Nanoparticles and nanomaterials as inevitable modern toxic agents. Review. Part 2. Main areas of research on toxicity and techniques to measure a content of nanoparticles in tissues.



Cite item

Abstract

This second part of the review considers the following three main areas of research on the toxicity of nanoparticles (NPs): toxicity of environmental NPs, molecular mechanisms of toxicity, and the reproductive toxicity. The main methods for the quantitative measurements of the content of NPs in biological samples are also considered as the necessary stage of research on the toxicity of NPs for humans and animals.

Full Text

  1. Основные направления исследований токсичности наночастиц.

3.2. Токсичность наночастиц, содержащихся в окружающей среде.

Из-за широты применения наночастиц (НЧ) в промышленности, в быту и в медицине они неизбежно попадают в окружающую среду - в воду, воздух, в почву, и через среду в живые организмы, от бактерий до человека. Поэтому динамично развивается сегодня изучение токсичности НЧ, содержащихся в окружающей среде (environmental toxicity). Рассматривают токсичность НЧ в воздухе, в воде или почве с определенной территории при разных условиях для собранных там представителей выбранного вида. Большую часть исследований проводят на модельных организмах – как распространенных (крысы, мыши, данио-рерио Danio reryo, дафния Daphnia sp., почвенная нематода Caenorhabditis elegans), так и менее известных, таких как разные виды небольших рыб, фито- и зоопланктон [16].

В частности, пресноводный рачок дафния Daphnia sp. (чаще используют вид Daphnia magna) - признанный организм-индикатор токсичности воды. Существуют стандартизованные процедуры по оценке токсичности веществ из окружающей среды на дафниях [53]. С их помощью в ряде работ было выявлено, что после острого контакта (двое суток) с коллоидным раствором НЧ серебра (без покрытия) в стандартной среде для содержания дафний (Elendt M4 medium) поведение рачков становилось абнормальным [17, 56]. Были нарушены вертикальные и горизонтальные миграции, многие рачки плавали бессистемно. НЧ накапливались у рачков в пищеварительном тракте и на карапаксе. Смертность возрастала с увеличением содержания НЧ в среде. При этом было отмечено, что токсичность при применении растворов, приготовленных путем смешивания порошка НЧ с водой для дафний, была ниже, чем при использовании разведенных готовых коллоидных растворов НЧ [17]. В работе [56], при отсутствии нарушений плавания, контактировавшие с НЧ серебра (покрытие – цитрат) дафнии не реагировали на присутствие хищника. Выживаемость рачков значительно падала в присутствии хищника независимо от наличия НЧ в среде, однако средний уровень репродукции у контактировавших с НЧ дафний возрос: на треть при отсутствии хищника и почти вдвое при его наличии.

Влияние солености воды водоема на токсические эффекты НЧ серебра без покрытия и дозо-зависимость эффекта изучались в [42]. Молодые радужные форели Oncorhynchus mykiss провели в среде с НЧ серебра 14 дней при различной солености воды – низкой (0.4 ppt), средней (6±0.3 ppt) или высокой (12±0.2ppt). Содержание НЧ серебра составляло 0.032, 0.1, 0.32 и 1 ppm при низкой солености и 3.2, 10, 32 и 100 ppm при средней и высокой соленостях воды. Агломерации и осаждения НЧ не наблюдалось при низкой солености воды, но наблюдалась при средней и высокой. При всех уровнях солености накопление серебра в органах и тканях было дозозависимым. Больше всего серебра накопилось, как и следовало ожидать, в печени, потом в почках, жабрах, и меньше всего – в белых мышцах. Т.е. распределение токсического агента по органам оказалось предсказуемым. Отношение массы печени к массе тела возрастало с увеличением концентрации НЧ.

Влияние солености среды обитания, а также сравнительные эффекты влияния НЧ серебра, его стабилизирующего покрытия и ионов серебра (Ag+) подробно описаны в [19, 72]. Обитатели эстуариев, устрицы Scrobicularia plana, провели некоторое время в растворах НЧ серебра концентрацией 10 мкг/л, его стабилизирующего покрытия (по 4% от объема раствора - соединение триолеина с полиоксиэтиленом (polyoxyethylene glycerol trioleate) и соединение сорбитана монолаурата с полиоксиэтиленом (polyoxyethylene (20) sorbitan mono-laurat, полисорбат 20) или содержащем серебро в виде ионов растворе (растворенный нитрат серебра) при двух различных соленостях воды. Содержание серебра, как НЧ, так и иона, в пищеварительной железе экспериментальных устриц было выше, чем в контроле и группе с раствором покрытия (здесь серебро лишь в малом фоновом количестве было получено из среды обитания), и выше при меньшей солености. В клетках экспериментальных моллюсков серебро накапливалось преимущественно в цитозоле, в то время как в остальных двух группах – в нерастворимой фракции. Во всех группах, кроме контрольной, были выявлены признаки окислительного стресса: пониженное содержание антиоксидантов и окисление липидов. Наиболее выражены они были при более низкой солености (развился апоптоз), а также у моллюсков, экспонированных НЧ серебра, что связано с повышенным накоплением серебра при низкой солености. Также во всех группах, кроме контрольной, проявились нарушения поведения при обеих соленостях – устрицы реже зарывались в грунт.

Сравнительная токсичность НЧ серебра со стабилизирующим покрытием и Ag+ изучалась в работе [29]. Взрослых самок небольшой рыбы, черного толстоголова Pimephales promelas, подвергали экспозиции НЧ (покрытие – PVP, концентрация 61,4 мкг/л) или Ag+ (4,8 мкг/л) в течение трех суток. Транскриптомный анализ показал, что обе формы серебра повлияли на биохимические пути, связанные с гомеостазом ионов натрия, калия и водорода, а также с окислительным стрессом. Обе формы серебра затронули несколько путей, ведущих к неврологическим нарушениям, а среди подверженных влиянию рецепторов и лигандов были обнаружены рецептор эстрогена GPER, рецептор серотонина HTR2A, рецептор уротензина 2 UTS2R, дофамин, триийодтирозин, бета-эстрадиол, норэпинефрин и прогестерон. В печени затронутые влиянием серебра биохимические пути тоже были сходны в группах с НЧ и с Ag+. Однако высказано предположение, что токсические эффекты в печени и в том, и в другом случае были обусловлены, главным образом, влиянием Ag+. НЧ и Ag+ разным образом оказывали и нейротоксические эффекты. В мозге воздействие НЧ серебра было более выражено, чем у Ag+.

Для НЧ других материалов также получено много данных об их токсичности, хотя часть данных и противоречива. Например, молодых нематод, дикого типа и мутантных по генам белков, связанных с окислительным стрессом и клеточным ответом на него, подвергали острому контакту с НЧ диоксида титана (TiO2) с размером порядка 10 нм в концентрации 20 мкг/л (близкой к оценочному содержанию TiO2 в водах – 16-24 мкг/л) или 25 мг/л (близкой к содержанию НЧ TiO2 в жевательной резинке – 10-25 мг/л). Все мутантные черви демонстрировали сходную с диким типом выживаемость и нормальное развитие. Размер выводка и локомоция мутантов также не отличались от таковой у дикого типа: даже при уменьшении размера выводка у дикого типа при высокой концентрации НЧ у большинства мутантов произошли сходные изменения. Окислительный стресс не развивался при малой концентрации НЧ, однако при большом содержании НЧ у четырех мутантов он все же был значимо выражен [61].

 

         3.3. Молекулярные механизмы токсичности НЧ.

Самое многогранное направление - изучение молекулярных и биохимических механизмов цитотоксичности, в т.ч. генотоксичности НЧ [46, 60]. Большинство работ проводят на образцах тканей экспериментальных животных; однако расширяется применение и клеточных культур человека, мышей, данио-рерио и др. К примеру, Юинь с коллегами [73] с помощью клеточных культур смогли системно рассмотреть влияние НЧ серебра (размер 34 нм, покрытие – цитрат) и Ag+ на развитие культивируемых эмбриональных стволовых клеток мыши по нейрональному пути. Сначала в среду к клеткам, содержащую ингибитор дифференциации, добавляли от 0,001 до 1 мкг/мл коллоидного раствора НЧ, раствора цитрата или нитрата серебра и инкубировали 2,4, 12, 24, 48 или 96 часов. После окрашивания культур угнетения пролиферации клеток не наблюдали ни в одном из образцов. Увеличение содержания кальция в клетках, как один из признаков клеточного стресса, произошло только в культуре, контактировавшей с НЧ серебра в концентрации 1 мкг/мл. Затем клетки культивировали 28 дней в среде, не содержащей ингибитор дифференциации, с добавлением 0,01 или 0,1 мкг/мл указанных выше веществ. В таких условиях клетками были сформированы эмбриоидные тельца (embryoid bodies) – сферические структуры, состоящие из слоев клеток всех трех эмбриональных листков, что моделирует ранние стадии эмбрионального развития. Экспрессия маркеров эндодермы, мезодермы и нейроэктодермы почти не отличалась от таковой у контроля. Далее сформировали две разные модели нейронального развития культуры: либо в среду к эмбриональным тельцам или недифференцированным стволовым клеткам после 4 дней инкубации добавляли ретиноевую кислоту в течение еще 4 дней, либо после 4 дней инкубации клетки или тельца перемещали еще на 4 дня в среду, содержащую факторы нейронального развития (N2B27 medium). Концентрация 1 мкг/мл НЧ серебра и Ag+ вызвали гибель образцов. В модели с ретиноевой кислотой уровни экспрессии 6 разных маркеров нейроэктодермы были дозозависимо повышены после контакта с НЧ серебра, но не с Ag+. Во второй модели оценили морфологию клеток путем иммунофлюоресцентного окрашивания ассоциированного с микротрубочками белка-2 (microtubule-associated protein 2, MAP2), важного для формирования цитоскелета отростков нервных клеток. После контакта с НЧ серебра в культурах было выявлено больше морфологически нормальных предшественников нейронов, чем в контроле, т.е. можно говорить о стимуляции нейрогенеза в присутствии НЧ. Напротив, после контакта с Ag+ очень малое количество клеток производило рассматриваемый протеин (группа 0,1 мкг/мл) или получавшиеся предшественники нейронов отличались искривленными синапсисами (группа 0,01 мкг/мл). Также были обнаружены свидетельства влияния серебра на нейрональное развитие через высококонсервативный сигнальный путь Notch: после контакта с Ag+ в клетках значительно возросли уровни экспрессии гена трансмембранного рецепторного белка NOTCH1, гена его лиганда и его таргетного гена. Эти уровни были тоже изменены по сравнению с контролем после контакта с цельными НЧ серебра.

Хьюанг с сотрудниками [40] инкубировали три клеточные культуры мыши - астроциты, клетки микроглии и предварительно подвергнутые дифференциации до нейроно-подобной структуры клетки нейробластомы - с НЧ серебра (размер 3-5 нм, без покрытия). На 24 часа добавляли НЧ в питательную среду, где содержались клетки, в концентрациях 1,5, 10 и 12,5 мкг/мл. Было выявлено снижение пролиферации астроцитов и нейроно-подобных клеток по сравнению с контрольными культурами, а также выделение клетками всех трех экспериментальных культур провоспалительного цитокина интерлейкина-1-бета. Увеличение экспрессии генов, связанных с развитием воспаления белков наблюдали в культурах, подвергшихся влиянию НЧ в концентрациях 5-12,5 мкг/мл. В нейроноподобных клетках, экспонировавшихся при содержании НЧ 12,5 мкг/л, при иммунофлюоресцентном окрашивании были обнаружены блоки бета-амилоидов, связанных с развитием болезни Паркинсона. Также в экспериментальных культурах были возросли экспрессия и содержание предшественника амилоидов (APP).

В настоящее время как основной механизм клеточной и молекулярной токсичности НЧ, включая генотоксичность, выделяют развивающийся в присутствии НЧ окислительный стресс [5, 39, 45]. Обнаружено, что в эукариотических клетках образование активных форм кислорода, включая свободные радикалы, возрастает в присутствии НЧ. Одновременно снижаются уровень экспрессии генов и содержание антиоксидантных белков, нарастают повреждения ДНК [14, 20, 43], падает содержание и уровень экспрессии структурных белков (миелин в клетках миелиновых оболочек) и регуляторов развития (нейронального, например) [25, 74]. Возрастают уровни экспрессии регуляторов апоптоза, и в конечном итоге клетка его претерпевает. На тканевом уровне развиваются воспаление, отечность и, как крайний исход, - некроз [33].

Ряд работ посвящен оценке мутагенности и/или канцерогенности НЧ, степень которых заметно различается между типами НЧ [2, 9, 11, 23, 30, 34, 47]. К примеру, четырьмя стандартными методами оценивания мутагенности не было обнаружено свидетельств таковой у НЧ золота [2; 30], в то время как НЧ асбеста - доказанный канцерогенный фактор [11]. Данные о мутагенной активности НЧ серебра значимо различаются при выборе разных методов ее оценки. Так, проверка частоты обратных мутаций у грамотрицательных бактерий (тест Эймса, Ames test) не показала отклонений от контроля, но позже была признана недейственной: НЧ (размер >10 нм) не были обнаружены в клетках [23, 34]. В растительных клетках (тест с луком репчатым, Allium test) мутагенного действия (различных хромосомных нарушений, в т.ч. микроядрышек) не обнаружено при концентрациях НЧ серебра до 50 мг/л включительно. Однако при 50 мг/л наблюдали значимую стимуляцию митоза [9]. В клетках костного мозга НЧ серебра вызывали заметное возрастание частоты возникновения хромосомных нарушений (in vitro тест на микроядрышки, micronucleus test) и разрывов ДНК, прямо зависящее от дозы НЧ и обратно – от размера НЧ: чем НЧ меньше, тем выше их генотоксичность и мутагенность [23, 34, 47]; также НЧ, покрытые цитратом, оказывали более заметное воздействие, чем покрытые поливинилпирролидоном [34].

Активному рассмотрению сегодня также подвергается такой аспект взаимодействия НЧ с биополимерами, как образование так называемой белковой короны (protein crown). Биополимеры, в основном белки, адсорбируются на поверхности НЧ, окружая ее и тем самым значительно увеличивая ее гидродинамический диаметр, что может приводить на уровне организма к тромбированию мелких артерий и вен [24, 41, 70]. Белковая корона начинает формироваться еще до поступления НЧ внутрь клетки. Даже минутные инкубации различных магнитных НЧ в среде для культивирования клеток могут приводить к 5-кратному увеличению гидродинамических размеров частиц, в клетки не прошедших [13]. Значение белковой короны настолько велико, что, по мнению ряда исследователей, характер взаимодействия живых систем с НЧ зависит, в первую очередь, от состава белковой короны, а не от поверхностных характеристик самих НЧ [6]. К тому же, поверхность НЧ может вызывать конформационные изменения в адсорбированных белковых молекулах, которые могут как привести к появлению у белков новых, нефизиологических функций, так и, в свою очередь, повлиять на характер взаимодействия НЧ с клетками [12]. Формирование белковых корон способно не только влиять на уровни поступления НЧ в клетки и их накопление там, потенциально снижая токсичность НЧ для клеток, но и вызывать деградацию самих НЧ и воспалительную реакцию в ткани из-за активации макрофагов [15]. Образование белковой короны вокруг НЧ из аморфного кремния, например, смягчает токсический эффект самого кремния [22].  По мнению [22], в настоящее время никто не может предсказать состав белковых корон и биологические последствия их образования. Так как белковые композиции питательных сред отличаются от белковых композиций биологических жидкостей организмов, то и данные о токсичности белковой короны, полученные in vitro, нельзя автоматически экстраполировать на НЧ in vivo. Поэтому установление характера и особенностей воздействия образующейся белковой короны, в том числе in vivo – одно из передовых направлений изучения механизмов молекулярной токсичности НЧ [15].

Значимый аспект в работах, посвященных токсическому воздействию НЧ, особенно на молекулярном уровне – роли материала НЧ, размера НЧ, стабилизирующего их в растворе покрытия (например, для серебра), формы кристаллов (например, для TiO2), концентрации НЧ в растворе и/или дозы НЧ, а также примененного в работе способа поступления НЧ в организм и длительности экспозиции. К сожалению, в описаниях методики не каждой работы указывают все эти данные, но в ряде работ изучается дозо-зависимое влияние данных факторов на наблюдаемые токсические эффекты [33, 34, 48, 50]. Подтверждено, например, что чем НЧ меньше, тем выше их способность к проникновению в ткани. НЧ размером менее 100 нм могут попадать в мозг, благодаря их способности проходить через гематоэнцефалический барьер. Токсические эффекты НЧ серебра, стабилизированных цитратом натрия, считаются менее выраженными, чем у НЧ, покрытых поливинилпирролидоном (PVP) или полиэтиленгликолем-5000 (PEG-5000), потому покрытые цитратом НЧ чаще выбирают в работах, где на влиянии покрытия фокус не заостряется [25, 32, 64]. Известна работа, в которой указана меньшая токсичность НЧ серебра, стабилизированных полифенолами в составе экстракта бузины черной Sambucus nigra, по сравнению с покрытыми цитратом НЧ [26]. Много работ, например, для серебра посвящено сравнению токсичности НЧ и ионов: причем ионы, согласно данным многих авторов, более токсичны [17, 29, 34, 36, 73]. Из кристаллических форм TiO2 в исследованиях применяют преимущественно чистый анатаз размерами в пределах 20 нм, а рутил или смесь рутила и анатаза выбирают только при моделировании токсичности промышленных красок, т.к. они обладают менее выраженными цитотоксическими эффектами [67].

 

         3.4. Репродуктивная токсичность НЧ.

За последние 10 лет значимо развилось изучение влияния НЧ и на репродуктивную функцию и развитие организма (reproductive and developmental toxicity). Это также важно и в свете возможного контакта молодых женщин с НЧ на производстве. Наиболее часто для исследований в данной области выбирают НЧ серебра и модельные виды позвоночных – данио-рерио, мелких лабораторных грызунов. В [54] оценивали выживаемость эмбрионов данио-рерио в воде для аквариумных рыб с разной степенью солености воды после контакта (8-120 часов после оплодотворения) с НЧ серебра, покрытие – цитрат. НЧ вызывали задержку вылупления из икринки, замедление сердечного ритма, отек перикарда и гибель эмбрионов. При этом эффекты были более выражены в воде с низкой соленостью, что могло быть обусловлено агрегацией НЧ при высокой солености. В сходном эксперименте в работе [48] подобное токсическое влияние оказывали как НЧ серебра, покрытые полиакрилатом, так и ионы, однако у Ag+ эффекты были отмечены сильнее. Генерация окислительного стресса произошла у всех экспериментальных животных. Содержание неокисленного глутатиона наиболее сильно снизилось у контактировавших с Ag+ животных, а общие уровни окисленного глутатиона росли с увеличением содержания серебра в среде. Однако если в среду к эмбриону одновременно с серебром добавляли L-цистеин, образующий с ионом серебра хелатный комплекс, токсичность обеих форм серебра значительно уменьшалась, что говорит, в первую очередь, о токсичности Ag+. Например, смертность в группе ионов серебра с L-цистеином составляла 37% против 77% при отсутствии L-цистеина. Уровень неокисленного глутатиона также был значительно выше, чем без L-цистеина, а содержание окисленного глутатиона оставалось дозозависимым от количества серебра.

В исследовании [69] эмбрионы данио-рерио подвергли острому контакту с коллоидным раствором НЧ серебра (покрытие – олеиновая кислота) двух размеров, 4 и 10 нм, а также с ионами серебра, на протяжении разных периодов развития - от 4 до 96 часов после оплодотворения. Концентрации НЧ в растворе составили 0.481, 0.963, 1.925, 3.850, 7.700, 11.550 и 23.100 мг/л, в то время как содержание ионов серебра было выбрано на два порядка меньшим - 0.0015, 0.003, 0.006, 0.018, 0.036 и 0.072 мг/л. Накопление серебра обнаружено преимущественно в голове эмбриона. Количество дефектов у эмбрионов возрастало с увеличением дозы НЧ, при этом НЧ меньшего размера оказывали большее токсическое влияние и в большем объеме накапливались в организме (возможно, благодаря их поступлению через жабры). Однако для Ag+ схожие по характеру токсические эффекты были обнаружены при концентрациях в 300 раз меньших - хотя и на два порядка превышавших содержание Ag+ как в растворах с НЧ, так и в чистой воде у контрольной группы. Были обнаружены заметные нарушения развития: экспериментальные эмбрионы отличались маленькой головой с уменьшенными глазами и недоразвитым задним мозгом, отечностью сердца и замедленным сердечным ритмом, согнутым нотохордом и деформациями желточного мешка. Также были рассмотрены уровни экспрессии нескольких генов, связанных с нейрональным развитием, после 24 ч экспозиции НЧ. Уровень экспрессии гена раннего маркера нейрональных клеток HUC (ELAVL3) был заметно снижен при НЧ 10 нм, но несколько повышен при НЧ 4 нм. Аналогичным образом изменилась экспрессия гена глиального фибриллярного кислого белка GFAP, характерного для астроцитов и признанного одним из ранних маркеров окислительного стресса. Уровни экспрессии гена нейрогенина-1 (NGN1) - регулятора дифференциации нейронов - оказались повышены по сравнению с контролем. Авторы полагают, что деформации головы эмбриона были обусловлены нарушениями дифференциации нейрональных клеток, и недоразвитость глаз в том числе, т.к. не было найдено изменений уровней экспрессии генов otx и rx1, регулирующих развитие сетчатки. Уровень экспрессии гена металлотионеина был снижен в всех экспериментальных группах: при НЧ 4 нм он был ниже контрольного при любых концентрациях НЧ, а в остальных группах при малых концентрациях НЧ или Ag+ он возрастал, но при увеличении концентрации снижался. В пути воздействия серебра на клетки также были вовлечены АТФ-связывающие кассетные белки-транспортеры (ATP-binding cassette transporters), участвующие, в том числе, в детоксификации тяжелых металлов: уровни экспрессии их генов возросли.

Пауэрс с коллегами [57] рассмотрели влияние контакта (4-120 часов с оплодотворения) с НЧ серебра разного размера (10 или 50 нм) и с разным покрытием (PVP, цитрат), а также с Ag+, на выживаемость и морфологию эмбрионов данио-рерио, на плаванье мальков (возраст 7 суток) и их поведенческий ответ на изменения освещенности. НЧ, покрытые цитратом, и ионы вызывали токсические эффекты – задержку вылупления, повышенную смертность и морфологические нарушения. И в этом исследовании влияние ионов Ag+ было выражено сильнее. Мальки, контактировавшие с НЧ с цитратом, демонстрировали нормальные поведенческие реакции на изменения освещенности, в то время как подвергшиеся воздействию Ag+ рыбы отличались гиперактивностью при любой освещенности, кроме постоянного яркого света. При этом зрение ни у кого не пострадало: изменения в освещенности замечали все рыбы, и порог освещенности, запускавший смену поведения, был одинаков для всех особей в каждой части тестирования. Аналогично, НЧ, покрытые PVP, не оказали влияния ни на выживаемость, ни на морфологию эмбрионов, что может говорить об ингибировании PVP токсического эффекта НЧ серебра. А в исследовании [18], поставленном по схожей схеме, но с покрытыми PEG-500 НЧ серебра и с широким спектром концентраций, от 2,15 нг/л до 2,15 мг/л, было обнаружено, что высокие концентрации как НЧ, так и Ag+, наоборот, обуславливали подавление локомоторной активности у мальков, вызвав при этом сходные с описанными в предыдущей статье токсические эффекты для эмбриона. Одновременно с этим низкие, сопоставимые с естественными концентрации Ag+ вызывали у мальков гиперактивность.

Интересно, что в эксперименте Гонсалеса с сотрудниками [31], рассмотревших именно влияние низких, близких к природным, уровней содержания НЧ серебра (покрытие – альгинат; содержание 0,03; 0,1; 0,3; 1 и 3 ppm) на эмбрионы данио-рерио (экспонированы с 4 до 120 часов после оплодотворения), негативных изменений выживаемости, вылупления или морфологии обнаружено не было. Но в возрасте трех суток рыбы из групп с концентрациями НЧ от 0,3 до 3 ppm были гиперактивны в своих реакциях на изменения освещенности. Однако после 4-х суток жизни гиперактивными оставались только представители группы 3 ppm, а в возрасте 5 суток отклонения от нормы в поведении исчезали у всех экспериментальных особей.

Как видим, результаты исследований разных авторов с эмбрионами данио-рерио и НЧ серебра в некоторой части результатов противоречивы. Это часто встречается в исследованиях с НЧ, т.к. не все методики стандартизированы по условиям проведения и не все внешние влияющие факторы, видимо, принимаются во внимание. Не полностью однородны пока еще результаты исследований и на грызунах, и с другим материалом НЧ. У самок мышей, например, которым во время беременности были сделаны разовые внутривенные инъекции НЧ кремния или TiO2, наблюдались осложнения беременности. Размер плода у них был меньше, чем у контрольных животных, и НЧ были обнаружены в плаценте, печени и мозге плода [71]. При многократных подкожных инъекциях НЧ TiO2, сделанных беременным мышам, у самцов из полученного потомства была снижена масса тела, а НЧ были обнаружены в черепных нервах и в тестикулах. В образцах мозга были обнаружены маркеры апоптоза, наблюдались нарушения структуры тестикул и снижение количества зрелой спермы [65]. В сходных экспериментах были обнаружены маркеры апоптоза в мозге плодов и новорожденных мышей [62], а также уменьшение размера плаценты, плода и анатомические нарушения в мозге и печени плода [52]. При интрагастральном введении НЧ TiO2 беременным крысам у потомства обнаруживаются маркеры апоптоза и угнетение нейрогенеза в гиппокампе [20]. У потомства самок, потреблявших с кормом НЧ ZnO, обнаружены молекулярные свидетельства нарушений в развитии и функционировании печени [37]. В ряде работ показаны нарушения репродуктивной функции у самцов и самок, подвергшихся воздействию НЧ серебра при однократном пероральном введении (угнетение сперматогенеза, гистопатологические нарушения в яичниках и т.д.). Наличие и характер токсического эффекта в значительной степени зависели от дозы и размера НЧ: чем они меньше, тем менее выражен был эффект [27]. Однако в работе [4] было обнаружено и дважды подтверждено неожиданное влияние перорального потребления НЧ серебра на рождаемость у мышей в виде увеличения потомства. Количество потомства у самок и самцов, контактировавших с НЧ серебра с покрытием PVP в период спаривания, беременности и лактации, было примерно вдвое больше, чем в контрольной группе. В случае же использования коллоидного раствора НЧ серебра без покрытия ранее этим же коллективом авторов не было замечено изменений в репродуктивной функции у самок мышей [8].

Также, как уже упоминалось ранее, определенным индикатором влияния НЧ на нервную систему и функцию головного мозга служат изменения в поведении у животных, контактировавших с НЧ, которые могут наблюдаться в том числе у их потомства, которому НЧ могли передаваться из организма матери в период пренатального развития и/или раннего постнатального развития (во время лактации). Это тоже сегодня является предметом пристальных исследований, чему далее будет посвящен отдельный раздел.

 

  1. Методы количественного определения содержания НЧ в тканях.

Один из ключевых элементов изучения токсичности НЧ для живых систем - определение их наличия и концентрации (уровня накопления) в биологических образцах. Содержание НЧ в таких образцах может быть оценено либо по количеству вещества, из которого изготовлены НЧ, если этого вещества исходно в норме не должно содержаться в образце (по содержанию, например, золота или серебра), либо по количеству именно НЧ, которые подсчитываются в образце при визуализации или другими методами. Основная проблема – уровни накопления НЧ в тканях и органах животных при экспериментах может быть настолько маленькая, что многие обычные лабораторные методы, например, биохимические, часто здесь не работают. Поэтому количественная оценка накопления вещества (материала) НЧ в органах и тканях лабораторных животных может быть стандартно сегодня проведена только методами атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС), масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС), нейтронным активационным анализом (НАА) и рядом других аналогичных методов. Обнаружение же самих НЧ, подсчет их количества, определение их размеров и форм в основном проводится методами электронной микроскопии1 и динамического рассеяния света (ДРС). Все перечисленные методы обладают как значительными аналитическими возможностями, так и индивидуальными ограничениями. Сообщений о каких-либо специальных для НЧ новых методах их обнаружения в биологических тканях за обзорное время второго десятилетия нашего XXI века обнаружено нами не было.

Атомно-абсорбционная спектрометрия является известным одноэлементным методом для точного количественного химического анализа. Метод основан на поглощении электромагнитного излучения специфической длины волны атомом в основном состоянии с переходом в возбужденное состояние. Поглощенная энергия прямо пропорциональна количеству присутствующих атомов. В зависимости от способа получения поглощающего слоя атомов выделяют 4 основных типа техники атомизации: пламенная атомизация (испарение и атомизация происходят в пламени), электротермическая атомизация (испарение и атомизация пробы происходит в графитовой трубке), гидридная техника (основана на разложении газообразных гидридов в кварцевой ячейке или графитовой печи) и метод «холодного пара» (применяется в основном для определения ртути).

Достоинствами метода являются простота спектров поглощения в сравнении с эмиссионными спектрами, стоимость анализа, простота и быстрота проведения измерений. Существенные ограничения ААС -  неселективное поглощение и матричное подавление при анализе сложных по составу объектов, низкая селективность и чувствительность по сравнению с другими методами количественного анализа, возможность определения элементов только для которых есть в наличии лампы [1, 35]. Пределы обнаружения химических элементов методом ААС зависят от определяемого элемента, матрицы образца и типа прибора. Для приборов в пламенном варианте пределы обнаружения могут варьировать от 0.1 до 100 мкг/л, а в электротермическом - от 0.001 до 0.1 мкг/л.

Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС) - это разновидность масс-спектрометрии, отличающаяся высокой чувствительностью, способностью определять до 70 элементов периодической системы Менделеева, низкими пределами обнаружения (до ~10−9-10−7 % мас.), высокой стабильностью излучения разряда, быстротой измерений, простотой градуирования [3, 10]. Метод основан на использовании индуктивно-связанной плазмы в качестве источника ионов. Индуктивно связанная плазма представляет собой сильно ионизированный инертный газ (скажем, аргон) с одинаковым числом электронов и ионов, поддерживаемых радиочастотным полем. Высокая температура, достигнутая в плазме, последовательно превращает в пар и возбуждает атомы испытуемого образца. Количественная оценка в ИСП-АЭС основана на измерении возбужденных атомов и ионов при длинах волн, характерных для конкретных элементов. Основные ограничения метода ИСП-АЭС связаны с матричным эффектом и интерферирующими воздействиями матричных компонентов проб. К недостаткам методики также можно отнести высокую стоимость оборудования и затраты на его обслуживание [49].

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в настоящее время занимает лидирующее место в определении металлов и металлоидов в различных типах образцов. В основе метода лежит применение аргоновой индуктивно связанной плазмы в качестве источника ионов, в сочетании с масс-спектрометром для разделения и последующего детектирования ионов. Основными достоинствами ИСП-МС, как и в случае ИСП-АЭС, являются высокая чувствительность, возможность многоэлементного анализа, низкие пределы обнаружения (ниже, чем у ИСП-АЭС), высокая точность и широкий линейный диапазон определяемых концентраций, а также возможность определения изотопного состава образца [49]. Так, например, предел обнаружения для золота составляет 50 мкг/л методом ИСП-АЭС и 0,0005 мкг/л методом ИСП-МС. Следует отметить, что пределы обнаружения зависят от определяемого элемента и матрицы образца. К недостаткам метода можно отнести стоимость оборудования и газа (аргон), необходимость использования нескольких газов высокой чистоты, высокий уровень квалификации персонала, необходимость постоянного контроля интерференций [49, 58, 68].

В промышленности нашли применение некоторые разновидности метода ИСП-МС, как, например, SP-ICP-MS. Эта разновидность позволяет определять размер, распределение по размерам и концентрацию НЧ в суспензиях всего за несколько минут. В SP-ICP-MS сильно разбавленный раствор вводятся в спектрометр таким образом, что статистически только одна наночастица в каждый отдельно взятый момент времени попадает в плазму [49, 51]. Сильная сторона методики заключена в том, что для измерений может быть использован стандартный пробор ИСП-МС, без технических изменений и дополнительных программ обработки данных. Но имеется и ряд недостатков, связанных с отсутствием возможности многоэлементного анализа с использованием традиционных квадрупольных систем ИСП-МС. Точность определения размера частиц сильно зависит от матрицы анализируемого материала и размеров самих частиц [49]. 

В большинстве случаев объектами анализа в ИСП-МС, ИСП-АЭС и ААС становятся водные растворы. Основными требованиями анализа растворов является полный перевод определяемых элементов в раствор, обеспечение устойчивости растворов и снижение содержания матричных элементов. Не менее важным параметром является степень чистоты используемых растворов. Поэтому, стадия химической пробоподготовки, которая определяет правильность всего анализа целом, является самой сложной и продолжительной.

Использование лазерной установки для проведения лазерной абляции в сочетании с ИСП масс-спектрометром (ЛА-ИСП-МС) позволяет выполнять анализ твердых образцов. Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой анализа (практически не требуется пробоподготовка). Система для ЛА-ИСП-МС состоит из импульсного лазерного источника, системы переноса лучей, транспортной линии и детектора ИСП [7, 44]. Однако недостаток метода - необходимость использования при измерении стандартов с той же матрицей, что и анализируемый образец, что не всегда возможно [7].

Другим методом определения элементного состава образцов является микро-рентгеновская флуоресценция [38], основанная на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце. При облучении образца мощным потоком рентгеновского излучения возникает характеристическое флуоресцентное излучение атомов вещества, пропорциональное их концентрации в образце. Метод микро-рентгеновской флуоресценции относится к неразрушающим методам анализа, подходит для анализа негомогенных образцов и требует минимальной пробоподготовки. Пригоден для определения концентрации элементов с Z>11 [66]. Пределы обнаружения для металлов находятся на уровне 0,05-150 мкг/л, погрешность метода составляет 2-9%, а время на анализ не превышает 15 мин.

Наряду с вышеописанными методами определения содержания НЧ в биологических образцах, могут быть использованы и ядерно-физические методы, в частности нейтронный активационный анализ (НАА). Это метод и качественного, и количественного определения химических элементов в образцах, основанный на измерении характеристик излучения радионуклидов, образующихся при облучении образцов нейтронами. Метод характеризуется высокой селективностью, точностью, чувствительностью, возможностью одновременного определения большого числа элементов, неразрушающим характером, простотой пробоподготовки, возможностью минимизации влияния матричных элементов [21, 28]. Процедура облучения образцов и продолжительность облучения зависят от типа реактора и плотности потока нейтронов. НАА является одним из основных конкурентов ИСП-МС, но, в отличие от ИСП, он не требует перевода образов в раствор и позволяет работать с образцами, масса которых очень мала (как, например, органы мелких лабораторных животных – мышей, крыс) [75]. Один из основных недостатков метода - работа с радиоактивными образцами. В НАА, как и в других методах количественного анализа, пределы обнаружения элементов зависят от образца, так в случае полимеров пределы обнаружения элементов могут варьировать от 0,004 до 2,5 мкг/г, а в образцах растительного происхождения от 0,1 до 50 мкг/г.

Методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на протяжении многих лет применяются в исследованиях НЧ [63]. Их в основном используют для определения размеров и форм НЧ, но некоторые приборы снабжены и дополнительными устройствами для элементного анализа. Данные устройства больше подходят для качественного анализа, получить точные количественные данные о содержании НЧ с помощью методов электронной микроскопии сложно.

Пространственное разрешение современных методов СЭМ составляет порядка 10 нм, а в усовершенствованных версиях может достигать 2,5 нм, максимальное увеличение х106. В типичном СЭМ пучок электронов с энергией от нескольких сотен эВ до 50 кэВ фокусируется на поверхности образца в очень маленькое пятно диаметром примерно 5 нм, которое сканирует поверхность с помощью системы отклоняющих катушек. При столкновении электронов с атомами материала имеет место эмиссия электронов и фотонов из образца, и при попадании эмитированных электронов в катодно-лучевую трубку в ней формируются СЭМ-изображения, представляющие информацию о морфологии поверхности образца [55].

Один из наиболее эффективных методов структурных исследований материалов, в том числе наноматериалов, - ПЭМ. ПЭМ позволяет получить изображения с высоким разрешением, вплоть до атомарного, а также информацию о химическом составе материала. Типовая установка ПЭМ состоит из вакуумной системы, источника электронов, серии электромагнитных линз, устройства формирования изображения, а также устройства ввода-вывода и перемещения образца под электронным пучком [59]. Высокоэнергичный пучок электронов проходит через тонкий образец, взаимодействует с ним и трансформируется в неупруго- и упруго-рассеянные электроны, которые фокусируются на устройстве формирования изображения: флуоресцентном экране, фотопластинке или ПЗС-сенсоре. Как и СЭМ, ПЭМ дает информацию о размерах, степени агрегации, дисперсии и гетерогенности наноматериалов, однако разрешение ПЭМ в разы превышает разрешение СЭМ. В ПЭМ ускоряющее напряжение прямо пропорционально его пространственному разрешению. Так, при ускоряющем напряжении 400 кВ теоретический предел разрешения ПЭМ менее 0,2 нм. Увеличение варьирует в пределах от 50 до 106. ПЭМ позволяет определить точный размер частиц как для изображений, полученных методом яркого поля, так и для изображений, полученных методом темного поля, а также дает информацию о морфологии образца, его составе и кристаллографической структуре [59].

Для определения размеров НЧ в растворе также активно используется метод динамического рассеяния света (ДРС). Метод основан на анализе флуктуаций интенсивности светорассеяния, которые содержат информацию о пространственной динамике рассеивателей и временных флуктуациях их индивидуальных оптических свойств [60]. В случае монодисперсного раствора размеры частиц можно определить достаточно точно. Если же в растворе присутствуют несколько видов частиц и их размеры отличаются в несколько раз, точность их определения значительно уменьшается. Данный метод позволяет измерять размеры частиц от 0,5-1 нм до 5-6 мкм. При сравнении ДРС и ПЭМ показано, что для растворов, содержащих НЧ в неагрегированном состоянии, размеры частиц, полученные двумя методами, не сильно различались. В то же время для агрегированных частиц ТЭМ дает более точные размеры [59].

В целом выбор методики анализа наличия НЧ и их количественного содержания в биологических образцах зависит от задач исследования и возможностей научного коллектива. Это – важная составляющая исследований.

 

(окончание следует)

 

Авторство

Ивлиева А.Л. собрала и проанализировала литературные источники, составила первый вариант рукописи и участвовала в редакции переработанного варианта рукописи. Зиньковская И. подготовила раздел о методах детекции и количественного анализа наночастиц и участвовала в утверждении переработанного варианта рукописи. Петрицкая Е.Н. внесла существенный вклад в дизайн обзора, интерпретацию и анализ литературных данных, участвовала в утверждении переработанного варианта рукописи. Рогаткин Д.А. внес основной вклад в общую концепцию обзора, в анализ и интерпретацию данных и существенно переработал первый вариант рукописи.

 

Конфликт интересов

Конфликт интересов отсутствует.

 

Регистрационные номера ORCID авторов:

А.Л. Ивлиева 0000-0002-0331-6233

И. Зиньковская 0000-0003-0820-887X

Е.Н. Петрицкая 0000-0002-3836-0103

Д.А. Рогаткин 0000-0002-7755-308X

 

1 Оптические микроскопы не видят накапливающихся в тканях НЧ, т.к. их размеры меньше длины волны света.

×

About the authors

Aleksandra Leonidovna Ivlieva

Email: ivlieva@medphyslab.com

Inga Zinicovscaia

Email: zinikovskaia@mail.ru

Elena Nikolaevna Petritskaya

Email: medphys@monikiweb.ru

Dmitry Alekseevich Rogatkin

Moscow Regional Research and Clinical Institute "MONIKI"
named after M.F.Vladimirskiy

Author for correspondence.
Email: d.rogatkin@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-7755-308X
http://www.medphyslab.ru

Ph.D., Sci. Dr., Head of laboratory of medical and physics research

Russian Federation

References

  1. Beizel' N. F. Atomno-absorbtsionnaya spektrometriya: Uchebnoe posobie [Atomic absorption spectrometry: Textbook]. Novosibirsk: Novosibirsk state university Publ., 2008. 72 pp.
  2. Dzhumagazieva D.S., Maslyakova G.N., Suleimanova L.V. Study of the mutagenic effect of gold nanoparticles in the micronucleus test. Byulleten' eksperimental'noi biologii i meditsiny [Bulletin of experimental biology and medicine]. 2011, 151 (6), pp. 677-680.
  3. Evdokimov I.I., Pimenov V.G., Fadeeva D.A. ICP-AES high purity arsenic analysis. Analitika i kontrol' [Analytics and control]. 2015, 19 (1), pp. 13-20. doi: 10.15826/analitika.2015.19.1.006
  4. Zin'kovskaya I., Ivlieva A. L., Petritskaya E. N., Rogatkin D. A. Surprising effect of long-term oral administration of silver nanoparticles on fertility in mice. Ekologiya cheloveka [Human Ecology]. 2020, 10, pp. 23-30. DOI: 10.33396 / 1728-0869-2020-10-23-30.
  5. Kukla S. P., Slobodskova V. V., Chelomin V. P. Genotoxic effect of titanium dioxide nanoparticles on the bivalve mollusk Mytilus trossulus (Gould, 1850) in the marine environment. Morskoi biologicheskii zhurnal [Marine Biology Journal]. 2018, 3 (4), pp. 43–50. doi: 10.21072/mbj.2018.03.4.05
  6. Leonenko N.S., Leonenko O.B. Factors influencing the manifestation of toxicity and hazards of nanomaterials. Innovative Biosystems and Bioengineering. 2020, 4 (2), pp. 75–88. doi: 10.20535/ibb.2020.4.2.192810
  7. Nikolaeva I.V., Palesskii S.V., Karpov A.V. Comparison of ICP / MS analysis of geological samples in the variant of solutions and laser ablation of glasses. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of georesources]. 2019, 330 (5), pp. 26–34. doi: 10.18799/24131830/2019/5/263
  8. Petritskaya E.N., Abaeva L.F., Rogatkin D.A., Litvinova K.S., Bobrov M.A. On the toxicity of silver nanoparticles after oral administration of a colloidal solution. Al'manakh klinicheskoi meditsiny [Almanac of Clinical Medicine]. 2011, 25, pp. 9-12.
  9. Prokhorova I.M., Kibrik B.S., Pavlov A.V., Pesnya D.S. Assessment of the mutagenic and mitosis-modifying action of silver nanoparticles. Byulleten' eksperimental'noi biologii i meditsiny [Bulletin of Experimental Biology and Medicine]. 2013, 156 (8), pp. 223-228.
  10. Pupyshev A.A., Danilova D.A. The use of inductively coupled plasma atomic emission spectrometry for the analysis of materials and products of ferrous metallurgy. Analitika i kontrol' [Analytics and control]. 2007, 11 (2-3), pp. 131-181.
  11. Pyatnitsa-Gorpinchenko N.K. Asbestos and fibrous carcinogenesis. Environment & Health. 2014, 1, pp. 4-9.
  12. Rumyantsev K.A., Shemetov A.A., Nabiev I.R., Sukhanova A.V. Interaction of proteins and peptides with nanoparticles. Structural and functional aspects. Rossiiskie nanotekhnologii [Russian nanotechnologies]. 2013, 8 (11-12), pp. 18-34.
  13. Sarapul'tsev A.P., Rempel' S.V., Kuznetsova Yu.V., Sarapul'tsev G.P. Interaction of nanoparticles with biological objects. Vestnik ural'skoi meditsinskoi akademicheskoi nauki [Bulletin of the Ural Medical Academic Science]. 2016, 3, pp. 97-111. doi: 10.22138/2500-0918-2016-15-3-97-111
  14. Sutunkova M.P., Makeev O.G., Privalova L.I., Minigalieva I.A., Gurvich V.B., Solov'eva S.N. i dr. Genotoxic effect of some elemental or elemental oxide nanoparticles and its weakening by a complex of bioprotectors. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya [Occupational medicine and industrial ecology]. 2018, 11, pp. 10–16. doi: 10.31089/1026-9428-2018-11-10-16
  15. Tkachenko T.V., Bezryadina A.S. Nanoparticles as an actual area of research. Mezhdunarodnyi studencheskii nauchnyi vestnik [International student scientific bulletin]. 2017, 4-5, pp. 619-621.
  16. Trigub A.G. Vliyanie kolloidnogo nanoserebra na presnovodnye i morskie planktonnye organizmy [Influence of colloidal nanosilver on freshwater and marine planktonic organisms]. Teoreticheskie i prikladnye aspekty sovremennoi nauki: sbornik nauchnykh trudov po materialam VI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Theoretical and applied aspects of modern science: collection of scientific papers based on the materials of the VI International scientific and practical conference]. Belgorod: IE Petrova M.G Publ., 2015, iss.1, pp. 123-135.
  17. Asghari S., Johari S.A., Lee J.H., Kim Y.S., Jeon Y.B., Choi H.J. et al. Toxicity of various silver nanoparticles compared to silver ions in Daphnia magna. Journal of Nanobiotechnology. 2012, 10: 14. doi: 10.1186/1477-3155-10-14
  18. Asmonaite G., Boyer S., de Souza K.B., Wassmur B., Sturve J. Behavioural toxicity assessment of silver ions and nanoparticles on zebrafish using a locomotion profiling approach. Aquatic Toxicology. 2016, 173, pp. 143–153. doi: 10.1016/j.aquatox.2016.01.013
  19. Bertrand C., Zalouk‐Vergnoux A., Giambérini L., Poirier L., Devin S., Labille J.et al. The influence of salinity on the fate and behavior of silver standardized nanomaterial and toxicity effects in the estuarine bivalve Scrobicularia plana. Environmental Toxicology and Chemistry. 2016, 35 (10), pp. 2550-2561. doi: 10.1002/etc.3428
  20. Bideskan A.E., Mohammadipour A., Fazel A., Haghir H., Rafatpanah H., Hosseini M. et al. Exposure to titanium dioxide nanoparticles during pregnancy and lactation alters offspring hippocampal mRNA BAX and Bcl-2 levels, induces apoptosis and decreases neurogenesis. Experimental and Toxicologic Pathology. 2017, 69 (6), pp. 329-337. doi: 10.1016/j.etp.2017.02.006
  21. Bode P., Greenberg R.R., De Nadai Fernandes E.A. Neutron Activation Analysis: A Primary (Ratio) Method to Determine Si-Traceable Values of Element Content in Complex Samples. CHIMIA International Journal for Chemistry. 2009, 63 (10), pp. 678–80. doi: 10.2533/chimia.2009.678
  22. Brun E., Sanche L., Sicard-Roselli C. Parameters governing gold nanoparticle X-ray radiosensitization of DNA in solution. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2009, 72 (1), pp. 128-134. doi: 10.1016/j.colsurfb.2009.03.025
  23. Butler K.S., Peeler D.J., Casey B.J., Dair B.J., Elespuru R.K. Silver nanoparticles: correlating nanoparticles size and cellular uptake with genotoxicity. Mutagenesis. 2015, 30, pp. 577–591. doi: 10.1093/mutage/gev020
  24. Chen E.Y. Garnica M., Wang Y.-C., Mintz A.J., Chen C.-S., Chin W.-C. A mixture of anatase and rutile TiO2 nanoparticles induces histamine secretion in mast cells. Particle and Fibre Toxicology. 2012, 9: 2. doi: 10.1186/1743-8977-9-2
  25. Dabrowska-Bouta B., Zieba M., Orzelska-Gorka J., Skalska J., Sulkowski G., Frontczak-Baniewicz M. et al. Influence of a low dose of silver nanoparticles on cerebral myelin and behavior of adult rats. Toxicology. 2016, 363–364, pp. 29-36. doi: 10.1016/j.tox.2016.07.007
  26. Dănilă O.-O., Berghian A.S., Dionisie V., Gheban D., Olteanu D., Tabaran F. et al. The effects of silver nanoparticles on behavior, apoptosis and nitro-oxidative stress in offspring Wistar rats. Nanomedicine (Lond). 2017, 12 (12), pp. 1455-1473. doi: 10.2217/nnm-2017-0029
  27. Ema M., Okuda H., Gamo M., Honda K. A review of reproductive and developmental toxicity of silver nanoparticles in laboratory animals. Reproductive Toxicology. 2017, 67, pp. 149-164. doi: 10.1016/j.reprotox.2017.01.005.
  28. Frontasyeva M. V. Neutron Activation Analysis in the Life Sciences. Physics of Particles and Nuclei. 2011, 42 (2), pp. 332–78. doi: 10.1134/S1063779611020043
  29. Garcia-Reyero N., Kennedy A.J., Escalon B.L., Habib T., Laird J.G., Rawat A. et al. Differential effects and potential adverse outcomes of ionic silver and silver nanoparticles in vivo and in vitro. Environmental Science and Technology. 2014, 48, pp. 4546–4555. doi: 10.1021/es4042258
  30. George J.M., Magogotya M., Vetten M.V., Buys A.V., Gulumian M. An Investigation of the Genotoxicity and Interference of Gold Nanoparticles in Commonly Used In Vitro Mutagenicity and Genotoxicity Assays. Toxicological Sciences. 2017, 156 (1), pp. 149–166. doi: 10.1093/toxsci/kfw247
  31. González E.A., Carty D.R., Tran F.D., Cole A.M., Lein P.J. Developmental Exposure to Silver Nanoparticles at Environmentally Relevant Concentrations Alters Swimming Behavior in Zebrafish (Danio rerio). Environmental Toxicology and Chemistry. 2018, 37 (12), pp. 3018–3024. doi: 10.1002/etc.4275.
  32. Greish K., Alqahtani A.A., Alotaibi A.F., Abdulla A.M., Bukelly A.T., Alsobyani F.M. et al. The Effect of Silver Nanoparticles on Learning, Memory and Social Interaction in BALB/C Mice. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019, 16 (1): 148. doi: 10.3390/ijerph16010148
  33. Grissa I., ElGhoul J., Mrimi R., Mir L.E., Cheikh H.B., Horcajada P. In deep evaluation of the neurotoxicity of orally administered TiO2 nanoparticles. Brain Research Bulletin. 2019, 155, pp. 119-128. doi: 10.1016/j.brainresbull.2019.10.005
  34. Guo X., Li Y., Yan J., Ingle T., Jones M.Y. et al. Size and coating-dependent cytotoxicity and genotoxicity of silver nanoparticles evaluated using in vitro standard assays. Nanotoxicology. 2016, 10 (9), pp. 1373–1384. doi: 10.1080/17435390.2016.1214764
  35. Ha Y., Tsay O.G., Churchill D.G. A tutorial and mini-review of the ICP-MS technique for determinations of transition metal ion and main group element concentration in the neurodegenerative and brain sciences. Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly. 2011, 142, pp. 385–398. doi: 10.1007/s00706-010-0438-6
  36. Hadrup N., Sharma A.K., Loeschner K. Toxicity of silver ions, metallic silver, and silver nanoparticle materials after in vivo dermal and mucosal surface exposure: A review. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2018, 98, pp. 257-267. doi: 10.1016/j.yrtph.2018.08.007
  37. Hao Y., Liu J., Feng Y., Yu Sh., Zhang W., Li Lan et al. Molecular evidence of offspring liver dysfunction after maternal exposure to zinc oxide nanoparticles. Toxicology and Applied Pharmacology. 2017, 329, pp. 318–325. doi: 10.1016/j.taap.2017.06.021
  38. Haschke M. Laboratory Micro-X-Ray Fluorescence Spectroscopy. Instrumentation and Applications. London: Springer Publ., 2013. 356 pp.
  39. Hu R., Zheng L., Zhang T., Gao G., Cui Y., Cheng Z. et al. Molecular mechanism of hippocampal apoptosis of mice following exposure to titanium dioxide nanoparticles. Journal of Hazard Materials. 2011, 191, pp. 32-40. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.04.027
  40. Huang C.-L., Hsiao I-L., Lin H.-C., Wang C.-F., Huang Y.-J., Chuang C.-Y. Silver nanoparticles affect on gene expression of inflammatory and neurodegenerative responses in mouse brain neural cells. Environmental Research. 2015, 136, pp. 253-263. doi: 10.1016/j.envres.2014.11.006
  41. Ivask A., Bondarenko O., Jepihhina N., Kahru A. Profiling of the reactive oxygen species-related ecotoxicity of CuO, ZnO, TiO2, silver and fullerene nanoparticles using a set of recombinant luminescent Escherichia coli strains: Differentiating the impact of particles and solubilised metals. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2010, 398 (2), pp. 701-716. doi: 10.1007/s00216-010-3962-7
  42. Joo H.S., Kalbassi M.R., Yu I.J., Lee J.H., Johari S.A. Bioaccumulation of silver nanoparticles in Rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): Influence of concentration and salinity. Aquatic Toxicology. 2013, 140–141, pp. 398-406. doi: 10.1016/j.aquatox.2013.07.003
  43. Kim S., Ryu D.Y. Silver nanoparticle-induced oxidative stress, genotoxicity and apoptosis in cultured cells and animal tissues. Journal of Applied Toxicology. 2013, 33 (2), pp. 78-89. doi: 10.1002/jat.2792
  44. Koch J., Günther D. Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (Third Edition). Ed. Lindon J., Tranter G.E., Koppenaal D. Oxford: Academic Press, 2017. pp. 526-532.
  45. Krawczynska A., Dziendzikowska K., Gromadzka-Ostrowska J., Lankoff A., Herman A.P., Oczkowski M., Krolikowski T. et al. Silver and titanium dioxide nanoparticles alter oxidative/inflammatory response and renine-angiotensin system in brain. Food and Chemical Toxicology. 2015, 85, pp. 96-105. doi: 10.1016/j.fct.2015.08.005
  46. Lewinski N., Colvin V., Drezek R. Cytotoxicity of Nanoparticles. Small. 2008, 4 (1), pp. 26-49. doi: 10.1002/smll.200700595
  47. Li Y., Chen D.H., Yan J., Chen Y., Mittelstaedt R.A., Zhang Y. et al. Genotoxicity of silver nanoparticles evaluated using the Ames test and in vitro micronucleus assay. Mutation Research. 2012, 745, pp. 4– 10. doi: 10.1016/j.mrgentox.2011.11.010
  48. Massarsky A., Dupuis L., Taylor J., Eisa-Beygi S., Strek L., Trudeau V.L. et al. Assessment of nanosilver toxicity during zebrafish (Danio rerio) development. Chemosphere. 2013, 92, pp. 59–66. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.02.060
  49. Meermann B., Nischwitz V. ICP-MS for the analysis at the nanoscale – a tutorial review. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2018, 33 (9), pp. 1432-1468. doi: 10.1039/C8JA00037A
  50. Moradi-Sardareh H., Basir H.R.G., Hassan Z.M., Davoudi M., Amidi F., Paknejad M. Toxicity of silver nanoparticles on different tissues of Balb/C mice. Life Sciences. 2018, 211, pp. 81-90. doi: 10.1016/j.lfs.2018.09.001
  51. Mozhayeva D., Engelhard C. A critical review of single particle inductively coupled plasma mass spectrometry – A step towards an ideal method for nanomaterial characterization. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2020, 35, pp. 1740-1783. doi: 10.1039/C9JA00206E
  52. Naserzadeh P., Ghanbary F., Ashtari P., Seydi E., Ashtari K., Akbari M. Biocompatibility assessment of titanium dioxide nanoparticles in mice feto-placental unit. Journal of Biomedical Materials Research: Part A. 2017, 106A, pp. 580–589. doi: 10.1002/jbm.a.36221
  53. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals: Daphnia sp. [Электронный ресурс]. URL: https://www.oecd-ilibrary.org/environment/oecd-guidelines-for-the-testing-of-chemicals_72d77764-en (дата обращения: 22.01.2021).
  54. Park K., Tuttle G., Sinche F., Harper S.L. Stability of citrate-capped silver nanoparticles in exposure media and their effects on the development of embryonic zebrafish (Danio rerio). Archives of Pharmacal Research. 2013, 36, pp. 125–133. doi: 10.1007/s12272-013-0005-x
  55. Pinto A.M.F.R., Oliveira V.B., Falcão D. Direct Alcohol Fuel Cells for Portable Applications Fundamentals. Engineering and Advances. London: Academic Press Publ., 2018. 353 pp.
  56. Pokhrel L.K., Dubey B. Potential Impact of Low-Concentration Silver Nanoparticles on Predator−Prey Interactions between Predatory Dragonfly Nymphs and Daphnia magna as a Prey. Environmental Science and Technology. 2012, 46, pp. 7755−7762. doi: 10.1021/es204055c
  57. Powers C.M., Slotkin T.A., Seidler F.J., Badireddy A.R., Padilla S. Silver Nanoparticles Alter Zebrafish Development and Larval Behavior: Distinct Roles for Particle Size, Coating and Composition. Neurotoxicology and Teratology. 2011, 33 (6), pp. 708–714. doi: 10.1016/j.ntt.2011.02.002
  58. Pröfrock D., Prange A. Inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) for quantitative analysis in environmental and life sciences: a review of challenges, solutions, and trends. Applied spectroscopy. 2012, 66 (8), pp. 843-68. doi: 10.1366/12-06681.
  59. Raval N., Maheshwari R., Kalyane D., Youngren-Ortiz S.R., Chougule M.B., Tekade R.K. Importance of Physicochemical Characterization of Nanoparticles in Pharmaceutical Product Development. Basic Fundamentals of Drug Delivery. Ed. Tekade R. London: Academic Press, 2019. pp. 369-400.
  60. Rodriguez-Garraus A., Azqueta A., Vettorazzi A., de Cerain A.L. Genotoxicity of Silver Nanoparticles. Nanomaterials. 2020, 10: 251. doi: 10.3390/nano10020251
  61. Rui Qi, Zhao Y., Wub Q., Tang M., Wang D. Biosafety assessment of titanium dioxide nanoparticles in acutely exposed nematode Caenorhabditis elegans with mutations of genes required for oxidative stress or stress response. Chemosphere. 2013, 93 (10), pp. 2289-2296. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.08.007
  62. Shimizu M., Tainaka H., Oba T., Mizuo K., Umezawa M., Takeda Ken. Maternal exposure to nanoparticulate titanium dioxide during the prenatal period alters gene expression related to brain development in the mouse. Particle and Fibre Toxicology. 2009, 6: 20. doi: 10.1186/1743-8977-6-20
  63. Sun D., Siddiqui M.O.R., Iqbal K. Specialty testing techniques for smart textiles. Smart Textile Coatings and Laminates (Second Edition). The Textile Institute Book Series. Ed. Smith W.C. Cambridge: Woodhead Publishing, 2019. pp. 99-116.
  64. Tabatabaei S.R.F., Moshrefi M., Askaripour M. Prenatal exposure to silver nanoparticles causes depression like responses in mice. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2015, 77 (6), pp. 681–686.
  65. Takeda Ken, Suzuki K., Ishihara A., Kubo-Irie M., Fujimoto Rie, Tabata M. et al. Nanoparticles transferred from pregnant mice to their offspring can damage the genital and cranial nerve systems. Journal of Health Science. 2009, 55 (1), pp. 95-102. doi: 10.1248/jhs.55.95
  66. Veith L., Dietrich D., Vennemann A., Breitenstein D., Engelhard C., Karst U. et al. Combination of micro X-ray fluorescence spectroscopy and time-of-flight secondary ion mass spectrometry imaging for the marker-free detection of CeO2 nanoparticles in tissue sections. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2018, 33, pp. 491-501. doi: 10.1039/C7JA00325K
  67. Warheit D.B., Brown S.C., Donner E.M. Acute and subchronic oral toxicity studies in rats with nanoscale and pigment grade titanium dioxide particles. Food and Chemical Toxicology. 2015, 84, pp. 208-224. doi: 10.1016/j.fct.2015.08.026
  68. Wilschefski S.C., Baxter M.R.. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry: Introduction to Analytical Aspects. The Clinical Biochemist Reviews. 2019, 40 (3), pp. 115–133. doi: 10.33176/AACB-19-00024
  69. Xin Qi, Rotchell J.M., Cheng J., Yi J., Zhang Q. Silver nanoparticles affect the neural development of zebrafish embryos. Journal of Applied Toxicology. 2015, 35, pp. 1481–1492. doi: 10.1002/jat.3164
  70. Xiong S., George S., Ji J., Lin S., Yu H., Damoiseaux R. et al. Size of TiO2 nanoparticles influences their phototoxicity: An in vitro investigation. Archives of Toxicology. 2013, 87 (1), pp. 99-109. doi: 10.1007/s00204-012-0912-5
  71. Yamashita K., Yoshioka Ya., Higashisaka K., Mimura K., Morishita Yu., Nozaki M. et al. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Nature Nanotechnology. 2011, 6, pp. 321–328. doi: 10.1038/NNANO.2011.41
  72. Yang X., Jiang C., Hsu-Kim H., Badireddy A.R., Dykstra M., Wiesner M. et al. Silver Nanoparticle Behavior, Uptake, and Toxicity in Caenorhabditis elegans: Effects of Natural Organic Matter. Environmental Science and Technology. 2014, 48, pp. 3486−3495. doi: 10.1021/es404444n
  73. Yin N., Hu B., Yang R., Liang S., Liang S., Faiol F. Assessment of the developmental neurotoxicity of silver nanoparticles and silver ions with mouse embryonic stem cells in vitro. Journal of Interdisciplinary Nanomedicine. 2018, 3 (3), pp. 133-145. doi: 10.1002/jin2.49
  74. Zhou Y., Hong F., Tian Y., Zhao X., Hong J., Ze Y. et al. Nanoparticulate titanium dioxide-inhibited dendritic development is involved in apoptosis and autophagy of hippocampal neurons in offspring mice. Toxicology Research. 2017, 6 (6), pp. 889-901. doi: 10.1039/c7tx00153c
  75. Zinicovscaia I., Grozdov D., Yushin N., Ivlieva A., Petritskaya E., Rogatkin D. Neutron activation analysis as a tool for tracing the accumulation of silver nanoparticles in tissues of female mice and their offspring. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2019, 322, pp. 1079–1083. doi: 10.1007/s10967-019-06746-9.

Copyright (c) Ivlieva A.L., Zinicovscaia I., Petritskaya E.N., Rogatkin D.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies