SCIENTIFIC PREDICTION OF MAGNESIUM OXIDE NANOPARTICLES TOXICITY AND ASSESSMENT OF ITS HAZARD FOR HUMAN HEALTH

Abstract


Aim: To study biological effects of magnesium oxide nanoparticles on human health. Methods: Toxicity and potential hazards of magnesium oxide nanoparticles exposure was performed using mathematical models containing data on physical, chemical, molecular biological, biochemical, cytological and ecological properties with calculation of coefficients of hazard (D) and incompleteness of data evaluation (U) of magnesium nanoscale. Size and shape of the nanomaterial were defined using dynamic laser light scattering and scanning electron microscopy. Surface area was determined by the Brunauer, Emmet and Taylor method. Results: Magnesium oxide nanoparticles have a size of 5-100 nm and specific surface area of 64,5 m2/g. They are insoluble in water, can have hydrophobic or hydrophilic properties and have an effective positive charge. They can generate reactive oxygen species, damage DNA, interact with protein structures, destroying cell membrane, cause mitochondrial dysfunction, morphological changes and cell death, impact on proteomic and metabolic profiles, increasing the concentration digestive enzymes, carbohydrates, amino- acid and fatty acids. Besides, the material under investigation has such long-term effects of action: allergenicity, mutagenicity and embryotoxicity. D-coefficient was 1, 872. Conclusions: Magnesium oxide nanoparticles have a high degree of potential hazard for human health. The results warrant toxicological studies and assessment of toxicological-hygienic characteristics of magnesium oxide nanoparticles at various routes of intake for development of effective measures to prevent negative effect of magnesium oxide nanoparticles on human health.

Full Text

Активный рост доли продуктов наноиндустрии в различных сферах производства и потребления обуславливает актуальность выполнения токсикологогигиенической оценки безопасности наноматериалов для здоровья человека и объектов среды обитания [10, 24]. Наноразмерный оксид магния обладает широким спектром применения в различных сферах деятельности человека: в пищевой промышленности - в качестве компонента упаковки пищевых продуктов [3, 20] и для создания на них защитной плёнки, предотвращающей порчу от влажности и окисления [5]; в медицине - в диагностических приборах, в системе доставки лекарств; в фармакологии - в качестве антимикробного компонента в мазях; в химической промышленности - для поддержки катализаторов, как компонент красок, топливных присадок; в металлургии - в составе ингибиторов коррозии, сплавах, электроизоляционного материала для изготовления тиглей; в электронике - в сверхпроводниках, оптоэлектронике, электродных стержнях и листах, высокочастотных магнитно-стержневых антеннах [15]. Широкий спектр применения наноразмерного оксида магния обуславливает возможность экспонирования обширной категории населения и работающих с данным наноматериалом на производстве и при потреблении готовой продукции, содержащей наноразмерный оксид магния. В связи с этим приобретают актуальность исследования, направленные на изучение и систематизацию физических и токсикологических параметров наночастиц оксида магния при различных путях поступления в организм для задач разработки эффективных мер профилактики. Цель работы - оценить потенциальную опасность биологического действия наночастиц оксида магния для здоровья человека. Методы Экспериментальные исследования по изучению физических свойств наночастиц оксида магния проведены в сравнении с микродисперсным аналогом с использованием коммерческих образцов, произведенных компанией Sigma-Aldrich. Оценка размера и формы частиц тестируемого материала выполнена методом динамического лазерного светорассеяния на анализаторах Horiba LB-550 (Horiba, Япония) и Microtrac S3500 (Microtrac, США), методом электронной микроскопии на сканирующем микроскопе высокого разрешения S-3400N (HITACHI, Япония) с приставкой для рентгеновского энергодисперсионного микроанализа (Bruker, Германия). Стабильность нанодисперсного состояния частиц обеспечивали ультразвуковой обработкой на ультразвуковом гомогенизаторе Sonopuls Hd 3200 «Bandelin» (Германия) при комнатной температуре в течение 15 минут в режиме непрерывной пульсации на 80 % мощности. Исследование и оценка удельной площади поверхности частиц нативных порошков нано- и микро-дисперсного оксида магния выполнена по методу Брунауэра, Эммета и Тейлора [1] на приборе ASAP 2020 (Micromeritics, США) после дегазации в вакууме при температуре 350 °С в течение 3 часов. Определение формы частиц оксида магния выполнено по расчёту и оценке коэффициента сферичности. Коэффициент сферичности определяет степень близости геометрической формы элемента к эквивалентной сфере (1 - идеальная сфера, 0,1 - наиболее деформированные элементы). Для этого проводили анализ изображений, полученных сканирующей электронной микроскопией, с помощью универсального программного обеспечения ImageJ-FiJi. Оценка потенциальной опасности наноразмер-ного оксида магния выполнена в соответствии с МР 1.2.2522-09 «Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека». Аналитическое обобщение информации по свойствам вещества выполнено по данным, представленным в аннотируемых источниках научной литературы, паспортах безопасности (Magnesium oxide nanopowder, <50 nm particle size (BET): material safety data sheet (MSDS) Sigma-Aldrich, 2012; Magnesium oxide powder, >99,99 % trace metals basis: material safety data sheet (MSDS). Sigma-Aldrich, 2016) и результатам собственных исследований. Выполнено классифицирование полученной информации по следующим функциональным блокам свойств: физико-химический, молекулярнобиологический, цитологический, физиологический и экологический. На основании ранжирования анализируемых признаков и прогнозно-аналитического моделирования выполнили расчёт «частной» опасности для каждого функционального блока. По результатам «частных» опасностей рассчитывали коэффициент потенциальной опасности (D) наноразмерного оксида магния с оценкой степени достоверности полученной информации по «коэффициенту неполноты» оценки (U). Определение степени потенциальной опасности анализируемого вещества выполнено на основании критериальной оценки полученной величины D. Результаты Методом динамического лазерного светорассеяния установлено, что средний размер частиц тестируемого образца оксида магния составляет 1 459 нм и в 5 раз меньше значения данного показателя микро-дисперсного аналога (7,67 мкм). При верификации полученных данных методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что исследуемый материал содержит преимущественно наночастицы размером 5-100 нм (71,9 % от общего количества частиц), что в 50-200 раз меньше значения микро-дисперсного аналога (1-5 мкм) (рис. 1, 2). Анализ изображений, полученных методом сканирующей электронной микроскопии, позволил установить коэффициент сферичности наночастиц, равный 0,76, что соответствует округлой форме и достоверно не отличается от данного показателя у микрочастиц размером 1-5 мкм (0,73) (рис. 3, 4). 40 Экология человека 2019.02 Медицинская экология Рис. 1. Изображение наночастиц оксида магния с помощью сканирующей электронной микроскопии Рис. 2. Изображение микрочастиц оксида магния с помощью сканирующей электронной микроскопии Размер частиц Рис. 3. Фракционный состав наночастиц порошка оксида магния по эквивалентным диаметрам Рис. 4. Фракционный состав микрочастиц порошка оксида магния по эквивалентным диаметрам Наноразмерный оксид магния характеризуется как нерастворимое в воде вещество с положительным зарядом частиц [8], способен проявлять как гидрофобные, так и гидрофильные свойства [4]. Дзета-потенциал наночастиц вещества в воде лежит в диапазоне от -21,4 мВ до -11,4 мВ [13], что свидетельствует об их склонности к агрегации [2]. Удельная площадь поверхности зависит от температуры и изменяется от 77,6 м2/г при 23 °С до 106,4 м2/г при 85 °С [25], что обуславливает высокую реакционную способность наночастиц оксида магния. По результатам собственных исследований, удельная площадь поверхности наночастиц составила 64,5 м2/г, что в 9,8 раза больше значения у микро-дисперсного аналога (6,6 м2/г). Биологическое действие изучаемого материала начинается с проникновения наноразмерных частиц в органы и системы. Установлено, что наночастицы оксида магния абсорбируются в желудочно-кишечном тракте [18], после чего распространяются по организму, аккумулируясь в основном в мышечной ткани. Остальные наночастицы распределяются в тканях кишечника, печени, почек, головного мозга и в крови [18, 21]. При пероральном поступлении наночастиц оксида магния отмечается повышение уровней аланинами-нотрансферазы, аспартатаминотрансферазы, щелочной фосфатазы, малонового диальдегида (МДА) и лактатдегидрогеназы, что способствует расширению портального тракта, искажению формы клеток и 41 Медицинская экология Экология человека 2019.02 формированию вакуолей в ткани печени, набуханию почечной капсулы и разрушению тканей желудка [18]. Известно, что наночастицы оксида магния влияют на экспрессию генов, связанных с индукцией активных форм кислорода (АФК), а именно увеличивается количество копий генов, отвечающих за продуцирование глутатион^-трансферазы и каталазы [14]. Продукция АФК приводит к окислительному стрессу, что обуславливает митохондриальную дисфункцию и ослабление антиоксидантной защиты [7]. При окислительном повреждении клеток отмечается повышение уровня МДА и снижение уровня глутатиона [17]. Окислительный стресс, вызванный действием наночастиц оксида магния, вероятно, обуславливает молекулярно-биологические свойства данного наноматериала. Способность наночастиц оксида магния повреждать ДНК установлена исследованиями in vitro в клетках эпителия почек крысы (NRK-52E), колоректальной аденокарциномы (Caco-2), аденокарциномы базальных клеток альвеол человека (A549) и in vivo в лейкоцитах периферической крови, клетках печени и мозга крыс [17, 18]. Установлено, что наночастицы оксида магния разрушают клеточную мембрану, взаимодействуя с амидными структурами белков мембраны [11, 12]. Взаимодействие наноматериалов с клетками составляет важную группу факторов, учитываемых при оценке потенциальной опасности. В данной группе факторов оценивается способность наночастиц накапливаться в органеллах и цитоплазме клеток, вызывать морфологические изменения или гибель клеток (цитотоксичность), а также влияние на протеомный и метаболомный профиль. Исследованием in vitro установлена способность наночастиц оксида магния накапливаться в цитоплазме клеток [17]. Опытным путём доказано, что наночастицы оксида магния способны снизить жизнеспособность как нормальных, так и раковых клеток, вплоть до их гибели путём некроза [17]. Например, исследованиями in vitro установлено снижение клеточной активности микроваскулярных эндотелиальных клеток сердца человека, эндотелиальных клеток пупочной вены человека, NRK-52E, Caco-2 и A549, обусловленное окислительным стрессом [6, 17, 23]. Воздействие наночастиц оксида магния приводит к изменениям протеомного и метаболомного профилей: повышается содержание пищеварительных энзимов, общего белка, карбогидратов, липидов, заменимых и незаменимых аминокислот, насыщенных, мононена-сыщенных и полиненасыщенных жирных кислот [22]. Наночастицы исследуемого материала проявляют специфические и отдалённые эффекты токсичности. По данным, представленным в паспорте безопасности, наноразмерный оксид магния может вызывать раздражение кожи, дыхательных путей и глаз [16]. Исследованием in vivo выявлено увеличение микроядер в клетках костного мозга и лимфоцитах периферической крови крыс, что подтверждает мутагенное действие изучаемого наноматериала. Данное свойство не от мечено при экспозиции экспериментальных животных микроразмерным оксидом магния [19]. В исследованиях на Danio rerio в эмбриональной стадии развития установлено эмбриотоксическое действие наночастиц оксида магния, проявляющееся в снижении скорости вылупления эмбрионов, разнообразных пороках развития и снижении выживаемости [8]. Экологическая характеристика учитывает вероятность экспонирования человека наноматериалом, основываясь на объёмах его производства и применении в широком спектре отраслей промышленности. Мировой спрос на наноразмерный оксид магния в 2013 г. составил 111,3 тонны и, как ожидается, увеличится к 2020 г. до 185,5 тонны [9]. Наночастицы оксида магния нашли своё применение в пищевой, химической, медицинской промышленности, аэрокосмической, металлургической и радиотехнической отраслях [15]. Учитывая объём производства и спектр применения наночастиц исследуемого вещества, можно сделать вывод о том, что наноразмерный оксид магния является массово выпускаемым продуктом (1-1 000 т), воздействию которого может подвергнуться население в масштабах страны. Оценка комплекса физико-химических, молекулярно-биологических, цитологических, токсикологических и экологических характеристик и ранжирование критериальных признаков опасности позволили вычислить коэффициент потенциальной опасности наночастиц оксида магния для здоровья человека, который составил D = 1,872, что соответствует диапазону 1,780-2,449, оцениваемому как «высокая степень потенциальной опасности». Установленный показатель потенциальной опасности имеет достоверную степень оценки имеющейся информации, так как U = 0,197 укладывается в критериальный диапазон 0-0,250, оцениваемый как «оценка достоверна». Обсуждение результатов В работе представлены материалы по исследованию физико-химических, молекулярно-биологических, биохимических, цитологических и экологических свойств нанодисперсного оксида магния. Исследование размера (5-100 нм) и удельной площади поверхности частиц (64,5 м2/г) подтвердило, что изучаемый образец является наноматериалом. Результаты собственных экспериментальных исследований совпадают с данными, представленными в паспорте безопасности. Площадь поверхности наночастиц в 9,8 раза превышает показатель у микродисперсного аналога, что может обуславливать более высокую реакционную способность исследуемого наноматериала in vitro и in vivo. Выполнение процедуры прогнозно-аналитического моделирования и критериальная оценка полученных коэффициентов показали, что наночастицы оксида магния обладают высокой степенью потенциальной опасности, что совпадает с данными, представленными в научной литературе [17-19, 21]. В ходе исследования установлено, что в источниках имеющейся 42 Экология человека 2019.02 Медицинская экология информации не представлены данные по следующим признакам: адсорбционная ёмкость, гидрофобность, адгезия к поверхности, трансформирующая активность, усиление проницаемости барьеров организма для посторонних токсикантов, накопление в организмах, накопление в объектах внешней среды. Несмотря на это, результаты исследования являются достоверными, о чём свидетельствует рассчитанный коэффициент неполноты оценки данных. Полученные результаты базируются на основании использования подходов прогнозно-аналитического моделирования, позволившим снизить субъективизм оценки имеющейся информации. Выводы На основании ранговой оценки и прогнозного моделирования критериальных признаков опасности наноразмерных частиц исследуемого материала (физико-химические свойства, способность генерировать АФК, вызывать летальные изменения в клетках, накапливаться в различных органах, приводя к патологическим изменениям, цитотоксичность, воздействие на протеомный и метаболомный профили, генотоксичность, канцерогенность, аллергенность, эмбриотоксичность, а также широкое распространение исследуемого вещества) установлено, что наночастицы оксида магния обладают высокой степенью потенциальной опасности для здоровья человека. С учетом вышесказанного необходимым является проведение детальных токсикологических исследований, составление токсиколого-гигиенической характеристики наночастиц оксида магния при различных путях поступления в организм и разработка профилактических мер для производителей и потребителей продукции, содержащей наночастицы оксида магния. Авторство Зайцева Н. В. участвовала в постановке задачи исследования и аналитическом обобщении материала; Зем-лянова М. А. участвовала в редактировании содержания статьи, утвердила присланную в редакцию рукопись; Степанков М. С. участвовал в поиске и анализе данных, в проведении оценки потенциальной опасности вещества, подготовил первый вариант статьи; Игнатова А. М. участвовала в поиске и анализе данных, идентификации частиц методом СЭМ, в подготовке первого варианта статьи. Зайцева Нина Владимировна - SPIN 7036-351 1; ORCID 0000-0003-2356-1145 Землянова Марина Александровна - SPIN 4308-0295; ORCID 0000-0002-8013-9613 Степанков Марк Сергеевич - SPIN 4404-5953; ORCID 0000-0002-7226-7682 Игнатова Анна Михайловна - SPIN 7690-7783; ORCID 0000-0001-9075-3257

About the authors

N V Zaitseva

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Perm, Russia

M A Zemlyanova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic University

Email: zem@fcrisk.ru
Perm, Russia

M S Stepankov

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State National Research University

Perm, Russia

A M Ignatova

Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic University

Perm, Russia

References

  1. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1984. 306 с. Gregg S., Sing K. Adsorbtsiya, udel’naya, poristost’ [Adsorbtion, surface area and porosity]. Мoscow, Mir Publ., 1984, 306 p.
  2. Дзета-потенциал. Двойной электрический слой // Photocor [сайт]. URL: http://www.photocor.ru/theory/zeta-potential (дата обращения: 17.09.2018).
  3. Batt C. A., Tortorello M. L. Encyclopedia of Food Microbiology. Second Edition V. 1. Academic Press Elsevier, 2014, 3248 p.
  4. Bhatti A. S., Dollimore D., Dyer A. Hydration of Magnesium Oxides in the Presence of Water Vapour. J. Chem. Tech. Biotechnol. 1984, 34A, pp. 287-293
  5. Cushem M., Kerry J., Morris M. et al. Nanotechnologies in the food industry - Recent developments, risks and regulation. Trends in Food Science & Technology. 2012, 24 (1), pp. 30-46.
  6. Ge S., Wang G., Shen Y., et al. Cytotoxic effects of MgO nanoparticles on human umbilical vein endothelial cells in vitro. IET Nanobiotechnol. 2011, 5 (2), pp. 36-40
  7. Gelli K., Mahendar P., Rama N. R. A. Assessment of pulmonary toxicity of MgO nanoparticles in rats. Environ Toxicol. 2015, 30 (3), pp. 308-314.
  8. Ghobadian M., Nabiuni M., Parivar K. et al. Toxic effect of magnesium oxide nanoparticles on early developmental and larval stages of zebrafish. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2015, 122, pp. 260-267.
  9. Global Market for Magnesium Oxide Nanoparticles to Surpass $42 million by 2020. Ceramic Industry [site]. [2016]. Available at: https://www.ceramicindustry.com/articles/95323-global-market-for-magnesium-oxide-nanoparticles-to-surpass-42-million-by-2020 (accessed: 17.09.2018)
  10. Global Market for Metal Oxide Nanoparticles. 2015 Market Reports Online [site]. [2016]. Available at: http://www.marketreportsonline.com/401808-toc.html (accessed: 01.06.2015).
  11. Hayat S., Muzammil S., Rasool M. H. et al. In vitro antibiofilm and antiadhesion effects of magnesium oxide nanoparticles against antibiotic resistant bacteria. Microbiol. Immunol. 2018, 62 (4), pp. 211-220.
  12. Huang L., Li D.-Q., Evans D. G. et al. Preparation of highly dispersed MgO and its bactericidal properties. The European Physical Journal D. 2005, 34, pp. 321-323.
  13. Jeevanandam J., Chan Y. S., Danquah M. K. Biosynthesis and characterization of MgO nanoparticles from plant extracts via induced molecular nucleation. New Journal of Chemistry. 2017, 41 (7), pp. 2800-2814.
  14. Kumaran R. S., Choi Y.-K., Singh V et al. In Vitro Cytotoxic Evaluation of MgO Nanoparticles and Their Effect on the Expression of ROS Genes. International Journal of Molecular Sciences. 2015, 16, pp. 7551-7564.
  15. Magnesium Oxide (MgO) nanoparticles - Properties, Applications. Azonano [site]. [2013]. Available at: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3353 (accessed: 17.09.2018).
  16. Magnesium oxide nanopowder, №50 nm particle size (BET) material safety data sheet (MSDS). Sigma-Aldrich. 2012, 6 p.
  17. Mahmoud A., Ezgi Ö., Merve A. et al. In Vitro Toxicological Assessment of Magnesium Oxide Nanoparticle Exposure in Several Mammalian Cell Types. International Journal of Toxicology. 2016, 35 (4), pp. 429-437.
  18. Mangalampalli B., Dumala N., Venkata R. P. et al. Genotoxicity, biochemical, and biodistribution studies of magnesium oxide nano and microparticles in albino wistar rats after 28-day repeated oral exposure. Environmental Toxicology. 2017, 33 (7), pp. 1-15.
  19. Mangalampalli B., Dumala N., Grover P. Acute oral toxicity study of magnesium oxide nanoparticles and microparticles in female albino Wistar rats. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2017, 90, pp. 170-184.
  20. Pradhan N., Singh S., Ojha N. et al. Facest of Nanotechnology as Seen in Food Processing, Packaging, and Preservation Industry. Biomed Res Int. 2015, 17 p.
  21. Shaikh S. M., Shyama S. K., Desai P. V. Absorbtion, LD50 and Effects of CoO, MgO and PbO Nanoparticles on Mice “Mus musculus”. IOSR Journal of Environmental Scince, Toxicology and Food Technology. 2015, 9 (2), pp. 32-38.
  22. Srinivasan V., Bhavan P. S., Rajkumar G. Dietary Supplementation of Magnesium Oxide (MgO) Nanoparticles for Better Survival and Growth of the Freshwater Prawn Macrobrachium rosenbergii Post-larvae. Biological Trace Metal Research. 2017, 177 (1), pp. 196-208.
  23. Sun J., Wang S., Zhao D., et al. Cytotoxicity, permeability, and inflammation of metal oxide nanoparticles in human cardiac microvascular endothelial cells. Cells Biol Toxicol. 201 1, 27 (5), pp. 333-342
  24. The World’s Manufacturer of Engineered & Advanced Materials. American Elements [site]. [2016]. Available at: https://www.americanelements.com/cobalt-ii-iii-oxide-1308-06-1 (accessed: 01.06.2016).
  25. Vatsha B., Tetyana P., Shumbula P. M. et al. Effects of Precipitation Temperature on Nanoparticle Surface Area and Antibacterial Behaviour of Mg(OH)2 and MgO Nanoparticles. Journal of Biomaterials and Nanotechnology. 2013, 4, pp. 365-373.

Statistics

Views

Abstract - 150

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Human Ecology

This website uses cookies

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

About Cookies