УЛЬТРАСТРУКТУРУ РЕСП1РАТОРНОГО В1ДД1ЛУ ЛЕГЕНЬ ЩУР1В У ХРОН1ЧНОМУ ЕКСПЕРНМЕНТ1

ЯВОРОВСЬКИЙ О.П., СТЕЧЕНКО Л.О., СОЛОХА Н.В., КРИВОШЕ6ВА О.1., ЧУХРАЙ С.М.

Нацюнальний медичний унiверситет iM. О.О. Богомольця, м. КиТв

УДК 541.4-022.513.2:616.24: 57.012.4:57.084

Ключовi слова: нанопорошок нiтрид титану, плазматичнi клiтини, пневмосклероз.

аноматерiали у науцi та техыщ CTpiMKO впроваджуються в yci галузi промисловостi i, як правило, створюють певну небез-пеку для здоров'я операторiв, зайнятих виготовленням i за-стосуванням нанопорошкiв i наноматерiалiв. Це пояснюеть-ся тим, що нанопорошки харак-теризуються унiкальними фiзи-ко-механiчними та хiмiчними властивостями на вщмЫу вiд ïхнiх макроформ [1]. Затре-буваними у наш час е нанопо-рошки тугоплавких безкисне-вих сполук металiв, зокрема нанокомпозитного ытриду титану, який використовуеться не лише у промисловостi як тугоплавка, термостшка сполука для покриття виробiв з металу, а й в ортопедп для виготовлен-ня корегуючих пластин, iмплан-тiв та протезiв [2]. Нанонiтрид титану CAS номер 25583-20-4 мае таю фiзико-хiмiчнi характеристики: середнм розмiр 20 нм, колiр - вугiльно-чорний, високу температуру плавлення - 2950оС, площу поверхш - 5080 м2/г, густину нанофази -0,08 г/см3, дмсну густину -

5,22г/см3, значну твердють, високотемпературну хiмiчну стабiльнiсть, високi термальн властивостi (теплопровiднiсть). Крiм того, нанопорошку нiтриду титану властива висока стм-кiсть до механiчних впливiв i ушкоджень.

У лабораторiï фiзико-хiмiï i технологи нанокерамки i наноком-позитiв 1нституту проблем мате-рiалознавства iм. 1.М. Фран-цевича НАН Укра'ши розроб-ляеться i вщпрацьовуеться на дослiднiй установцi технолопч-ний процес одержання нанопорошку штриду титану методом термiчного синтезу. ВЫ е бага-тостадiйним з ручними опера-цiями, тому може характеризу-ватися негативним впливом на оргаызм операторiв наноуста-новки низки шюдливих факторiв виробничого середовища i трудового процесу. Як показали нашi дослiдження [3], провд ним чинником виступае забруд-нення пов^ря робочоï зони пиловими частинками, як ульт-рамiкроскопiчними, так i нано-дiапазону (рис. 1 i 2). Пиловi частинки можуть потрапляти на

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НИТРИДА ТИТАНА НА УЛЬТРАСТРУКТУРУ РЕСПИРАТОРНОГО ОТДЕЛА ЛЕГКИХ КРЫС В ХРОНИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ Яворовский А.П., Стеченко Л.А., Солоха Н.В., Кривошеева А.И., Чухрай С.М Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев

В статье представлены данные собственных экспериментальных исследований по выявлению влияния наночастиц нитрида титана на организм операторов, работающих c наноуста-новками. Цель исследования заключалась в изучении влияния нанопорошка нитрида титана на ультраструктуры легких подопытных животных при интратрахеальном введении в хроническом эксперименте.

Материалы и методы. Проводилось электрон-номикроскопическое исследование ультраструктурных изменений легких на белых крысах массой 170-200 г. Материал для исследования (легкие) забирали через определенные сроки с момента введения. На ультратоме LKB III (Швеция) изготавливались ультратонкие срезы, которые окрашивались и фотографировались под электронным микроскопом ПЭС-125К при

увеличениях в 4,8-20 тысяч раз. Результаты. Ультраструктурный анализ легких показал, что через сутки после введения наночастиц нитрида титана они оказывались в части альвеол, их действие было направлено на повреждение аэрогематического барьера; респираторный, альвеолярный эпителий частично потерпел десквамации. Через 7 суток отмечался отек респираторного эпителия и его отслоение от базальной мембраны, увеличилось количество коллагеновых и эластических волокон. Увеличение срока наблюдения до 6 месяцев после введения наночастиц показало отек респираторного эпителия, расширение базальных мембран и разрастание коллагеновых волокон. В просвете альвеол наблюдались плазматические клетки, отвечающие за гуморальный иммунитет. Через год после начала эксперимента также отмечался пневмосклероз. Выводы. Таким образом, увеличение срока наблюдения указывает на развитие пневмоскле-роза в паренхиме легких, как результат - нарушение газообмена и гемомикроциркуляции. Ключевые слова: нанопорошок нитрид титана, плазматические клетки, пневмосклероз.

© Яворовський О.П., Стеченко Л.О., Солоха Н.В., Кривошеева О.1., Чухрай С.М. СТАТТЯ, 2017.

№ 2 2017 Environment & Health 4

шюру, слизовi оболонки, спец-одяг оператора.

Мета нашого дослщження полягала у вивченнi вппиву нанопорошку нiтриду титану на упьтраструктуру пегень тддос-пiдних тварин за умови Ытра-трахеального ввецення у хро-нiчному експериментi.

Матерiали та методи дослiдження. Електронномк-роскопiчне цоспiцження ульт-Рисунок 1 Молекулярна модель сполуки TiN

ФУНДАМЕНТАЛЬН1 ДОСЛЩЖЕННЯ =

Рисунок 2 Електронограма наноштриду титану. Позитивний контраст. Збльшення1:100 000

раструктурних змiн пегень проводили на 20 бших щурах масою 170-200 г, кожному з яких штратрахеально вводили 1 мл суспензи ультрамкроско-пiчного порошку нiтрицу титану у дозi 50 мг на фiзiопогiчному розчинi. Матерiап для дослщ-ження (легеш) забирали за 1 цобу, 7 дiб, 6 мiсяцiв та 1 рк з моменту ввецення. Контролем слугували пегенi бiпих щурiв, якi перебували в умовах вiва-рiю без експериментальних втручань, а також легеш бших щурiв, яким штратрахеально вводили 1 мл фiзiопогiчного розчину.

Шматочки легень експериментальних щурiв фiксувапи в 1% розчинi чотирьохокису осмю за Копфiпьцом. Зневод-нювали у спиртах зростаючоТ' концентраци (70%, 80%, 90%, 100%) та ацетош. Заливали у сумш епон-аралдит згщно з загальноприйнятою методикою [4]. З отриманих блоюв виготовляли натвтоню зрiзи, якi забарвлювали толуТдино-вим сишм та за Хаят. Пюля при-цiпьноí орieнтацií на натвтон-ких зрiзах на упьтратомi LKB III (Шве^я) виготовляли ультратоню зрiзи, якi контрастували 2% розчином урашлацетату та

цитратом свинцю. Препарати досшджували та фотографува-ли тд електронним мкроско-пом ПЕМ-125К при збтьшен-нях у 4,8-20 тисяч разiв.

Результати дослiдження. Ультраструктурний аналiз легень за умов впливу наночасто-чок штриду титану показав, що за добу пiсля введення в альвеолах рестраторного вщдшу спостерiгаються наночастинки розмiром 25-45 нм. Вони утво-рюють конгломерати з декть-кох частинок (рис. 3А, 3Б).

У тих альвеолах, де присутш наночастинки, респiраторний епiтелiй частково десквамова-ний або ж лiзована плазмоле-ма, при цьому фрагментуеться базальна мембрана, i у просв^ альвеоли виступають компо-ненти мiжальвеолярних септ (колагеновi та еластичнi волокна). Базальна мембрана крово-носних капiлярiв також локально ушкоджуеться, i форменi елементи крови проникають у просвiт альвеол. У частини альвеол конгломерати наночасти-нок оточен мембраною аль-веолярних макрофагiв (рис. 4А), як захоплюють Тх, та кли тинний детрит вщ секреторних альвеолоцитiв, що продукують сурфактант. Функцiя цих кттин Рисунок 3

Легенi за 1 добу шсля введення наночастинок штриду титану

Наночастинки (4-) прикр1плен1 до плазматичноI Електронном1кроскоп1чне фото, мембрани у ^ просвт1 альвеол (1). Зб.: А - 12000; Б - 12000.

Просвт капляра (2).

5 Environment & Health №2 2017

також порушена, про що свщ-чить формування ламелярних тшець.

Вони переважно неоднор1дн1, зменшена к1льк1сть ламел, набрякл1 або ж утворюють г1гантськ1 т1льця, як1 витюняють ядро та 1нш1 органели. Така кл1-тина вже не спроможна утво-рювати сурфактантний комплекс (рис. 4Б).

Отже, за 1 добу топя введен-ня наночастинок н1триду титану вони виявлялись у частин альвеол, та Тхня д1я була спрямо-вана на пошкодження аероге-матичного бар'еру, оскшьки респ1раторний, альвеолярний еп1тел1й частково зазнавав десквамаци, а його базальна мембрана була вщсутня або ж деструктурована за рахунок порушення пошарового розта-шування II компонент1в. Пщ-вищена к1льк1сть макрофаг1в та плазматичних кштин, пор1вня-но з контрольною групою, вка-зуе на активацю гуморальноТ ланки 1мун1тету. Ус1 в1дзначен1 нами зм1ни паренх1ми легень були вогнищевими I мали реак-тивний характер.

За 7 д1б п1сля введення наночастинок штриду титану вони виявляються у просв1тах альвеол значно у меншм к1лькост1, н1ж у попередн1й терм1н дослщ-ження. Часточки, як правило, були прикртлеш до мембран або ж розм1щувались у кттин-ному детрит! макрофаг1в разом з залишками 1нших органел (рис. 5).

Газообм1н при цьому порушу-вався, доказом чого е набряк рестраторного еттелю та його в1дшарування в1д базаль-ноТ мембрани. У м1жальвеоляр-них септальних перетинках збшьшуеться к1льк1сть колаге-нових та еластичних волокон, як1 можуть стимулювати

запальн! процеси.

Як I у попередшй терм1н спо-стереження, актив1зуеться макрофагальна система, св1д-ченням чого е накопичення блукаючих макрофапв у про-св1т1 альвеол, а також прол|фе-рац1я прикр1плених макрофапв та макрофапв сполучноТ ткани-ни септальних простор1в.

Зб1льшення терм1ну спосте-реження до 6 м1сяц1в п1сля введення наночастинок н1триду титану показало наявнють поодиноких наночастинок у цитоплазм! блукаючих макрофапв, в яких вщзначалася велика кшькють первинних, вторинних (фагосом) л1зосом та залишкових т1лець, що мютять ламелярн1 т1льця сек-реторних альвеолоцит1в та поодинок1 наночастинки.

Газообм1н пошкоджувався, по-перше, за рахунок неякюно-го продукування секреторними кттинами сурфактанту та його десквамаци разом з плазма-тичними мембранами у просв1т альвеол, по-друге, внаслщок порушення структурноТ оргаш-зац1Т таких компонент1в аероге-матичного бар'еру, як рестра-торний еп1тел1й, його набряк, розширення базальних мембран та розростання там кола-генових волокон, що також призводить до ускладнення газообмшу. Як I у попередш терм1ни спостережень, за 6 мюяц1в у просв1т1 альвеол спо-стер1гаються плазматичн1 кш-тини, як1 вщповщають за гумо-ральний 1мун1тет. Секреторш кл1тини дещо краще збережен1, але Т'хш ламелярн1 т1льця, як1 е неповноцшними, виходять за меж1 кштин I можуть поглинати-ся макрофагами. Таким чином, збшьшення терм1ну спостере-ження вказуе на розвиток пневмосклерозу у паренх1м1

Легенi за 1 добу шсля введення наночастинок

легень I, як результат - порушення газообмшу та гемомк-роциркуляцп.

За 1 рк п1сля початку експе-рименту також в1дзначаеться пневмосклероз. М1жальвео-лярн1 перетинки розширен1 з розростанням колагенових та еластичних волокон. У просвт альвеол е поодиною наночастинки штриду титану. У респ1-раторному еттелп спостер1га-еться в1дсутн1сть органел метабол1чного плану, присутн1 т1льки у невеликш к1лькост1 м1кроп1ноцитозн1 пухирц1, як1 беруть участь у транспортних процесах, та мкрофшаменти. Ендотел1альне вистелення стоншене до розм1р1в двох плаз ма тичних мембран. Локально воно вщшарову-еться в1д базальноТ мембрани, яка розпушена та мае гомо-генну структуру, а в ТТ зош роз-м1щен1 колагенов1, еластичн1 волокна та основна речовина, як1 випинаються у просв1т кро-воносних капшяр1в, утруд-нюючи на цш д1лянц1 газо-обм1н. Сл1д вщзначити, що у цей терм1н дослщження спо-стер1гаються «вуал1», утворен1 виростами рестраторного еп1тел1ю, як1 перекривають альвеолу у мюцях обтурац1Т' просв1т1в кровоносних капшя-р1в макрофагами та плазмо-цитами.

Частково у рестраторному в1дд1л1 легень вщновлюеться структурна орган1зац1я його компоненлв, але при цьому збер1гаеться велика кшькють колагенових волокон у м1жаль-веолярних перетинках та дея-ких дшянках аерогематичного бар'еру.

Висновки

1. Технолопчний процес одержання нанопорошку н1т-риду титану методом термо-Рисунок4

штриду титану

Електронномкроскопчне фото. А - макрофаг (1). КлТинний детрит (I). Зб. - 12000.

Б - секреторний альвеолоцит з пошкодженими ламелярними тльцями. Зб. - 12000.

№ 2 2017 ёэттошжг & Иеаьти 6

EFFECT OF TITANIUM NITRIDE NANOPARTICLES ON THE ULTRASTRUCTURE OF THE RAT LUNG IN THE CHRONIC EXPERIMENT Yavorovskyi O.P., Stechenko L.O., Solokha N.V., Kryvosheieva O.I., Chukhrai S.M. National O.O. Bohomolets Medical University, Kviv

Data of our experimental studies on the detection of the effect of titanium nitride nanoparticles on the body of the operators working with nanofacilities are presented in the article.

Objective. We studied the effect of titanium nitride nanopowder on the ultrastructures of the lungs of the experimental animals at the intratracheal introduction in the chronic experiment. Materials and methods. We performed the electronic microscope study of the ultrastructural changes in the lungs of white rats of 170-200 g weight. Material for the study (lungs) was taken within definite terms from the moment of introduction. Ultrathin sections were made on ultratom LKB III (Sweden). They were painted and photographed under electronic microscope PEM-125K at a magnification of 4.8-20 thousand diameters.

Results. Ultrastructural analysis of the lungs showed that in 1 day after the introduction of titanium nitride nanoparticles they were identified in the part of alveoli and their effect was directed to the damage of aerohematic barrier; respiratory, alveolar epithelium partially suffered a desquamation. In 7 days an edema of the respiratory epithelium and its detachment from the basal membrane were noted, a number of collagen and elastic fibers were increased. Increase of the observation period to 6 months after the introduction of nanoparticles demonstrated the edema of respiratory epithelium, basal membrane expansion, and proliferation of collagen fibers. Plasma cells, responsible for humoral immunity, were observed in the lumen of the alveoli. Pneumosclerosis was noted in a year after the beginning of the experiment as well. Conclusions. Thus, increase of the period of observation points to the development of pneu-mosclerosis in lung parenchyma and, as a result, the violations of gas exchange and hemomicrocir-culation.

Keywords: titanium nitride nanopowder, plasma cells, pneumosclerosis.

синтезу характеризуемся впливом на пра^вниюв низки шюдливих виробничих чинни-юв, серед яких специфiчним i потенцмно небезпечним е пил наночастинок штриду титану, який iз пов^ря робочоТ зони може потрапити Ыгаляцмним шляхом та забруднювати Рисунок 5 Легеш за 7 дiб шсля введення наночастинок штриду титану

Клтинний детрит (1) у просвт альвеол. Аерогематичний бар'ер.

EneKTp0HH0MiKp0CK0ni4He

фото. Зб.: А - 8000, Б - 12000.

Рисунок 6 Легеш за 6 мюящв шсля введення наночастинок штриду титану. Скупчення макрофапв. Наночастинки

Електронномкроскопчне фото. Зб.: А - 9500.

шк1ру, спецодяг i поверхш тех-нолопчного обладнання.

2. Електронномiкроскопiчне дослщження показало, що у легенях щурiв на раншх етапах експерименту (1 та 7 доба) наночастинки спостеркались у просвт альвеол та кттинному детрит десквамованих аль-веолоцитв. Результатом ТхньоТ дм е пошкодження аерогема-тичного бар'еру i розвиток запальних процеав. При збть-шенш термшу спостереження (6 мюящв та 1 рк) поодиною частинки виявлялись у макрофагах або ж у десквамованих елементах сурфактанту. Змши у структурах рестраторного ввдшу легень супроводжують-ся дистрофiчними пошкоджен-нями альвеолоцитв, збшьшен-ням кшькост сполучнотканин-них волокон, ущшьненням базальних мембран та розвит-ком пневмосклерозу.

3. Одержан результати свщ-чать про необхщнють подаль-шого доотдження токсиколо-пчних властивостей нанопо-рошку нiтриду титану в експе-риментах на лабораторних тва-ринах та вивчення Тхнього впливу на стан здоров'я опера-торiв у реальних виробничих умовах з метою ппешчного контролю вмюту Тх у повiтрi робочоТ зони.

Л1ТЕРАТУРА

1. Chen Z., Meng H., Xing G., Chen Ch., Zhao Yu. Toxicological and biological effects of nano-materials. International Journal of Nanotechnology. 2007. № 4 (1-2). P. 179-196.

2. van Hove R.P., Siere-

velt I.N., van Royen B.J., Nolte P.A. Titanium-Nitride Coating of Orthopaedic Implants: A Review of the Literature. BioMed Research International. 2015.doi:10.1155/2015/485975

3. Яворовський О.П., Широбоков В.П., Веремей М.1., Боби В.В., ЗЫченко Т.О., Морозов В.Н. Методичш тдхо-ди до ппешчного контролю над вмютом наночастинок у пов^ робочоТ зони при отриманш силiцидiв метапiв методом високоенергетичноТ механоак-тивацiТ. Журнал НАМН Украши. 2012. № 1. С. 126-130.

4. Карупу В.Я. Электронная микроскопия. Киев : Вища школа, 1984. 208 с.

REFERENCES

1. Chen Z., Meng H., Xing G., Chen Ch. & Zhao Yu. International Journal of Nanotechnology. 2007 ; 4 (1-2) : 179-196.

2. van Hove R.P., Sierevelt I.N., van Royen B.J. & Nolte P.A. BioMed Research International. 2015. doi:10.1155/2015/ 485975

3. Yavorovskyi O.P., Shyrobokov V.P., Veremei M.I., Boby V.V., Zinchenko T.O. & Morozov V.N. ZhurnalN atsional-noi Akademii Medychnykh Nauk Ukrainy. 2012 ; 1 : 126-130

(in Ukrainian).

4. Karupu V.Ya. Elektronnaia mikroskopiia [Electronic Microscopy]. Kiev : Vyshcha Shkola ; 1984 : 208 p.

(in Russian). Надiйшла до редакцИ 21.11.2016

7 Environment & Health №2 2017