Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»

На правах рукописи

ГОРШЕНЁВА ЕКАТЕРИНА БОРИСОВНА

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДНОГО

НАНОСТРУКТУРНОГО МАТЕРИАЛА «ТАУНИТ» НА ОРГАНИЗМ

САМОК БЕЛЫХ МЫШЕЙ И ИХ ПОТОМСТВО

03.03.01 – физиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель Османов Эседулла Маллаалиевич доктор медицинских наук, профессор Тамбов –

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………….……………………………. 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.…………………………………………………………… 2.1. Общие сведения о наноматериалах……………...………………………..…… 2.2. Оценка воздействия нанотехнологий и наноматериалов на биообъекты окружающей среды………………………...……………...………….... 2.3. Характеристика влияния наноматериалов на животный организм…………... 2.3.1. Пути проникновения в организм и основные механизмы действия наночастиц…………………………………………...…………………….. 2.3.2. Влияние отдельных наноматериалов на ткани и органы…………...…...….. 2.3.2.1. Особенности эффектов на организм углеродных наноматериалов…...…. 2.3.2.2. Воздействие наноматериалов на репродуктивную систему………….…... 3. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

…………………………………………. 3.1. Организация работы ……………………………….....………………...……….. 3.2. Характеристика исследуемого материала……...………...………...…………... 3.3. Методы исследования…………......…………………………………………...... 3.4. Методы вариационно-статистического анализа полученных данных…..….... 4. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ…………………….……. 4.1. Дозозависимые эффекты УНМ «Таунит» на организм самок белых мышей... 4.2. Анатомо-морфологические изменения у белых мышей при воздействии УНМ «Таунит»……………………………………………………………………..…. 4.2.1. Морфометрические показатели тела………………...………......……..…….. 4.2.2. Гистологическая картина паренхиматозных органов...……………..….…… 4.3. Состояние периферической крови и печени мышей при поступлении в организм УНМ «Таунит»………………...………………………………..………. Стр.

4.4. Влияние УНМ «Таунит» на поведенческие реакции белых мышей................. 4.5. Особенности репродуктивной функции самок белых мышей при поступлении в организм УНМ «Таунит»…………………………….…..…….. 4.6. Постнатальное развитие потомства первой генерации белых мышей, подвергшихся воздействию УНМ «Таунит»………………………………………. 4.7. Сравнительная оценка биоэффектов УНМ «Таунит» и углеродного наноматериала другой структуры…………………….………………….…….…… 5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ…………………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………..…………………………………….……………… ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ……………………………………………. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………………………. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………..…………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Развитие нанотехнологий и создание наноматериалов, являясь важнейшим направлением научно-технического прогресса будущего, в то же время ставит вопрос их взаимодействия с живым организмом. В течение последних десятилетий создано более разновидностей наноматериалов, в связи с чем возросла возможность воздействия наночастиц на животных, человека и окружающую среду (Powers, K.W.

Characterization of nanoscale particles for toxicological evaluation / K.W. Powers, S.C. Brown // Toxicol. Science. - 2006. – Vol. 90, N 2. - P. 296-303; Гусев, А.А.

Оценка воздействия наносодержащего материала «Таунит» на живые системы / А.А.Гусев, А.В. Емельянов, А.Г. Ткачев и др. // Сборник материалов 8-ой Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» – Пенза, 2008. – С. 28-29; Пиотровский, Л.Б. Будьте осторожны — следующая остановка «НАНО ЭРА» или проблема токсичности наночастиц / Л.Б. Пиотровский // Экологический вестник России. - 2008. - № 11. - С. 31). Такие антропогенные источники, как металлургическая, цементная промышленность; сгорание каменного угля, полимерных соединений, нефти, газа, дизельного топлива и другие процессы значительно увеличили содержание наночастиц в окружающей среде (Sahoo, S.K. The present and future of nanotechnology in human health care / S.K. Sahoo, S. Parveen, J.J. Panda // Nanomedicine: Nanotechnology in human health care. - 2007. - Vol.3. - P. 20-31;

Иншаков, О.В. Государственная политика развития нанотехнологий: российский и зарубежный опыт / О.В. Иншаков, А.В. Фесюн. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. – 48 с.). В процессе производства наноматериалов, их транспортировки, производственных процессах, ремонте, а также утилизации объектов, содержащих наночастицы, все чаще имеет место контакт и воздействие наноматериалов на животный организм.

Общепризнано, что изменения физических свойств вещества при переходе в биологических эффектов. В частности, установлена существенная задержка наночастиц в легких, поскольку из-за малых размеров этих частиц, механизмы выведения их респираторной системой организма неэффективны. Показана способность наночастиц проникать через легкие в другие системы и проходить кожные барьеры; наличие у них так называемого «воспалительного потенциала»

(Русаков, Н. В. Эколого-гигиенические проблемы отходов наноматериалов / Н. В.

Русаков // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 20–21; Takeda, K. Health effects of nanomaterials on next generation / K. Takeda, Y. Shinkai, K. Suzuki et al. // Yakugaku Zasshi. – 2011. – Vol.131, N 2. – P. 229-236). Небольшие размеры и разнообразие их форм способствуют связыванию с нуклеиновыми кислотами и белками; встраиванию в мембраны клеток, изменяя функции биоструктур (Miyawaki, J. Toxicity of Single-Walled Carbon Nanohorns / J. Miyawaki, M.

Yudasaka, T. Azami et al. // Acsnano. - 2008. – Vol.2. - P. 213–226; Сычева, Л. П.

Оценка мутагенных свойств наноматериалов / Л.П. Сычева // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 26–28; Gomes, S.I. Mechanisms of response to silver nanoparticles on Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Survival, reproduction and gene expression profile / S.I. Gomes, A.M. Soares, J.J. Scott-Fordsmand, M.J. Amorim // Hazard Mater.

наноматериалов гидрофобных свойств и электрического заряда усиливает как процессы адсорбции на них различных веществ, так и способность проникать через барьеры организма. Важным свойством наночастиц является повышенная способность к аккумуляции, поскольку вследствие малых размеров эти вещества могут не распознаваться защитными системами организма, и, следовательно, не подвергаться биотрансформации (Cedervall, T. Detailed identification of plasma proteins adsorbed on copolymer nanoparticles / T. Cedervall, I. Lynch, T. Berggard // Angew Chem. Int. Ed. Engl. - 2007. – Vol. 46, N 30. - P. 5754-5756; Hooper, H.L.

Comparative chronic toxicity of nanoparticulate and ionic zinc to the earthworm Eisenia veneta in a soil matrix / L.H. Hooper, K. Jurkschat, A.J. Morgan et al. // Environ. Int.

– 2011. – Vol. 37, N 6. – P. 1111-1117).

Перечисленное свидетельствует о высокой актуальности изучения влияния наноматериалов, в том числе углеродных, на животный организм с оценкой состояния различных органов и систем, в частности, репродуктивной.

исследователей сосредоточены преимущественно на изучении начальных этапов процесса взаимодействия животного организма с наночастицами: идентификации и характеристике последних на основе биологических и фармакологических эффектов, полученных на моделях животных. Изучаются пути проникновения наночастиц в организм – респираторный, чрескожный, пероральный; критические органы-мишени (легкие, кожа, сердечно-сосудистая и нервная системы);

оценивается влияние наноматериалов на физиологическое состояние и исследуются специфические механизмы действия некоторых наночастиц (Радилов, наноразмерных материалов / А.С. Радилов, А.В. Глушкова, С.А. Дулов // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2009. – № 1. – С. 86–88; Lim, D.

Oxidative stress-related PMK-1 P38 MAPK activation as a mechanism for toxicity of silvernanoparticles to reproduction in the nematode Caenorhabditis elegans / D. Lim, J.Y. Roh, H.J. Eom et al. // Environ. Toxicol. Chem. – 2012. – Vol. 31, N 3. – P. 585Ведутся работы по обоснованию и разработке санитарно-гигиенических требований к содержанию наночастиц в воздухе (Малышева, А.Г. Проблемы химико-аналитических исследований при гигиенической оценке наноматериалов и нанотехнологий / А. Г. Малышева // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С.

16–20).

В то же время, превалируют сообщения, посвященные изучению свойств высокомолекулярных соединений, стабилизация и изменение с их помощью взаимодействия с клеточной мембраной, влияние на экспрессию отдельных генов) (Barua, S. Non-hazardous anticancerous and antibacterial colloidal 'green' silver nanoparticles / S. Barua, R. Konwarh, S. Bhattacharya et al. // Colloids Surf. B Biointerfaces. – 2013. – Vol. 105. – P. 37-42; Gomes, S.I. Mechanisms of response to silver nanoparticles on Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Survival, reproduction and gene expression profile / S.I. Gomes, A.M. Soares, J.J. Scott-Fordsmand, M.J. Amorim // Hazard Mater. – 2013. – Vol. 15. – P. 254-255).

Исследования эффектов различных наноматериалов на организменном уровне единичны и несистематизированы, практически отсутствуют работы по биосистемы, их фармакокинетике и фармакодинамике; не установлены четко органы-мишени, не описан генез изменений, происходящих при поступлении в организм наночастиц, механизмы развивающихся при этом компенсаторноприспособительных реакций. В зарубежной научной литературе имеются лишь отдельные сообщения о воздействии МУНТ на репродуктивную функцию организма (Ema, M. Reproductive and developmental toxicity studies of manufactured nanomaterials / M. Ema, N. Kobayashi, M. Naya et al. // Reprod. Toxicol. – 2010. – Vol. 30, N 3. – P. 343-352; Keelan, J.A. Nanotoxicology: nanoparticles versus the placenta / J.A. Keelan // Nat. Nanotechnol. – 2011. – Vol. 6, N 5. – P. 263-264; Gao, G. Ovarian dysfunction and gene-expressed characteristics of female mice caused by long-term exposure to titanium dioxide nanoparticles / G. Gao, Y. Ze, B. Li et al. // J.

Hazard Mater. – 2012. – Vol. 243. – P. 19-27), тогда как отечественные работы такого плана вообще отсутствуют.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилась оценка физиологических аспектов влияния углеродного наноструктурного материала (УНМ) «Таунит» (многостенных углеродных нанотрубок) на организм самок белых мышей и их потомство первого поколения при пероральном введении.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Оценить физиологические эффекты самок белых мышей при введении различных доз УНМ «Таунит» (дозозависимый эффект).

выделительной, пищеварительной, сердечно-сосудистой и иммунной у белых мышей под воздействием многостенных углеродных нанотрубок.

Исследовать поведенческие реакции самок белых мышей и их потомства при пероральном поступлении многостенных углеродных нанотрубок.

Определить влияние УНМ «Таунит» на репродуктивную функцию самок белых мышей и показатели развития их потомства первой генерации.

Сравнить эффекты перорального поступления УНМ «Таунит» и углеродного наноматериала другой структуры.

физиологических эффектов УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в животный организм. Получены новые данные о состоянии внутренних органов и систем организма; его функциональных и морфологических изменениях в условиях длительного поступления многостенных углеродных нанотрубок.

Выявлен дозозависимый эффект наноматериала «Таунит» при поступлении в организм белых мышей, проявлявшийся отклонениями массы внутренних органов; продемонстрированы реактивные изменения иммунной системы.

Впервые получены данные о влиянии УНМ «Таунит» на репродуктивную систему самок мышей, в частности, увеличении массы соответствующих органов (матки морфометрических показателей; снижении смертности молодняка, числа неродивших самок и доли самцов в потомстве.

Показано отсутствие изменений в гамето- и эмбриогенезе белых мышей, постимплантационной гибели, развитии плодов и потомства первой генерации при поступлении в организм УНМ «Таунит».

Теоретическая и практическая значимость работы. Получены данные о развитии компенсаторно-приспособительных реакций и морфофункциональных аспектах взаимодействия наночастиц с органами и тканями белых мышей.

совершенствования нормативной базы по работе с наноматериалами. Они расширяют существующие знания о воздействии на организм нанодисперсных материалов, позволяют совершенствовать подходы к гигиеническому нормированию при использовании этих веществ.

Представленные сведения позволяют разработать стратегию оптимизации действия наноразмерных веществ на животный организм.

По результатам исследования получен грант по проекту № 07-03/ «Состояние дисперсной фазы в водных суспензиях нанопорошков для разработки методик тестирования наноматериалов в физиологических жидкостях» в рамках проведения III Межвузовского конкурса исследовательских проектов (15.03.2012гг.); проект «Разработка инструкции по безопасному применению дактилоскопических порошков для судебной медицины и криминалистики»

получил поддержку ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «У.М.Н.И.К.» (2011-2013 гг.).

Информации, полученные в результате экспериментального исследования, используются в учебном процессе на кафедре физиологии ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина» при чтении факультативный курс лекций «Нанотехнологии и безопасность» в 10 классах МОУ СОШ № 30 г. Тамбова.

Методология и методы исследования. Методология исследования включала оценку физиологического влияния многостенных углеродных нанотрубок на организм самок белых мышей. Эксперименты проведены с соблюдением всех принципов доказательной медицины (рандомизация и формирование групп подопытных животных, обработка результатов методами вариационной статистики). Подробно методики описаны в разделе 3.3.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в организм мышей вызывает дозозависимые морфофункциональные изменения в сердечнососудистой, пищеварительной, выделительной и иммунной системах.

2. В условиях поступления УНМ «Таунит» в организм самок белой мыши на 14 сутки потенцируются процессы возбуждения, что проявляется в виде снижения порога эмоциональных реакций и увеличения количества локомоций с последующим их восстановлением и угнетением общей двигательной активности к концу 45 суток потребления наноматериала.

3. При пероральном введении УНМ «Таунит» у самок белых мышей изменяется морфофункциональное состояние репродуктивной системы (увеличиваются масса репродуктивных органов (матки с яичниками), количество особей в приплоде, морфометрические показатели потомства; снижаются количество неродивших самок, смертность молодняка и доля самцов в помете).

При этом эмбриогенез и постимплантационная гибель плодов не меняются.

результатов исследований определяется адекватным количеством биологических объектов, рандомизацией; корректным формированием групп экспериментальных животных и адекватными методами исследования; длительными сроками наблюдения и объективными методами вариационно-статистической обработки рекомендации аргументированы и логически вытекают из системного анализа результатов выполненной работы.

Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2009); 14-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология наука XXI века» (Пущино, Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech 2010, (Москва, 2010); 2-й Международной школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2012); 17-й Международной Пущинской школе – конференции молодых ученых (Пущино, 2013).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования РФ.

Пусковым фактором интенсивного развития биологии наноматериалов, наблюдаемого в последние годы, явился прогресс технологий направленного получения и использования веществ и материалов в диапазоне размеров менее 100 нм (Алферов, Ж.И. За нанотехнологиями будущее. И это не обсуждается / Ж.

И. Алферов // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2009. – № 1. – С. 10– 14). Понимание факта, что наночастицы (НЧ) и наноматериалы обладают комплексом особых физических и химических свойств, а также специфическим биологическим действием, которые могут радикально отличаться от свойств и эффектов этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий, дало толчок экспериментальным исследованиям влияния этих веществ на различные органы и системы животного организма (Гусев, А.А.

Нанобезопасность – новое направление экологических исследований / А.А. Гусев, А.В. Емельянов // Проблемы экологии в современном мире. - Тамбов, 2008. - С.

39-41; Малышева, А.Г. Проблемы химико-аналитических исследований при гигиенической оценке наноматериалов и нанотехнологий / А. Г. Малышева // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 16–20). Размеры НЧ могут быть соотнесены с размерами крупных молекул или расстояний между отдельными атомами в молекулах (Гусев, А.А. Нанобезопасность – новое направление экологических исследований / А.А. Гусев, А.В. Емельянов // Проблемы экологии в современном мире. - Тамбов, 2008. - С. 39-41). Выделяют следующие физикохимические особенности частиц вещества, таких размеров:

– увеличение химической реактивности веществ на межфазной границе высокой кривизны. Для макрочастиц (размерами порядка микрона и более) этот эффект незначителен (не превышает долей процента). Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводят к существенным сдвигам растворимости, реакционной и каталитической способности наночастиц и их компонентов;

– большая удельная поверхность наноматериалов (в расчете на единицу массы), увеличивающая их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства. Изменение перечисленных характеристик может вызывать увеличение продукции свободных радикалов и активных форм кислорода при попадании этих веществ в организм;

– небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц, что способствует повышению возможности их связывания с нуклеиновыми кислотами (с образованием аддуктов ДНК) и белками, встраивания в мембраны клеток, проникновения в клеточные органеллы с изменением функций биоструктур.

Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве и донных отложениях могут также значительно отличаться от соответствующих процессов, характерных для вещества с частицами более крупного размера;

– высокая адсорбционная активность, вследствие которой наночастицы способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможна, в частности, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на них различных веществ, так и их способность проникать через барьеры организма;

– высокая способность к аккумуляции. Возможно, из-за малого размера наночастицы могут не распознаваться защитными системами организма, не вызывать иммунный ответ, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к их накоплению, передаче по пищевой цепи, что тем самым способствует увеличению их поступления в животный организм (Малышева, А.Г.

Проблемы химико-аналитических исследований при гигиенической оценке наноматериалов и нанотехнологий / А. Г. Малышева // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 16–20; Рахманин, Ю.А. Влияние квантовых состояний нанообъектов на биологические системы / Ю.А. Рахманин, А.А. Стехин, Г.В.

Яковлева // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 4–12).

Источниками НЧ могут быть действующие вулканы, лесные пожары, выветривание горных пород, микрослой океанической поверхности (Фостер, Л.

Нанотехнологии. Наука, инновации, возможности / Л. Фостер. – М.: Техносфера, 2008. – 352 с.).

В мире зарегистрировано и выпускается промышленностью более наименований наноматериалов (Бабкин, В. И. Государственная значимость нанотехнологий / В. И. Бабкин // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2009. – № 1. – С. 32–36). Согласно данным о форме и химическом составе выделяют:

– углеродные наночастицы (фуллерены, нанотрубки, графен, углеродные нанопены);

– наночастицы простых веществ (не углерода);

– наночастицы бинарных соединений;

– препараты наночастиц сложных веществ (Онищенко, Г.Г. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 23 июля 2007 г. № 54 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и http://www.rospotrebnadzor.ru/documents/postanov/1209/).

Выделяют следующие материалы, разработанные на основе углеродных наночастиц:

- углеродные нанотрубки (УНТ) – протяжнные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нм и длиной до нескольких см., состоящие из одной или нескольких сврнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой;

- фуллерены – класс аллотропных форм углерода (другие – алмаз, карбин и графит), представляющих собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чтного числа трхкоординированных атомов углерода. По диаметру фуллерен совместим с биологическими мишенями, центрами связывания ферментов, рецепторов и везикулами, что может найти применение в биологии и медицине;

- графен – монослой атомов углерода (нанопленка), обладающий высокой подвижностью при комнатной температуре, его рассматривают как перспективный материал, потенциальный заменитель кремния в интегральных микросхемах (Gatti, A.M. Risk assessment of micro and nanoaprticles and the human health / A.M. Gatti // Chapter of Handbook of Nanostructured biomaterials and their applications ed American Scientific Publisher USA. - 2005. - Vol. 12. - P. 347-369).

НЧ углерода, серебра и др. используются при создании искусственных костных имплантантов, челюстей, протезов, противозачаточных средств, перевязочных материалов для повышения их прочности и бактерицидности (Kagan, V.E. Nanomedicine and nanotoхicology: two sides of the same coin / V.E.

Kagan, H. Bayir, A.A. Shvedova // Nanomedicine: nanotechnology, biology and medicine. - 2005. – Vol.1. - P. 313-316; Peek, L.J. Nanotechnology in vaccine de livery / L.J. Peek, C.R. Middaugh // Adv. Drug. Deliv. Rew. - 2008. - Vol. 60, N 8. – P. 915-928). Мировой объем продаж лекарств с модифицированной системой доставки с использованием наноматериалов составляет 20 % общего объема рынка фармпрепаратов (Oberdorster, G. Nanotoxicology: Am Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles / G. Oberdorster, E. Oberdorster, J.

Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - Vol. 7, N 13. - P. 823Широкое применение находят наносенсоры для идентификации отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации (Powers, K.W. Characterization of nanoscale particles for toxicological evaluation / K.W. Powers, S.C. Brown // Toxicol. Science. - 2006. – Vol. 90, N 2. - P. 296-303).

состоящие из полимеров, мицелл, липосом, дендримеров, фуллеренов, гидрогелей. Внедрение лекарств в материалы, разработанные на основе наночастиц предотвращает их быстрое распространение в жидкостях и тканях организма, позволяет пролонгировать их высвобождение. Помимо этого, включение в наночастицы позволяет решить проблему плохой растворимости и Конструирование наночастиц для адресной доставки терапевтических средств в клетки и их органеллы [Электронный ресурс] / В.А. Ткачук, В.П. Ширинский, rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/1/10/14.pdf).

В парфюмерно-косметической отрасли наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов (Hofmann, H. Supraparamagnetic nanoparticles, a multifunctional tool for medical imaging, drug and gene delivery and cancer treatment / H. Hofmann // Australian Research Council Nanotechnology Network International Conference on Nanoscience and Nanotechnology. - Brisbane, 2006 - Vol.7, N 11. - P. 82-89).

В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термоустойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами (Онищенко, Г.Г. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 23 июля 2007 г. № 54 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы» [Электронный ресурс]. URL:

http://www.rospotrebnadzor.ru/documents/postanov/1209/;

Экспериментальная оценка токсичности и опасности наноразмерных материалов / А.С. Радилов, А.В. Глушкова, С.А. Дулов // Нанотехнологии. Экология.

Производство. – 2009. – № 1. – С. 86–89).

Наконец, в экологии прогнозируется применение нанотехнологии для снижения выбросов в различных отраслях промышленности и на транспорте, а также для производства роботов по уничтожению отходов производства, в том нанотехнологий в аэрокосмической, военной и многих других отраслях человеческой деятельности (Гусев, А.А. Нанобезопасность – новое направление экологических исследований / А.А. Гусев, А.В. Емельянов // Проблемы экологии в современном мире. - Тамбов, 2008. - С. 39-41; Иншаков, О.В. Государственная политика развития нанотехнологий: российский и зарубежный опыт / О.В.

Иншаков, А.В. Фесюн. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. – 48 с.).

Поскольку наноматериалы обладают широким спектром новых свойств, часто ещ недостаточно изученных, актуальной является постановка вопроса об их действии на организм. За рубежом исследования в этой области проводятся с начала 2000-х годов в США (под эгидой FDA), Евросоюзе (OECD, IEC, EFSA, ECETOC и др.), а также рядом международных организаций (WHO, FАО, ILSI) (Тутельян, В.А. Токсиколого-гигиенические аспекты оценки безопасности наноматериалов, используемых при производстве пищевой продукции [Электронный ресурс]. / В.А. Тутельян // ГУ НИИ питания РАМН. – М., 2010. URL:

http://rusnanotech08.rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/1/10/15.pdf).

Несмотря на широкую поддержку западными государствами программ развития нанотехнологий, руководство «Green Peace» обратилось к общественности и правительствам этих стран с заявлением о необходимости объявления моратория на разработку нанотехнологий до получения результатов исследований их биологических эффектов (Уйба, В.В. Разработка медико биологического обеспечения безопасности в области нанотехнологий rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/1/7/14.pdf;

Нанотрансформация товаров / О.В. Иншаков, А.Р. Яковлев. – Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2009. – 32 с.).

2.2. Оценка воздействия нанотехнологий и наноматериалов на Вышеприведенные данные свидетельствуют о том, что наноматериалы, обладающие иными физико-химическими свойствами и биологическим действием по сравнению с традиционными аналогами, следует отнести к новым видам материалов и продукции. Однако, для большинства из них гигиеническая характеристика либо отсутствует, либо представлена ограниченным числом тестов, методология выполнения и результаты которых зачастую несопоставимы.

В то же время, многие специалисты сходятся во мнении, что такого рода данные должны основываться на результатах, полученных при выполнении большого объема исследований in vitro и in vivo, включая длительные эксперименты на животных (Радилов, А.С. Экспериментальная оценка токсичности и опасности наноразмерных материалов / А.С. Радилов, А.В. Глушкова, С.А. Дулов // Нанотехнологии. Экология. Производство. – 2009. – № 1. – С. 86–89; Онищенко, Г.Г. Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения в условиях расширенного использования наноматериалов и нанотехнологий / Г. Г.

Онищенко // Гигиена и санитария. – 2010. – № 2. – С. 4–7). При этом ежегодное увеличение номенклатуры наноматериалов, производимых промышленностью, делает практически невозможным получение в ближайшие годы исчерпывающих данных о биологических эффектах всех важнейших наноматериалов, поскольку для этого потребовалось бы привлечение неприемлемо огромных трудозатрат и государственного санитарного врача РФ от 23 июля 2007 г. № 54 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей http://www.rospotrebnadzor.ru/documents/postanov/1209/).

настоящее время разрабатываются шкалы приоритетов, то есть методические подходы (алгоритмы), позволяющие на основе имеющейся научной информации о свойствах наночастиц и их биологическом действии прогнозировать их эффекты на организм человека. В свою очередь результаты такого прогнозирования позволяют осуществлять ранжирование наноматериалов по степени воздействия:

для объектов с низкой степенью воздействия целесообразно проведение только отдельных, критически важных тестовых исследований, для наночастиц, характеризуемых средней степенью воздействия, круг планируемых исследований должен быть существенно расширен и, наконец, для наноматериалов с высокой степенью воздействия, гигиеническая характеристика должна осуществляться в полном объме (Русаков, Н. В. Эколого-гигиенические проблемы отходов наноматериалов / Н. В. Русаков // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 20–21).

Имеющееся незначительное количество исследований в этом направлении указывает на то, что наноматериалы могут оказывать большие биологические эффекты в сравнении с их эквивалентами в обычной форме в этой концентрации (Hussain, S.M. The interaction of manganese nanoparticles with PC12 cells induces dopamine depletion / S.M. Hussain, A.K. Jovorina // Toxicol. Science. - 2006. – Vol.

92, N 2. - P. 456-463.).

Размеры НЧ и свойства их поверхностей позволяют им вступать в прямой контакт на молекулярном уровне с биологическими тканями и системами, с микробными агентами (Roy, I. Optical tracking of organically modified silica nanoparticles as DNA carriers: a nonviral, nanomedicine approach for gene delivery / I. Roy, T.Y. Ohulchanskyy, D.J. Bharali et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2005. Vol. 102. - P. 279-284), эндотоксинами, токсинами, в том числе микотоксинами (Oberdorster, G. Systemic effects of inhaled ultrafine particles in two compromised, aged rat strains / G. Oberdorster // Inhal Toxicol. - 2004. - Vol. 16, N 6/7. - P. 461а также с различными химическими соединениями органической и неорганической природы, протеинами и отдельными структурами клеток (липидами и нуклеиновыми кислотами, в частности ДНК) (Kabanov, A.V. Polymer genomics: an insight into pharmacology and toxicology of nanomedicines / A.V.

Kabanov // Adv. Drug Deliv. Rev. - 2006. - Vol. 58, N 15. - P. 1597-1621; Dutta, D.

Adsorbed proteins influence biological activity and moleculer targeting of nanomaterials / D. Dutta, S.K. Sundaram, J.G. Teeguarden, B.J. Riley // Toxicol Sci. Vol. 100, N 1. - P. 303-315; Lynch, I. The nanoparticle-protein complex as a biological entity; a complex f1uids surface science challenge for the 21 st century / I.

Lynch, T. Cedervall, M. Lundqvist // Adv. Colloid Interface Sci. - 2007. – Vol. 31. - P.

167-174).

В экспериментах in vitro показано, что действие НЧ на альвеолярный прооксидантного эффекта и зависит от состава НЧ, заряда и площади их поверхности (Meng, H. Ultrahigh reactivity provokes nanotoxicity: Explanation of oral toxicity of nanocopper particles / H. Meng, Z. Chen, G. Xing et al. // Toxicology Letters. - 2007. - Vol. 175. - P. 102-110).

На основании приведенной информации можно сделать вывод о большем биологическом эффекте наночастиц по сравнению с обычными микрочастицами;

способности проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, а также через гематоэнцефалический барьер в центральную нервную систему;

циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные морфологические изменения внутренних органов, а также, обладая длительным периодом полувыведения, крайне медленно выводятся из организма (Онищенко, Г.Г. Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения в условиях расширенного использования наноматериалов и нанотехнологий / Г. Г.

Онищенко // Гигиена и санитария. – 2010. – № 2. – С. 4–7; Уйба, В.В. Разработка медико - биологического обеспечения безопасности в области нанотехнологий rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/1/7/14.pdf; Hussain, S.M. In vitro toxicity of nanoparticles in BRL3A rat liver cells / S.M. Hussain, K.L. Hess // Toxicol. in vitro. Vol. 19, N 7. - P. 975-983).

Следует отметить, что при попадании наноматериалов в окружающую среду последствия могут оказаться совершенно неожиданными. Например, наночастицы диоксида титана, которые находят применение в широком диапазоне устройств - от солнцезащитных экранов до перезаряжаемых батарей - поглощают и концентрируют на себе тяжелые металлы, такие как кадмий (Gao, G. Titanium dioxide nanoparticle-induced testicular damage, spermatogenesis suppression, and gene expression alterations in male mice / G. Gao, Y. Ze, X. Zhao et al. // J. Hazard Mater. – 2013. – Vol. 15. – P. 258-259; Jiang, Wen. Nanoparticles - mediated cellular response in size - dependent / Wen Jiang, B.Y.S Kim // Nanotechnol. - 2008. - Vol. 3. - P.

145-150). Остаются неясными последствия появления таких наночастиц в атмосфере и их влияние на характер циркуляции других вредных компонентов, загрязняющих окружающую среду (Гусев, А.А. Нанобезопасность – новое направление экологических исследований / А.А. Гусев, А.В. Емельянов // Проблемы экологии в современном мире. - Тамбов, 2008. - С. 39-41; Bottini, M.

Biomedical platforms based on composite nanomaterials and cellular toxicity / M.

Bottini, A. Magrini // J. Phys. Conf. Ser. - 2007. - Vol.61. - P. 95-98; Ema, M.

Reproductive and developmental toxicity studies of manufactured nanomaterials / M.

Ema, N. Kobayashi, M. Naya et al. // Reprod. Toxicol. – 2010. – Vol. 30, N 3. – P.

343-352).

К сожалению, традиционные подходы для оценки биологических эффектов химических веществ недостаточны для изучения их в нанофазе, так как размер частиц и площадь поверхности могут иметь особое значение, при этом повышение концентрации наноматериала может не иметь в дозозависимого выражения. Большую проблему представляет отсутствие соответствующих образцов и стандартов, необходимых для проведения тестирования биологического воздействия наноматериалов.

В России исследования по проблеме биологических эффектов наночастиц проводятся по инициативе Роспотребнадзора с конца 2006 г. Исходным положением является то, что наноматериалы во всех случаях должны быть отнесены к новым видам материалов и продукции, характеристика влияния которых на организм человека и состояние среды обитания является обязательной в соответствии с законами РФ №52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и №29-ФЗ «О качестве и безопасности пищевых безопасности наноматериалов, используемых при производстве пищевой продукции [Электронный ресурс]. / В.А. Тутельян // ГУ НИИ питания РАМН. – http://rusnanotech08.rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/1/10/15.pdf).

В Постановлении Главного государственного санитарного врача РФ от июля 2007 г. № 54 «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы» описано положение дел с организацией государственного санитарно-эпидемиологического надзора за производством и оборотом продукции, с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы. В постановлении рекомендовано: «…указывать в информации для потребителей сведения об использовании при изготовлении продукции нанотехнологий или наноматериалов; при предоставлении документов для проведения санитарно-эпидемиологической экспертизы продукции представлять сведения об использовании нанотехнологий или наноматериалов с подтверждением безопасности их использования для человека; организовать работу по объективному, взвешенному информированию населения по вопросам использования нанотехнологий и наноматериалов и т.д.».

наноматериалов, проводимая в точном соответствии с методическими рекомендациями, должна включать большое число исследований in vitro и in vivo, в том числе, длительные эксперименты на животных, продолжительность которых может превышать 9 - 12 месяцев. Вс это указывает на практическую невозможность охарактеризовать в ближайшее время биологические эффекты всех важных наноматериалов, поскольку потребует привлечения неприемлемо огромных трудозатрат и материальных ресурсов контролирующих организаций (Жолдакова, З.И. Общие и специфические аспекты токсических свойств наночастиц и других химических веществ с позиций классической токсикологии / З.И. Жолдакова, О.О. Синицына, Н.В. Харчевникова // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 12–16).

Таким образом, в настоящее время биоэффекты различных наноматериалов изучены крайне недостаточно, отсутствуют сведения о метаболизме и механизме их действия, не определены критические органы и системы. Согласно результатам большинства проведенных исследований, можно предположить, что важнейшим показателем, определяющим их эффект на ткани организма является не доза, то есть количество поступающего вещества, а площадь поверхности, которая и будет определять их реакционную способность. Нельзя исключать и иных механизмов, связанных, в частности, с действием наноматериалов на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта определенных компонентов через государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. № 79 «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов»

http://www.infosait.ru/norma_doc/51/51942/index.htm.).

Важнейшей характеристикой, которую следует учитывать при оценке биологического действия наноматериалов, является их нерастворимость в воде и биологических средах. При растворении НЧ все эффекты, связанные с наличием у них высокоразвитой поверхности и различными гетерофазно протекающими процессами, утрачиваются, по биологическому действию водорастворимый наноматериал не отличается от своего аналога в макродисперсной форме (Решение Пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития РФ «Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды» // Гигиена и санитария. – 2008. – № 6. – С. 88.).

Определение биоэффектов новых наноматериалов и наночастиц на лабораторных животных является ключевым этапом оценки таковых на людях при использовании нанотехнологий. Безусловно, имеется настоятельная потребность разработки минимального набора методов, позволяющих проводить относительно недорогой и быстрый скрининг исследуемых наночастиц и наноматериалов по их биологическому воздействию. Комплексные исследования их с самого начала развития такой новой технологии как нанотехнология, позволят избежать недооценки биологических эффектов нанопродуктов и нанотехнологий, и, тем самым, обеспечить здоровье животных, населения и окружающей среды (Холоденко, В.П. Биобезопасность наноматериалов и нанотехнологий [Электронный ресурс] / В.П. Холоденко, В.А. Чугунов, Е.Н.

http://rusnanotech08.rusnanoforum.ru/sadm_files/disk/Docs/2/10/10%20(56).pdf).

2.3. Характеристика влияния наноматериалов на животный организм 2.3.1. Пути проникновения в организм и основные механизмы действия Как уже отмечалось, значительная площадь поверхности НЧ, наличие на ней различных химически активных функциональных групп, углеводородных фрагментов и микропримесей металлов, определяют их высокие сорбционные свойства по отношению к биомолекулам. В связи с этим, например, в качестве адсорбента для нейтрализации микотоксинов предлагается использовать наноалмазы (НА) детонационного синтеза и другие НЧ. Установлена их способность адсорбировать афлатоксин В1 из водных растворов, причем время адсорбции не превышает 2-3 мин. (Пузырь, А.П. Адсорбция афлатоксина В наноалмазами детонационного синтеза / А.П. Пузырь, К.В. Пуртов, О.А.

Шендерова // Докл. РАН. - 2007. – Т. 417, № 1. - С. 117-120; Пузырь, А.П.

Воздействие детонационных наноалмазов in vitro и in vivo на биологические объекты / А.П. Пузырь, В.С. Бондарь // Сложные системы в экстремальных условиях: Матер. 12 Междун. симпоз. – Красноярск, 2005. - С. 229-240).

В формировании биоэффектов атмосферных НЧ размером менее 2,5 нм для сердечно-сосудистой системы показана роль повышения свертываемости крови (Meng, H. Ultrahigh reactivity provokes nanotoxicity: Explanation of oral toxicity of nanocopper particles / H. Meng, Z. Chen, G. Xing, C. Yuan et al. // Toxicology Letters. - 2007. - Vol. 175. - P. 102-110; Oberdorster, G. Nanotoxicology: Am Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles / G. Oberdorster, E.

Oberdorster, J Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - Vol.7, N 13.

- P. 823-839). Культивирование клеток эндотелия сердечно-сосудистой системы в присутствии НЧ, выделенных из атмосферного воздуха Шанхая, в концентрации 0,05 и 0,2 мг/м3 сопровождалось повышением экспрессии мРНК, интерлейкина- и экстаксина (Проданчук, Н.Г. Нанотоксикология: состояние и перспективы исследования [Электронный ресурс] / Н.Г. Проданчук, Г.М. Балан // URL:

http://www.medved.kiev.ua/Web_journals/Arhiv/Toxicology/2009/3-4_09/str04.pdf).

При анализе фракции частиц воздушного бассейна г. Дюнкерк (Франция) обнаружено присутствие Fe, Al, Ca, Na, K, Mg, Pb в нанофазе. Воздействие фракции частиц вызывало зависимые от концентрации и продолжительности экспозиции изменения пероксидации липидов, активности супероксиддисмутазы, образования 8-гидрокси-2-дезоксигуанина, поли (АДФ)-рибозилирования, активности индуцибельной NO-синтазы и образования NO (Garcon, G. Dunkerque City air pollution particulate matter — induced cytotoxicity, oxidative stress and inflammation in human epithelial lung cells / G. Garcon, Z. Dagher // Toxicol. in vitro.

- 2006. - Vol. 20, N 4. - P. 519-529).

НЧ попадают в организм ингаляционным путем, с водой и пищей, через интактную и, особенно, поврежденную кожу (Vallhov, H. Mesoporous silica particles induce size dependent effects on human dendritic cells / H. Vallhov, S.

Gabrielsson // Nano Lett. - 2007. - Vol.7, N 12. - P. 3576-3582; Shvedova, A.A.

Cytotoxic and genotoxic effects of single wall carbon nanotube exposure on human keratinocytes and bronchial epithelial cells / A.A. Shvedova, E. Kisin, N. Keshava // 227th American Chemical Society National Meeting. - 2004. - P. 130-135), а также со средствами медицинского и косметического назначения. Показано, что НЧ в гематоэнцефалический, плацентарный) и избирательно накапливаться в разных типах клеток и клеточных структурах (Fischer, H.C. Nanotoxicity: the growing need for in vivo study / H.C. Fischer, W.C. Chan // Curr. Opin. Biotechnol. - 2007. – Vol.

18, N 6. - P. 565-571). НЧ способны к трансцитозу через эпителиальные и эндотелиальные клетки, распространяются по ходу дендритов и аксонов нервов, циркулируют в кровеносных и лимфатических сосудах, имеют тропность к определенным тканям (Oberdorster, G. Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles / G. Oberdorster, E. Oberdorster, J.

Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - Vol. 7, N 13. - P. 823-839;

Muller, R.H. Drug delivery to the brainrealization by novel drug carriers / R.H. Muller, C.M. Keck // J. Nanosci. Nanotech. - 2004. – Vol. 4. – P. 471-483).

НЧ попадают в организм также при инъекциях лекарств с наноносителями (Фостер, Л. Нанотехнологии. Наука, инновации, возможности / Л. Фостер. – М.:

Техносфера, 2008. – 352 с.). При ингаляционном воздействии очень мелких НЧ (1 нм), 90 % их проникает через слизистую по нервным волокнам в ткани, всасывается в кровь и уже через 2-4 ч обнаруживается в печени, почках, головном и костном мозге. Лишь 15 % более крупных НЧ депонируется в носоглотке и более 50 % - в альвеолярном регионе (Проданчук, Н.Г. Нанотоксикология:

состояние и перспективы исследования [Электронный ресурс] / Н.Г. Проданчук, http://www.medved.kiev.ua/Web_journals/Arhiv/Toxicology/2009/3-4_09/str04.pdf).

Вследствие трансцитоза через эпителиальные клетки дыхательной системы Биоперсистенция НЧ в альвеолярном регионе наблюдается от 70 суток - у крыс, до 700 суток - у человека (Oberdorster, G. Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles / G. Oberdorster, E. Oberdorster, J.

Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - Vol. 7, N 13. - P. 823Из-за неспособности альвеолярных макрофагов фагоцитировать мелкие НЧ