SCIENTIFIC FORECASTING OF TOXICITY AND EVALUATION OF HAZARD POTENTIAL OF ALUMINUM OXIDE NANOPARTICLES FOR HUMAN HEALTH

Full Text

В течение последнего десятилетия происходит активный рост производства продуктов наноиндустрии и внедрение их в различные сферы производства и потребления [1, 2]. Одним из таких продуктов является наноразмерный оксид алюминия. Данный наноматериал обладает широким спектром применения в различных отраслях промышленности: в производстве прозрачной керамики, абразивных материалов, покрытий, резины; выращивании драгоценных искусственных монокристаллов; создании высоковольтных натриевых ламп; изготовлении режущих инструментов, высокопрочной керамики, высокочистых тиглей, прицелов, бобин, экранных трубок; в косметической промышленности в качестве добавки; в качестве гидрофильного вещества и добавки для предотвращения истирания пластических материалов; в составе специальных стекол, флуоресцентных и композитных материалов, для вакуумного напыления; в качестве полирующего финишного материала для металлов, стекла, полупроводников, пластика; аналитического реагента, активатора, подложки для катализаторов [3]; в медицинской промышленности - в системе доставки лекарств [23]; в пищевой промышленности - в качестве противослёживающей добавки, красителя, является одним из компонентов консервантов, эмульгаторов, порошков для выпечки, соевых детских смесей, кроме того, входит в состав упаковок для защиты от микроорганизмов [26]. С учетом массовости выпускаемой продукции, содержащей наноразмерный оксид алюминия, с которым контактирует широкая категория населения и работающих, актуальным является уточнение и систематизация данных о физических и токсикологических параметрах наночастиц при различных путях поступления в организм для задач прогнозирования потенциальной опасности наночастиц для здоровья человека, разработки эффективных мер профилактики. Целью данной работы является научное прогнозирование токсичности и оценка потенциальной опасности биологического действия наноразмерного оксида алюминия для здоровья человека. Методы Исследование проведено 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 (Aluminum nanopowder, 13 nm particle size (TEM), 99,8 % trace metals: material safety data sheet (MSDS) Sigma-Aldrich, 2014; Aluminum oxide powder, < 10 pm particle size (TEM), 99,5 % trace metals: material safety data sheet (MSDS). Sigma-Aldrich, 2016) и результатам собственных исследований. Выполнено классифицирование полученной информации по следующим функциональным блокам свойств: физико-химические, молекулярно-биологические, цитологические, физиологические и экологические. На основании ранжирования признаков и прогнозно-аналитического моделирования выполнен расчёт «частной» опасности для каждого функционального блока. По результатам «частных» опасностей рассчитывали коэффициент потенциальной опасности (D) наночастиц оксида алюминия 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. Собственные экспериментальные исследования по изучению физических свойств наночастиц оксида алюминия проведены в сравнении с микродисперсным аналогом с использованием коммерческих образцов, произведенных компанией Sigma-Aldrich. Оценка размера и формы частиц 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). При исследовании 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 65 % мощности. Исследование и оценка удельной площади поверхности частиц нативных порошков нано- и микродисперсного материала выполнена по методу, предложенному Брунауэром, Эмметом и Тейлором, на приборе ASAP 2020 (Micromeritics, США) после дегазации исследуемого материала в вакууме при температуре 350 °С в течение 3 часов. Результаты Анализ физико-химических свойств наноразмерного оксида алюминия (Al2O3) показал, что исследуемые частицы по данным, представленным в паспортах безопасности, имеют размер в диаметре преимущественно 13 нм, что в 769,23 раза больше размера частиц микродисперсного аналога (~ 10 мкм). Методом динамического лазерного светорассеяния установлен размер частиц оксида алюминия, он соответствует диапазону 58-100 нм, что в 52-260 раз меньше значения у микродисперсного аналога (3-26 мкм). По данным, полученным методом сканирующей электронной микроскопии, максимальный пик распределения частиц оксида алюминия по размеру соответствует диапазону 30-40 нм (доля 42 %), что в 100-150 раз меньше значения у микродисперсного аналога (3-6 мкм) (рис. 1, 2). Анализ изображений, полученных методом электронной микроскопии, установил, что нанодисперсный оксид алюминия обладает преимущественно сферической формой частиц, тогда как микроразмерный аналог имеет осколочную форму частиц (рис. 3, 4). 10 Экология человека 2018.05 Окружающая среда Рис. 1. Фракционный состав наночастиц порошка оксида алюминия по эквивалентным диаметрам Рис. 2. Фракционный состав микрочастиц порошка оксида алюминия по эквивалентным диаметрам Рис. 3. Изображение наночастиц оксида алюминия с помощью сканирующей электронной микроскопии Рис. 4. Изображение микрочастиц оксида алюминия с помощью сканирующей электронной микроскопии Наноразмерный оксид алюминия характеризуется как нерастворимое в воде вещество с эффективным положительным зарядом [15], низкой адсорбционной ёмкостью [19], супергидрофобными свойствами [16]. Дзета-потенциал наночастиц вещества в воде равен + 52,2 мВ [4], что свидетельствует об отсутствии склонности к агрегации [22]. Удельная площадь поверхности, указанная в паспорте безопасности, составляет 85-115 м2/г, что обусловливает высокую реакционную способность наночастиц оксида алюминия. По результатам собственных исследований, удельная площадь поверхности наночастиц составила 113 м2/г, что в 161 раз больше значения у микро-дисперсного аналога (0,7 м2/г). Биологическое действие изучаемого материала начинается с проникновения наноразмерных частиц в органы и системы. Известно, что наночастицы оксида алюминия способны проникать в организм, разрушая гемато-энцефалический барьер [5], абсорбируясь в желудочно-кишечном тракте и лимфатических узлах разных тканей [7], ингаляционным путём через ткани лёгких [17] и через эпителиальный барьер [30]. Исследуя накопление наночастиц оксида алюминия в органах и тканях, стоит отметить, что при различных путях поступления наноматериала в организм различается перечень органов, аккумулирующих в себе наночастицы. Так, при пероральном поступлении большая часть наночастиц алюминия накапливается в почках, цельной крови, печени и мозге [7], а при ингаляционном пути поступления целевым органом являются лёгкие, где повышенные концентрации частиц оксида алюминия вызывают воспаление и повреждение тканей [21]. Известно, что наночастицы оксида алюминия размером меньше 20 нм способны проникать в систему кровообращения, где могут вызывать кардиоваскулярные заболевания, такие как атеросклероз и гипертония, с большой вероятностью тромбообразования в результате свёртывания крови или нарушения функций или структуры сосудистого эндотелия [29]. При пероральном поступлении наночастиц оксида алюминия концентрация интерлейкина-6 и лак-татдегидрогеназы увеличивается, что способствует развитию патологий печени и почек [20]. В ходе гистопатологического исследования установлено, что вещество вызывает повреждение сердца у экспериментальных животных в виде некроза, воспалительных клеточных инфильтратов и интромиокардиального кровоизлияния [10]. Механизм токсического действия, вероятно, связан с тем, что наночастицы оксида алюминия способны индуцировать активные формы кислорода (АФК). В исследованиях in vitro на микроваскулярных эндотелиальных клетках мозга человека (HBMVECs) установлено увеличение окислительного стресса после воздействия наночастиц данного вещества [6]. Наночастицы разрушают и фрагментируют митохондрии данных клеток, что вызывает дозозависимую потерю митохондриального потенциала и ослабление функций 11 Окружающая среда Экология человека 2018.05 митохондрий. Изменение потенциала митохондрий может способствовать развитию окислительного стресса [8]. В исследовании in vivo, проведённом на крысах при внутрибрюшинном введении вещества в течение 14 дней, миокардиальные маркеры окислительного стресса показали достоверное увеличение концентрации малонового диальдегида и достоверное снижение концентрации глутатиона, супероксиддис-мутазы и каталазы относительно контроля [28]. Говоря о молекулярно-биологических свойствах наноразмерного оксида алюминия, стоит обратить особое внимание на его взаимодействие с биологическими макромолекулами и надмолекулярными структурами, такими как ДНК, белки и мембраны. Установлено, что наночастицы оксида алюминия повреждают ДНК клеток линии мышиной лимфомы, проявляют дозозависимую генотоксичность в кровяных клетках крыс и клетках яичника китайского хомяка [9, 18]. При исследовании микроядер и клеток периферической крови крыс после воздействия наночастиц оксида алюминия установлены значительные хромосомные изменения. Причина генотоксичности исследуемого наноматериала может быть связана с провоспали-тельными эффектами, вызванными АФК [7]. Негативное воздействие наночастиц оксида алюминия на белки подтверждено исследованиями in vitro: в клетках HBMVECs отмечается нарушение экспрессии белков гематоэнцефалического барьера, выраженное в снижении концентрации белков плотных контактов: молекулы клеточной адгезии, белка плотных контактов-1 и белка плотных контактов-2 [6, 8]. При воздействии на мембраны базальных клеток аденокарциномы альвеол человека отмечается её деполяризация [13]. 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. Исследования in vitro по накоплению наночастиц оксида алюминия в клетках подтвердили, что вещество способно накапливаться как в цитоплазме, так и в органоидах, особенно в митохондриях [8, 25]. Выдвинута гипотеза о том, что нарушение митохондриального метаболизма является основным проявлением цитотоксического действия наночастиц оксида алюминия из-за влияния на железосодержащие ферменты из цикла трикарбоновых кислот. Первоначальные изменения включают истощение митохондриального железа и генерацию H2O2, что приводит к прекращению производства АТФ и увеличению концентраций кетоглутарата и сукцината, снижению L-карнитина [14, 27]. При исследовании цитотоксичности на клеточных линиях эпителия почки африканской зелёной мартышки, человеческом эпителии типа 2, аденокарциноме молочной железы человека и аденокарциноме базальных клеток альвеол человека установлено, что наноразмерный оксид алюминия, снижая скорость пролиферации клеток, приводит к уменьшению значения абсорбции и снижает жизнеспособность как нормальных клеток, так и клеток карцином в дозозависимой манере [5]. Влияние на протеомный и метаболомный профиль наночастиц оксида алюминия проявляется во взаимодействии с инфламмасомой NLRP3 и индуцировании провоспалительного цитокина интерлейкин-1, фактора некроза опухоли-альфа и кластеров дифференциации 86, 80 и 40 [10]. Наночастицы оксида алюминия проявляют специфические и отдалённые эффекты токсичности: канцерогенное и иммунотоксическое действия. По данным, представленным на сайте Международного агентства по изучению рака, у работающих на производстве алюминия повышен риск возникновения рака лёгких и мочевого пузыря [12]. Иммунотоксическое действие выражается в подавлении иммунного ответа клеток лимфобластов лёгких человека и аденокарциномы базальных клеток альвеол человека, что подтверждено исследованиями in vitro [11]. Экологическая характеристика учитывает вероятность экспонирования человека наноматериалом, основываясь на объёмах его производства (более 1 000 т в год) и применении в широком спектре отраслей промышленности. Производство наноди-сперсного оксида алюминия составляет около 20 % всех выпускаемых наноразмерных химических веществ [24]. Наночастицы оксида алюминия нашли широкое применение в пищевой, косметической, медицинской и химической отраслях промышленности [3, 23, 26]. Учитывая объём производства, широкий спектр применения и ассортимент выпускаемой продукции с применением наночастиц исследуемого вещества, можно заключить, что экспозиции наноразмерным оксидом алюминия подвергается население в масштабе всей страны. Оценка комплекса физико-химических, молекулярно-биологических, цитологических, токсикологических и экологических характеристик и ранжирование критериальных признаков опасности позволили вычислить коэффициент потенциальной опасности наночастиц оксида алюминия для здоровья человека, который составил D = 2,202, 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 = 0,079 укладывается в критериальный диапазон 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 алюминия. Исследование размера (30-40 нм) и удельной площади 12 Экология человека 2018.05 Окружающая среда поверхности частиц (113 м2/г) подтвердило, что изучаемый образец является наноматериалом (частицы до 100 нм с площадью поверхности более 100 м2/г). Площадь поверхности наночастиц в 161 раз превышает показатель у микродисперсного аналога, что может обусловливать высокую реакционную способность наночастиц in vitro и in vivo. Размеры наночастиц оксида алюминия, установленные в ходе собственных экспериментальных исследований, превышают размеры, представленные в паспорте безопасности вещества. Это, вероятно, обусловлено тем, что наночастицы оксида алюминия обладают в определенной степени агломерирующей способностью. Полученный результат по оценке удельной площади поверхности совпадает с диапазоном, указанным в паспорте вещества. Выполнение процедуры прогнозно-аналитического моделирования и критериальная оценка полученных коэффициентов показали, что наночастицы оксида алюминия обладают высокой степенью потенциальной опасности. В ходе исследования установлено, что в источниках имеющейся информации не представлено данных по следующим признакам: растворимость в биологических жидкостях, адгезия к поверхности, усиление проницаемости барьеров организма для посторонних токсикантов, накопление в объектах внешней среды. Несмотря на это, результаты исследования следует считать достоверными, основываясь на рассчитанном коэффициенте неполноты оценки данных. Полученный результат базируется на основании использования подхода прогнозно-аналитического моделирования, позволившего снизить субъективизм оценки имеющейся информации. Установленная высокая степень потенциальной опасности нанодисперсного алюминия для здоровья человека не противоречит данным других авторов, областью интересов которых является нанотоксикология [20, 21, 30]. Выводы На основании ранговой оценки и прогнозного моделирования критериальных признаков опасности наноразмерных частиц (физико-химические свойства, способность генерировать АФК, вызывать летальные изменения в клетках, накапливаться в различных органах, приводя к патологическим изменениям, цитотоксичность, воздействие на протеомный профиль, генотоксичность, канцерогенность, а также широкое распространение исследуемого вещества) установлено, что наночастицы оксида алюминия обладают высокой степенью потенциальной опасности для здоровья человека. С учетом вышесказанного необходимым является проведение токсикологических исследований, составление токсиколого-гигиенической характеристики наночастиц оксида алюминия при различных путях поступления в организм и разработка профилактических мер для производителей и потребителей продукции, содержащей наночастицы оксида алюминия. Авторство Зайцева Н. В. участвовала в постановке задачи исследования и аналитическом обобщении материала; Землянова М. А. участвовала в поиске и анализе данных, переработала содержание статьи, утвердила присланную в редакцию рукопись; Степанков М. С. участвовал в поиске и анализе данных, подготовил первый вариант статьи; Игнатова А. М. участвовала в поиске и анализе данных, подготовила первый вариант статьи.

About the authors

N V Zaitseva

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

SPIN-code: 7036-3511

A Aleksandrovna 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
SPIN-code: 4308-0295

M S Stepankov

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

SPIN-code: 4404-5953

A M Ignatova

Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic University

SPIN-code: 7690-7783

References

Supplementary files