Токсичность наноматериалов: продолжение.

Исследования по токсичности наноматериалов и их влиянию на живую природу влияния в первую очередь проводились в лаборатория, так называемые исследования «In Vitro», что в переводе с латинского означает – в пробирке, в искусственных условиях.

Одни из первых наночастиц с уникальными свойствами, известные ученым с давних пор являются металлические наночастицы и образуемые ими нанокластеры. Среди всех металлических наноматериалов следует выделить наночастицы золота и серебра.

Коллоидное золото.

Коллоидное золото известно еще с древности и использовалось в лечебных целях. С XX века золото стало применяться в изучении оптических и фрактальных свойств, механизмов агрегации и стабилизации коллоидов, биологии и медицине, физике и аналитической химии.

Учеными было доказано, что типы и способы модификации поверхности наночастиц золота оказывают воздействие на развитие токсического эффекта (in vitro), а также на функциональную активность макрофагов. Изучение токсичности наночастиц золота на эмбрионах показало, что эмбриотоксические свойства сильнее проявляются у наночастиц размером 0,8 нм, чем 1,5 нм. В тоже время тератогенный эффект характерен вне зависимости от их размера. [8]
                                                                         Наночастицы серебра.

Наночастиц серебра размером 5-50 нм обладают сильной антибактериальной и цитотоксической активностью по отношению к гепатоцитам крыс. Механизм развития токсичности связан с окислительным стрессом, нарушением функций митохондрий и увеличением проницаемости мембраны. Однако , ингаляционное воздействие наночастицами серебра на крыс в концентрации 1,73·10⁴ – 1,23·10⁶ частиц/см³ в течение двадцати восьми дней не выявило значимых изменения в массе тела и больших отклонений от контрольной группы биохимических показателей периферической крови. Это соответствует требованиям американской конференции (ACGIH), установившей предельно допустимую концентрацию наночастиц серебра в воздухе – 2,16·10⁶ частиц/см³. Токсичность наночастиц серебра зависит от используемых клеточных линий (in vitro) и включения наночастиц в дендримеры.[4, 7, 9]

Наночастицы кадмия, хрома, меди, никеля и цинка.

Исследования токсичности наночастиц кадмия, хрома, меди, никеля и цинка на водной культуре дафний (Daphnia magna) показали, что медь и цинк проявляют похожую токсичность, которая усиливается при низком значениях pH (кислотно-щелочной среды). При этом добавление ЭДТА в среду снижало токсическое воздействие обоих меди и цинка, тогда как тиосульфат натрия снижал только токсическое воздействие меди. Проявление токсических свойств других металлов так же зависело от кислотно-щелочной среды.[4, 7]

Наночастицы титана.

Наиболее широко используемым в настоящее время , как в чистом виде, так и в составе наноматериалов оксид титана. Токсикологические исследования тонких (250 нм) и ультратонких (20 нм) TiO₂ при ингаляционном введении крысам показали, что частицы размером 20 нм


способны накапливаться в лимфоидных тканях , обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга. Основным механизмом токсического действия наночастиц оксида титана является индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров наночастиц, но и от того какой структурой представлен TiO_2..[4, 7]

Наночастицы алюминия.

Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез м-РНК. Вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий и т.д.[4, 7]

Наночастицы ванадия.

Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН^- - радикалы, который в дальнейшем окисляет липиды.[5, 7]
                                                                      Углеродные нанотрубки.


Исследование углеродных нанотрубок (in vitro) в культуре клеток эпидермальных кератоцитов человека и мыши показало, что углеродные нанотрубки проникают через мембрану, аккумулируется внутри клетки и индуцируют апоптоз. Одно стенные углеродные нанотрубки в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл ингибируют пролиферацию эмбриональных клеток человеческой почки. При пероральном введении растворимые в воде углеродные нанотрубки распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Много стенные углеродные нанотрубки снижают жизнеспособность клеток. [3, 6]

Наночастицы кремния.

Исследования цитотоксичности диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц (in vitro) на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является предельной, ниже которой токсические эффекты не наблюдаются. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны и некроз клеток. Использование культуры клеток бронхоальвеолярной карциномы человека показали цитотоксический эффект наночастиц диоксида кремния размером 15 и 46 нм. Наночастицы на основе полистирола (30, 100 и 300 нм) при пероральном введении способны проникать в печень и селезенку.[5, 7]
 

Исследования по токсичности наноматериалов и их влиянию на живую природу проводимые на живых организмах, не в лабораторных условиях, исследования «In Vivo», что в переводе с греческого означает - живой, на живом.

Наночастицы железа.

Исследования воздействия наночастиц железа на живые организмы, на мышей, крыс, крупно рогатый скот, птиц, рыб, некоторые растительные объекты описанные в монографии Коваленко и Фолманиса «Биологически активные нанопорошки железа».

Так, острое пероральное введение мышам суспензии наночастиц железа в дозе 50, 100 и 500 мкг/кг не вызывало каких-либо токсических эффектов. Только дробное введение доз 1000, 2000 и 5000 мкг/кг приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а также сдвигов в гемопоэзе. Хроническое воздействие наночастицами железа в дозах 20 и 40 мкг/кг


в течение 90 дней не приводило к значимым отклонениям от биохимических и гематологических показателей контрольной группы. Кроме того, было показано, что дозы 2 – 6 мкг/кг стимулируют рост животных, бактерицидную активность сыворотки крови и увеличение общего белка в крови. Предпосевная обработка семян нанопорошками железа в концентрации 0,001% положительно влияло на энергию прорастания, однако увеличение концентрации до 0,01% приводило к подавлению прорастания. Была рассчитана оптимальная доза предпосевной обработки (2-6 мг на 1 га), дающей от 5% до 30% повышения урожайности и улучшения товарного вида растительной продукции. Низкая токсичность суспензии оксида железа γ-Fe₂O₃ в комплексе с гуминовыми кислотами была показана на клеточной культуре фибробластов человека. Слабая токсичность, биосовместимость и магнитные свойства железа позволили создать маркер на основе Fe₂O₃, стабилизированного декстраном и цитратом натрия для онкодиагностики (торговое название Синерем). Исследования острой токсичности на крысах и собаках показало, что Синерем проявляет остро-токсические свойства в дозах превышающих 400мг/кг. Изучение хронической токсичности выявило увеличение активности АЛТ и АСТ в крови, ассоциированных с цитоморфологическими изменениями в печени. Синерем не обладал генотоксичностью. Темнее менее были обнаружены некоторые тератогенные эффекты и эмбриотоксичность. Ингаляционное воздействие наночастиц оксида железа размерами 22 и 280 нм на крыс в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках, гиперемию, гиперплазию и фиброз тканей легких. Также было выявлено нарушение системы свертывания крови.[9]

Наночастицы меди.

Изучение токсичности наночастиц меди (23,5 нм), микрочастиц меди (17 микрон) и ионов (CuCl₂) на мышах при пероральном введении позволило рассчитать параметры острой токсичности : 413, 5000 и 110 мг/кг. Органами-мишенями токсического воздействия оказались печень, селезенка, почки. При этом не масса тела животных не изменялась.[7,9]

Наночастицы цинка.

Фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка и его оксида на кукурузе, редисе, огурце показали, что их концентрация 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана пятидесяти процентная ингибиторная концентрация для редьки, которая составила 50 мг/л.

Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний и бактерий выявило летальные концентрации – 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно.

Различия в токсичности наночастиц и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем наночастицы. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, также нано-цинк вызывал анемию и нарушение системы свертывания крови.[7]

Углеродные нанотрубки.


Ученые выяснили что углеродные нанотрубки токсичны для клеток кишечной палочки. Исследователи использовали штамм кишечной палочки со встроенным геном из светящихся морских бактерий. Суспензию клеток смешивали с одностенными углеродными нанотрубками таким образом, чтобы в 1 мл водной суспензии присутствовали 1 млрд. клеток и 0,2 мг частиц, и выдерживали разное время при комнатной температуре. Затем клетки отмывали от нанотрубок и рассматривали с помощью атомно-силового микроскопа. Клетки кишечной палочки, проведшие несколько дней в воде, выглядят как настоящие палочки. Однако после четырех суток инкубации с углеродными нанотрубками поверхность бактерий была деформирована. Клетка частично утрачивает содержимое, из-за чего ее изображение имеет провал в средней части. На 7-8-е сутки содержимое клеток вытекает полностью, и от бактерий остается только сплющенная клеточная оболочка.

Исследователи отмечают, что материал, из которого изготовлены нанотрубки, не оказывает на клетки такого действия. Бактерицидными свойствами обладают именно нанотрубки. Через двое суток инкубации с ними количество живых бактерий в суспензии сократилось вдвое, через 3 суток – более чем на порядок. Очевидно, эти структуры механически разрушают бактериальную клеточную стенку и мембрану под ней.
Таким образом углеродные нанотрубки не только вызывают внешние изменения бактерий и снижают их жизнеспособность, но и влияют на клеточный метаболизм. Уже через час совместной инкубации бактерии в два раза увеличивают потребление кислорода, но к третьему часу оно приходит в норму. Уровень метаболизма удобно также определять по свечению клетки: после инкубации с нанотрубками кишечная палочка с геном морской фотобактерии светится далеко не так ярко, как должна. Уже через сутки биолюминесценция снижается на 45-50%.

Исследования проведенные учеными из НАСА показали, что при впрыскивании наночастиц в дыхательные пути мышей углеродные нанотрубки причиняли значительный вред легким и вызывали гибель нескольких мышей, но при этом фуллерены не наносили никакго вреда.[10]
 

Таким образом видно, что токсичность наноматериалов зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода. Другие способны проникать через тканевые барьеры, внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи, дендримеры различной степени генерации, некоторые типы наноматериалов могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми. Рассматривая выше изложенный материал, можно увидеть, что не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или иное повреждающее действие. Так одни исследователи однозначно обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа, другие же напротив, показали, что они безвредны.


 

Изложенное выше показывает - насколько уникальны по своим свойствам наноматериалы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества.

Токсичность же наноматериалов напрямую связана с их размерами, а значит, с крайне высокой удельной площадью, которая обуславливает высокую химическую активность и высокую способность к проникновению в организм, таким образом получается так, что чем меньше размер материала, тем больше его удельная площадь и тем больше степень токсичности материала.

Используемая литература:

1. Ильин Л.А. , И.В. Саноцкий Методы определения токсичности и опасности химических веществ, 1990. с.440-447.

2. Кардановский В.А. «Наноматериалы: то ли враг, то ли друг?» статья для журнала «Наука и Жизнь» // Электронный ресурс: http://www.nkj.ru/news/6191/?sphrase_id=22217

3. Годымчук А.Ю. Лекции по курсу «Отрасли наноиндустрии и области применения наноматериалов».// Электронный ресурс: http://portal.tpu.ru/SHARED/g/GODYMCHUK/Education.

4. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. с.134.

5. Данилов А. – «Дуализм наночастиц» // Журнал «Российские нанотехнологии» - 2009. Т.41. №5. с.20-21.

6. Carbon nanotubes render E. coli inactive // Электронный ресурс: http://nanotechweb.org/articles/news/6/8/14/1.

7. Г.Г. Онищенко, Б. Г. Бикотько, В.И. Покровский, А. И. Потапов «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» 2007 год. // Электронный ресурс: http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/kontseptsiya-toksikologicheskikh-issledovanii-nanomaterialov.

8. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеглов С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М.: Наука, 2008. с.319.

9. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. с.124.

10. М.П. Кирпичников, К.В. Шайтан Cпециалисты биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова предложили простой и удобный тест для предварительной оценки токсичности наноматериалов // 2009. Электронный ресурс: http://newsru.com.