1407

Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН-радикалы, которые в дальнейшем окисляют липиды.

Попадание мельчайших частиц оксида цинка вызывает инфекционный катар верхних дыхательных путей, который характеризуется резким ознобом, продолжающимся 1,0–1,5 ч. Температура поднимается до 37–38 °С (иногда до 40 °С и выше) и держится несколько часов.

Углеродные нанотрубки, в зависимости от их поступления ворганизм животных, проявляют различную токсическую активность. Так, ингаляция крыс и мышей вызывает воспаление и фиброз (утолщение и появление рубцовых изменений в соединительной ткани, часто возникающее в результате ее воспаления или травмы), накопление нейтрофилов (микрофаги, специальные лейкоциты, одна из форм белых клеток крови – лейкоцитов – у позвоночных животных и человека) и белка в легочной ткани, приводит

кувеличению массы легких и активности лактат-дегидрогеназы (ЛДГ-фермент, участвующийвпроцессе окисления).

Исследование в культуре клеток эпидермальных кератоцитов человека и мыши показало, что УНТ проникают через мембрану, аккумулируются внутри клетки и вызывают старение кожи. Одностенные УНТ в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл приводят

кразрастанию, размножению эмбриональных клеток человеческой почки. При инъекциях растворимые в воде УНТ распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Многостенные УНТ снижают жизнеспособность клеток. Растворы и суспензии, содержащие УНТ, не вызывают аллергических реакций. Одностенные и много-

стенные УНТ отличаются высокой степенью цитотоксичности испособностью вызыватьокислительный стресс.

Фуллерены и водорастворимые формы углерода были внутривенно введены крысам в дозах 15 и 25 мг/кг. Инъекция 25 мг/кг в течение пяти минут привела к смерти двух из двадцати крыс. Фуллерены почти полностью связывались с белками плазмы и подавляли активность печени.

251

При инъекциях ЛД50 индекс опасности для крыс составил 600 мг/кг. Исследования мутагенной активности трех производных С60 на Salmonella thyphimurium и Escherichia coli дали отрицатель-

ный результат. Но все же фуллерены способны аккумулировать ксенобиотики итемсамым усиливатьихтоксичность.

И фуллерены, и углеродные нанотрубки характеризуются высокой аффинитетностью к молекуле ДНК, что делает их потенциальными мутагенами. Однако основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур является индукция активных формкислородаиокислениебиологических молекул [52].

Исследования цитотоксичности неорганических и органических наночастиц, таких как диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц, in vitro на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является пороговой, ниже которой токсические эффекты не наблюдались. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны и некроз клеток. Наночастицы на основе полистирола (30, 100 и 300 нм) при инъекциях способны проникать в печень и селезенку. Инъекции наночастиц полиизобутил-цианоакрилата размером 200 нм в дозе 40 мл/кгприводиликгибели50 % мышей.

Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрофагами (белые кровеносные тельца лейкоцитов). Макрофаги имеют первостепенное значение для сдерживания инфекций и, в случае стимуляции наночастицами, уничтожения раковых клеток. Однако дендримеры не нарушали целостность клеточной мембраны, а лишь расширяли дефектные поры и тем самым способствовали высвобождению цитозольных ферментов ЛДГ и люциферазы (белок-фермент, способный вырабатывать свет). После удаления дендримера из среды утечка ферментов прекращалась. Квантовые точки обладают рядом свойств, делающих их хорошими зондами для медицинской диагностики.

Аккумуляция наночастиц в тканях, богатых липидами

У человека весом 70 кг около 15 % веса тела составляет жировая ткань, иногда она достигает 50 %. Однако эта липидная фракция распределена неравномерно. Головной мозг (ЦНС) яв-

252

ляется органом, богатым липидами, а периферийные нервы окружены миелиновой оболочкой и шванновскими клетками. Все ткани обладают потенциалом для аккумуляции липофильных токсикантов.

При попадании наночастиц в кровь их атакуют макрофаги – клетки-пожиратели, своего рода «полиция» иммунной системы. Но из-за малых размеров наночастиц это происходит не всегда, так как макрофаги улавливают частицы размером > 70 нм. Была обнаружена связь между частотой сердечно-сосудистых заболеваний, аллергии и увеличением концентрации наночастиц. Оказывать влияние на сердце могут и те частицы, которые остались

влегких. Они воздействуют на рецепторы поверхностных пузырьков, связанных с вегетативной нервной системой и функцией сердечного ритма.

Жировая ткань аккумулирует наноразмерные токсиканты вследствие низкой васкуляризации и пониженной скорости биотрансформации. Аккумуляция токсикантов в жировой ткани скорее имеет характер нейтрализации из-за дефицита мишеней для токсичного эффекта. Вместе с тем потенциальная опасность для организма всегда присутствует из-за возможности мобилизации токсикантов из данного компартмента назад

вциркуляцию.

Распределение нанотоксикантов в мозге (ЦНС) или богатой липидами ткани, составляющей миелиновую оболочку периферийной нервной системы, представляет большую опасность. Здесь нейротоксиканты распределяются в непосредственной близости от их мишеней. Токсиканты, удерживаемые в богатой липидами ткани эндокринных желез, могут вызвать гормональные нарушения. Несмотря на гематоэнцефалический барьер, различные нейротоксиканты липофильной природы достигают мозга (ЦНС): анестезирующие вещества, органические растворители, пестициды, тетраэтилсвинец, ртутьорганические соединенияит.д.

Получены данные влияния хрома на уровень холестерина, что может быть фактором риска в развитии атеросклероза и сахарного диабета.

253

Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез м-РНК, вызывать разрастание тканиорганизмапутемобразованияновыхклеток.

Свинец является ядом, действующим на все живое и вызывающим изменения в первую очередь в нервной системе, крови и сосудах. Он влияет на синтез белка. Все соединения свинца действуют в общем сходно. Разница в токсичности объясняется лишь неодинаковой растворимостью их в жидкостях организма, в частности в желудочном тракте. Однако и труднорастворимые соединения свинца подвергаются в кишечнике изменениям, в результате чего их растворимость и всасываемость сильно повышаются.

Удерживание в ретикулоэндотелиальной системе

Определенный процент клеток в каждой ткани и органе выполняет специальную фагоцитную функцию, захватывая микроорганизмы, частицы, коллоидные частицы и т.п. Эта система, известная как ретикулоэндотелиальная система (РЭС), состоит из фиксированных и подвижных клеток (фагоцитов). Эти клетки присутствуют в неактивной форме. Увеличение количества вышеперечисленных микробов и частиц активизирует клетки до точки насыщения. Токсиканты в виде коллоидных наночастиц захватываются РЭС органов и тканей. Распределение зависит от размера коллоидных частиц. В печени удерживаются преимущественно более крупные частицы. Мелкие коллоидные частицы более или менее равномерно распределяются в селезенке, костном мозге и печени. Клиренс коллоидов из РЭС происходит очень медленно, хотя малые частицы быстрее выводятся из организма.

При переходе к наноразмерам происходит гигантский рост отношения числа частиц и суммарной площади их поверхности

кмассе.

В1 мг (10–3 г) вещества (плотности 1 г/см3) в зависимости от размера содержится различное число частиц (для справки – число клеток в организме человека ~1014) (табл. 11.1)

254

Абсорбция через кожу (кожная, перкутантная)

Кожа вместе со слизистыми мембранами отверстий организма покрывает внешнюю оболочку организма. Она представляет собой барьер, препятствующий проникновению в организм физических, химических и биологических агентов, поддерживая единство организма и гомеостаз и выполняя другие физиологические задачи.

Кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, собственно кожи (дермиса) и подкожной ткани (гиподермиса). С токсикологической точки зрения эпидермис представляет наибольший интерес. Он состоит из нескольких слоев клеток. Верхний слой – ороговевшая поверхность расплющенных мертвых клеток (stratum corneum); под ним находится постоянный слой живых клеток (stratum corneum compactum), затем типичная липидная мембрана, под которой расположены слои stratum lucidum, stratum gramulosum и stratum mucosum. Липидная мембрана представляет собой защитный барьер, однако в покрытых волосами частях тела этот барьер минуют волосяные мешочки и каналы потовых желез. Таким образом, абсорбция через кожу может осуществляться по следующим механизмам:

–трансэпидемическая абсорбция путем диффузии через липидную мембрану (барьер) преимущественно липофильных веществ (органических растворителей, пестицидов и т.д.) и в меньшейстепени некоторыхгидрофильных веществ через поры;

–трансфолликулярная абсорбция вокруг ножки волоса в волосяной мешочек, минуя мембранный барьер; данный вид абсорбции имеет место только в волосяных областях кожи;

255

–абсорбция через каналы потовых желез, имеющих площадь сечения от 0,1 до 1 % общей поверхности кожи (относительная абсорбция происходит в этой же пропорции);

–абсорбция через кожу при механическом, термическом или химическом повреждении либо кожном заболевании; здесь кожные слои, включая липидный барьер, нарушаются, открывая путь для попадания внутрь организма токсикантов или опасных агентов. Скорость абсорбции через кожу зависит от многих факторов: концентрации токсиканта, типа наполнителя (среды), присутствия других веществ, содержания влаги в коже, pH, температуры, местного кровотока, потоотделения, площади загрязненной поверхности кожи, толщины кожи, анатомических и физиологических характеристик кожи, связанных с полом, возрастом.

Частицы могут, с одной стороны, достигать дермы (собственно кожи) через или между клетками эпидермы, с другой стороны, проникать в более глубокие слои кожи через потовые железы, волосяные луковицы или даже через сенсорные окончания нервов. В здоровой коже эпидерма обеспечивает превосходную защиту против проникновения частиц. Однако в повседневной жизни кожа может быть повреждена воздействием химикалий, царапинами, гидратацией или сухостью, загаром или патологическими состояниями.

Перенос токсикантов вместе с кровью и лимфой

После абсорбции через любое отверстие в организме токсикант поступает в кровь, лимфу или другие жидкости организма. Кровь представляет основной наполнитель для переноса токсикантов и их метаболитов. Кровь – это жидкий циркулирующий орган, переносящий необходимый кислород и жизненно важные вещества и удаляющий отходы метаболизма. Кровь также содержит клеточные компоненты, гормоны и другие молекулы, участвующие в различных физиологических функциях. Кровь протекает внутри относительно хорошо закрытой циркулирующей системы кровеносных сосудов под высоким давлением.

256

Внутриклеточное равновесие может быть нарушено присутствием и/или поглощением наноматериалов. Концентрация активных форм кислорода может возрасти из-за самой частицы или нарушения пути деградации таких форм. И то и другое вызывает дополнительную выработку активных форм кислорода, которые неконтролируемо взаимодействуют с мембраной клетки, ДНК и/или другими клеточными соединениями, существенно повреждая эти клеточные соединения.

По кровотоку наночастицы могут циркулировать по всему организму и накапливаться в органах и тканях, включая мозг, печень, сердце, почки, селезенку, костный мозг, нервнуюсистему.

Аккумуляция в костях

Около шестидесяти элементов могут быть отнесены к числу остеотропных. Остеотропные элементы можно разделить на три группы:

1.Элементы, являющиеся физиологическими составляющими кости или заменяющие их. Двадцать подобных элементов присутствуют в больших количествах, другие отмечаются в следовых количествах. В условиях хронического воздействия такие металлы, как свинец, алюминий и ртуть, могут внедряться в минеральную матрицу клеток кости.

2.Щелочные земельные и другие элементы, образующие катионы с диаметров ионов, равным диаметру ионов калия, могут заменять его в минерале кости, некоторые анионы также могут заменяться анионами (фосфаты, гидроксилы) минерала кости.

3.Элементы, образующие микроколлоиды (редкоземельные) могут абсорбироваться на поверхности минерала кости.

Скелет стандартного человека составляет 10–15 % общего веса тела, являясь крупным потенциальным хранилищем остеотропных токсикантов. Кость – это высокоспецифичная ткань, состоящая по объему на 54 % из минералов и на 38 % из органической матрицы. Минеральная матрица кости является гидроксиапатитом Ca10(PO4)6(OH)2, в котором соотношение Ca и P составляет при-

257

мерно 1,5:1. Площадь поверхности минерала, участвующего в абсорбции, составляет примерно100 м2 на1 гкости.

Метаболическую активность скелета можно разделить на две категории:

1)активная метаболическая кость, где процессы резорпции

иобразования новой кости либо реконструкция существующей кости происходят очень активно;

2)стабильная кость с низкой скоростью реконструкции или

роста.

У плода, новорожденных и детей метаболическая кость составляет почти 100 % скелета. С возрастом процентное содержание метаболической кости снижается. Внедрение токсикантов

во время воздействия отмечается в метаболической кости и в компартментах с более медленным круговоротом.

Внедрение токсиканта в кость происходит двумя путями:

1.Для наночастиц обмен ионами происходит с физиологически присутствующими катионами кальция или анионами (фосфаты, гидроксилы).

2.Для токсикантов, образующих коллоидные частицы, абсорбция происходит на поверхности минералов.

Ионообменные реакции. Минерал кости – гидроксиапатит – является сложной ионообменной системой. Катионы кальция могут заменяться различными катионами. Анионы, присутствующие в кости, также могут заменяться анионами: фосфаты – солями лимонной кислоты и карбонатами, гидроксил – фтором. Незаменяемые ионы могут абсорбироваться поверхностью минерала. При внедрении ионов токсиканта в минерал новый слой минерала может покрыть поверхность минерала, помещая его в глубину костной структуры. Ионобмен является обратимым процессом, который зависит от концентрации ионов, pH и объема жидкости. Поэтому, например, повышенное содержание кальция в диете может снизить осаждение ионов токсиканта в решетке минералов. С возрастом происходит резорпция минерала кости, при этом плотность кости фактически снижается. В этот момент токсикант (например, свинец) может высвобождаться костью [58].

258

Около 30 % ионов, включенных в минерал кости, имеют слабые связи и могут замещаться, захватываться природными хелирующими агентами и выводиться из организма с периодом биологического полураспада 15 суток. Оставшиеся 70 % жестко связаны. Мобилизация и экскреция данной фракции свидетельствует о периоде биологического полураспада, равном 2,5 лет и более в зависимости от вида кости (процессы реконструкции).

Аккумуляция в волосах и ногтях. Волосы и ногти содержат кератин, сульгидриловые группы которого способны хелировать катионы таких металлов, как ртуть и свинец.

Распределение токсиканта в клетке

В последнее время большое внимание стало уделяться распределению токсикантов, особенно тяжелых металлов, внутри клеток тканей и органов. С помощью ультрацентрифугирования можно отделить различные фракции клетки для определения содержания в них ионов металлов и других токсикантов.

Исследования на животных показали, что, проникнув в клетку, ионы некоторых металлов связываются с особым белком – металлотионином. Этот белок с низким молекулярным весом присутствует в клетках печени, почек и других органов и тканей. Его сульфгидрильная группа может связывать шесть ионов на молекулу. Повышенное присутствие ионов металлов вызывает биосинтез этого белка. Ионы кадмия вызывают наиболее сильное действие. Металлотионин также поддерживает гомеостаз жизненно важных ионов меди и цинка. Металлотионин может связываться с цинком, медью, кадмием, ртутью, висмутом, золотом, кобальтом и другими катионами.

Механизмы взаимодействия нанобиосистем с искусст-

венными наночастицами. Наночастицы, попав в кровь, лимфу, желудочный сок или любую другую биологическую жидкость, покрываются своего рода «короной» – слоем белков, все время находящихся в растворе и адсорбирующихся на поверхности частицы. Как следствие взаимного влияния, и свойства частиц

259

меняются под действием «короны», и сами белки, с которыми частица вступает в контакт, могут подвергаться модификациям. Отдельно следует заметить, что процесс формирования «короны» зависит от «предыстории» частицы, поскольку она уже может содержать адсорбированные молекулы – будь то остатки от производственного процесса, атмосферные газы, промышленные стабилизаторы эмульсий / дисперсий или вещества из состава буферов, используемых для приготовления растворов наночастиц. Контакт частиц с белками короны является первым типом интерфейса нано-био (зона контакта, разделяющая биологическую структуру организма (мембрану, белок, ДНК) и искусственные наночастицы) на длительном пути наночастицы внутри живого организма.

Основные белки, образующие «корону» наночастиц – например, нанотрубок, частиц диоксида железа, липосом и наногранул полимеров, – это альбумин, иммуноглобулины, факторы комплемента, фибриноген и аполипопротеины. Укрывание наночастиц этими белками во многом определяет их дальнейшую судьбу – распределение между тканями и органами, скорость выведения из организма, опсонизацию (фагоцитоз) с участием рецепторов мембраны.

Белки и другие органические вещества увеличивают растворимость наночастиц (например, ZnO, CdSe, оксидов железа и алюминия), но и наночастицы могут влиять на белковые молекулы, заставляя их агрегировать, окисляя боковые группы, снижая ферментативную активность или изменяя их конформацию. Это обстоятельство уже вызывает определенные опасения, ведь то, что в лабораторном эксперименте наночастицы оксида церия вызывают образование фибрилл (нитевидные структуры в клетках микроглобулина β2), может означать, что в определенных условиях возможен аналогичный процесс и в организме человека, например в мозгу это приведет к развитию болезни Альцгеймера. (На настоящий момент нет ни одного свидетельства, что наночастицы как-то участвуют в развитии нейродегенеративных заболеваний.)

260