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

Full Text

3. 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 воду, воздух, почву, а через среду — в живые организмы, от бактерий до человека. В связи с этим динамично изучается проблема токсичности НЧ, содержащихся в окружающей среде (environmental toxicity). Значительную часть исследований проводят на распространённых модельных организмах (крысы, мыши, данио-рерио Danio rerio, дафния Daphnia sp., почвенная нематода Caenorhabditis elegans), а также на разных видах небольших рыб, фито- и зоопланктоне [1].

В частности, пресноводный рачок дафния Daphnia sp. (чаще используют вид Daphnia magna) является признанным организмом-индикатором токсичности воды. Существуют стандартизованные процедуры по оценке токсичности веществ из окружающей среды на дафниях [2]. 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 [3, 4]. 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. Было отмечено, что токсичность при применении растворов, приготовленных путём смешивания порошка НЧ с водой для дафний, была ниже, чем при использовании разведённых готовых коллоидных растворов НЧ [3]. При отсутствии нарушений плавания дафнии, контактировавшие с НЧ серебра (цитрат в качестве покрытия), не реагировали на присутствие хищника [4]. 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.

Изучалось влияние содержания солей в воде водоёма на токсические эффекты НЧ серебра без покрытия и дозозависимость эффекта [5]. Молодые радужные форели Oncorhynchus mykiss провели в среде с НЧ серебра 14 дней при различной солёности воды: низкой (0,4 ppt), средней (6±0,3 ppt) или высокой (12±0,2 ppt). Содержание НЧ серебра составляло 0,032; 0,1; 0,32 и 1,0 ppm при низкой солёности. При средней и высокой солёности воды содержание НЧ серебра составляло 3,2; 10; 32 и 100 ppm. Агломерации и осаждения НЧ не наблюдалось при низкой солёности воды, но обнаруживалось при средней и высокой солёности. При всех уровнях солёности накопление серебра в органах и тканях было дозозависимым. Больше всего серебра накопилось в печени, а также в почках, жабрах; меньше всего — в белых мышечных волокнах. Отношение массы печени к массе тела возрастало с увеличением концентрации НЧ.

Влияние солёности среды обитания, а также сравнительные эффекты влияния НЧ серебра, его стабилизирующего покрытия и ионов серебра (Ag⁺) подробно описаны в ряде работ [6, 7]. Обитатели эстуариев, устрицы Scrobicularia plana, провели некоторое время в растворах НЧ серебра с концентрацией 10 мкг/л, его стабилизирующего покрытия и соединения сорбитана монолаурата с полиоксиэтиленом, или в содержащем серебро в виде ионов растворе при двух различных концентрациях солей в воде [6]. Содержание серебра, как НЧ, так и иона, в пищеварительной железе экспериментальных устриц было выше, чем в контрольной группе и в группе с раствором покрытия, но выше при меньшей солёности. 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, т.е. пониженное содержание антиоксидантов и окисление липидов. Наиболее выражены эти признаки были при более низкой солёности (развился апоптоз), а также у моллюсков, экспонированных НЧ серебра, что связано с повышенным накоплением серебра при низкой солёности. Во всех группах, кроме контрольной, проявились нарушения поведения при обоих уровнях солёности: например, устрицы реже зарывались в грунт.

В некоторых работах изучалась сравнительная токсичность НЧ серебра со стабилизирующим покрытием и Ag⁺ [8]. Взрослых самок небольшой рыбы, чёрного толстоголова Pimephales promelas, подвергали экспозиции НЧ (покрытие — поливинилпирролидон (PVP), 61,4 мкг/л) или Ag⁺ (4,8 мкг/л) в течение трёх 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, трийодтирозин, бета-эстрадиол, норэпинефрин и прогестерон. В печени биохимические пути, затронутые влиянием серебра, тоже были сходны в группах с НЧ и с Ag⁺. Однако высказано предположение, что токсические эффекты в печени были обусловлены главным образом влиянием Ag⁺. Наночастицы и Ag⁺ разным образом оказывали и нейротоксические эффекты. В мозге воздействие НЧ серебра было более выражено, чем действие ионов Ag⁺.

Для НЧ других материалов также получено много данных об их токсичности. 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).Размер частиц соли титана составлял 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 наночастиц TiO₂ в жевательной резинке — 10–25 мг/л). Все мутантные черви демонстрировали сходную с диким типом выживаемость и нормальное развитие. Размер выводка и локомоция у мутантов также не отличались от таковой у дикого типа. Так, даже при уменьшении размера выводка у червей 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 четырёх мутантов он всё же был значимо выражен [9].

3.3. Молекулярные механизмы токсичности наночастиц

Самое многогранное направление исследований — изучение молекулярных и биохимических механизмов цитотоксичности НЧ, в т.ч. генотоксичности [10, 11]. Большинство работ проводят на образцах тканей экспериментальных животных. Однако расширяется применение клеточных культур человека, мышей, данио-рерио и др. К примеру, N. Yin с соавт. [12] 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 ч. 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 слоёв клеток всех трёх эмбриональных листков, что моделирует ранние стадии эмбриональ- ного развития. Экспрессия маркёров эндодермы, мезодермы и нейроэктодермы почти не отличалась от таковой у контрольной группы.

Затем сформировали две разные модели нейронального развития культуры. В первой модели в среду к эмбриональным тельцам или недифференцированным стволовым клеткам после четырёх дней инкубации добавляли ретиноевую кислоту в течение ещё четырёх дней.Другая модель заключалась в том, что после четырёх дней инкубации клетки или тельца перемещали ещё на 4 дня в среду, содержащую факторы нейронального развития (N2B27 medium). Концентрация 1 мкг/мл НЧ серебра и Ag⁺ вызывала гибель образцов. В модели с ретиноевой кислотой уровни экспрессии шести разных маркёров нейроэктодермы были дозозависимо повышены после контакта с НЧ серебра, но не с Ag⁺. Во второй модели оценили морфологию клеток путём 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). Были также обнаружены свидетельства влияния серебра на нейрональное развитие через высококонсервативный сигнальный путь Notch, т.е. после контакта с Ag⁺ в клетках значительно возросли уровни экспрессии гена трансмембранного рецепторного белка NOTCH1, гена его лиганда и его таргетного гена. После контакта с цельными НЧ серебра эти уровни экспрессии были тоже изменены по сравнению с таковыми в контрольных образцах.

C.-L. Huang с соавт. [13] описывали, как инкубировали с НЧ серебра (размер 3–5 нм, без покрытия) три клеточные культуры мыши: астроциты, клетки микроглии и предварительно подвергнутые дифференциации до нейроноподобной структуры клетки нейробластомы. На 24 ч добавляли НЧ в питательную среду, где содержались клетки, в концентрациях 1, 5, 10 и 12,5 мкг/мл. Было выявлено снижение пролиферации астроцитов и нейроноподобных клеток по сравнению с контрольными культурами, а также выделение клетками всех трёх экспериментальных культур провоспалительного цитокина интерлейкина-1-бета. Увеличение экспрессии генов, связанных с развитием воспаления белков, наблюдали в культурах, подвергшихся влиянию НЧ в концентрациях 5,0–12,5 мкг/мл. В нейроноподобных клетках, экспонировавшихся при содержании НЧ 12,5 мкг/л, после иммунофлюоресцентного окрашивания были обнаружены блоки бета-амилоидов, связанных с развитием болезни Паркинсона. Кроме того, в экспериментальных культурах 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 [14–16]. 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 [17–19], падает содержание и уровень экспрессии структурных белков (миелин в клетках миелиновых оболочек) и регуляторов развития (например, нейронального) [20, 21]. Возрастают уровни экспрессии регуляторов апоптоза, и в конечном итоге клетка его претерпевает. На тканевом уровне развиваются воспаление, отёчность и как крайний исход — некроз [22].

Ряд работ посвящён оценке мутагенности и/или канцерогенности НЧ, степень которых заметно различается между типами НЧ [23–29]. Например, стандартными методами оценивания мутагенности не было обнаружено свидетельств таковой у НЧ золота [23, 27], в то время как НЧ асбеста являются доказанным канцерогенным фактором [25]. Данные о мутагенной активности НЧ серебра значимо различаются при выборе разных методов её оценки. Так, проверка частоты обратных мутаций у грамотрицательных бактерий (тест Эймса — Ames test) не выявила отклонений от контрольного образца, но позже была признана недейственной: наночастицы (размер >10 нм) не были обнаружены в клетках [26, 28].

В растительных клетках (тест с луком репчатым — Allium test) мутагенного действия (различных хромосомных нарушений, в том числе микроядрышек) не обнаружено при концентрациях НЧ серебра до 50 мг/л включительно. Однако при 50 мг/л наблюдали значимую стимуляцию митоза [24]. В клетках костного мозга НЧ серебра вызывали заметное возрастание частоты возникновения хромосомных нарушений (in vitro тест на микроядрышки — micronucleus test) и разрывов ДНК. Такое действие НЧ серебра прямо зависело от дозы НЧ и обратно пропорционально их размерам, т.е. чем НЧ меньше, тем выше их генотоксичность и мутагенность [26, 28, 29]. Наночастицы, покрытые цитратом, оказывали более заметное воздействие, чем покрытые PVP [28].

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 наночастицы, окружая её и тем самым значительно увеличивая её гидродинамический диаметр, что может приводить на уровне организма к тромбированию мелких артерий и вен [30–32]. Белковая корона начинает формироваться еще до поступления НЧ внутрь клетки. Даже минутные инкубации различных магнитных НЧ в среде для культивирования клеток могут приводить к пятикратному увеличению гидродинамических размеров частиц, не прошедших в клетки [33]. 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 [34]. К тому же поверхность НЧ может вызывать в адсорбированных белковых молекулах конформационные изменения, которые могут привести к появлению у белков новых, нефизиологических функций, а также повлиять на характер взаимодействия НЧ с клетками [35]. 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 [36]. Образование белковой короны вокруг НЧ из аморфного кремния, например, смягчает токсический эффект самого кремния [37]. Как считают некоторые ученые [37], в настоящее время никто не может предсказать состав белковых корон и биологические последствия их образования. Поскольку 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. В связи с вышеизложенным установление характера и особенностей воздействия образующейся белковой короны, в том числе in vivo, является одним из передовых направлений изучения механизмов молекулярной токсичности НЧ [36].

Значительное внимание в работах по изучению токсичности уделено 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 применённого в работе способа поступления НЧ в организм и длительности экспозиции. В ряде публикаций обсуждается дозозависимое влияние данных факторов на наблюдаемые токсические эффекты [22, 28, 38, 39]. 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 PVP или полиэтиленгликолем-5000 (PEG-5000), потому покрытые цитратом НЧ чаще выбирают в работах, где на влиянии покрытия фокус не заостряется [20, 40, 41]. Известна работа, в которой указана меньшая токсичность НЧ серебра, стабилизированных полифенолами в составе экстракта бузины черной (Sambucus nigra), по сравнению с покрытыми цитратом НЧ [42]. Много публикаций посвящено сравнению токсичности НЧ и ионов, причём ионы более токсичны [3, 8, 12, 28, 43]. 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, так как они обладают менее выраженными цитотоксическими эффектами [44].

3.4. Репродуктивная токсичность наночастиц

В последние 10 лет активно изучалось влияние НЧ на репродуктивную функцию и на развитие организма (reproductive and developmental toxicity). Это представляет особенный интерес в свете возможного контакта молодых женщин с НЧ на производстве. Наиболее часто для исследований в данной области выбирают НЧ серебра и модельные виды позвоночных, таких как данио-рерио и мелкие лабораторные грызуны. K. Park с соавт. [45] оценивал выживаемость эмбрионов данио-рерио в воде для аквариумных рыб с разной степенью солёности воды после контакта с НЧ серебра (8–120 ч после оплодотворения); покрытием служил цитрат. НЧ вызывали задержку вылупления из икринки, замедление сердечного ритма, отёк перикарда и гибель эмбрионов. При этом эффекты были более выражены в воде с низкой солёностью, что могло быть обусловлено агрегацией НЧ при высокой солёности. В сходном эксперименте других исследователей подобное токсическое влияние оказывали как НЧ серебра, покрытые полиакрилатом, так и ионы, однако у Ag⁺ эффекты были выражены сильнее [38]. 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. 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 животных в группе ионов серебра с L-цистеином составляла 37% против 77% при отсутствии L-цистеина. Содержание неокисленного глутатиона также было значительно выше, чем без L-цистеина, а содержание окисленного глутатиона оставалось дозозависимым от количества серебра.

Представляет интерес исследование [46], в котором эмбрионы данио-рерио подвергли острому контакту с коллоидным раствором НЧ серебра (покрытием служила олеиновая кислота) двух размеров — 4 и 10 нм, а также с ионами серебра на протяжении разных периодов развития — от 4 до 96 ч 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 объёме 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⁺ в растворах с НЧ и в чистой воде у контрольной группы. Были обнаружены заметные нарушения развития: экспериментальные эмбрионы отличались маленькой головой с уменьшенными глазами и недоразвитым задним мозгом, отёчностью 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 маркёра нейрональных клеток HUC (ELAVL3) был заметно снижен при НЧ размером 10 нм, но несколько повышен при НЧ размером 4 нм. Аналогичным образом изменилась экспрессия гена глиального фибриллярного кислого белка GFAP, характерного для астроцитов и признанного одним из ранних маркёров окислительного стресса. Уровни экспрессии гена нейрогенина-1 (NGN1) — регулятора дифференциации нейронов — оказались повышены по сравнению с контролем. Авторы полагают, что деформации головы эмбриона и недоразвитость глаз были обусловлены нарушениями дифференциации нейрональных клеток, так как не было найдено изменений уровней экспрессии генов otx и rx1, регулирующих развитие сетчатки. Уровень экспрессии гена металлотионеина был снижен при НЧ размером 4 нм 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 тяжёлых металлов, при этом уровни экспрессии их генов возросли.

Изучено влияние контакта в течение 4–120 ч с момента оплодотворения с НЧ серебра разного размера (10 или 50 нм) и с разным покрытием (PVP, цитрат) [47], а также с Ag⁺, на выживаемость и морфологию эмбрионов данио-рерио. Рассмотрено влияние НЧ и ионов серебра на плаванье мальков (возраст 7 сут) и поведенческий ответ рыб на изменения освещённости. НЧ, покрытые цитратом, и ионы вызывали токсические эффекты, в частности задержку вылупления, повышенную смертность и морфологические нарушения. В этом исследовании влияние ионов Ag⁺ было выражено сильнее. Мальки, контактировавшие с покрытыми цитратом НЧ, демонстрировали нормальные поведенческие реакции на изменения освещённости, в то время как подвергшиеся воздействию Ag⁺ рыбы отличались гиперактивностью при любой освещённости, кроме постоянного яркого света. При этом зрение ни у кого не пострадало, так как изменения в освещённости замечали все рыбы и порог освещённости, запускавший смену поведения, был одинаков для всех особей в каждой части тестирования. Аналогичным образом НЧ, покрытые PVP, не оказали влияния ни на выживаемость, ни на морфологию эмбрионов, что может говорить об ингибировании PVP токсического эффекта НЧ серебра.

Проведено исследование с покрытыми PEG-500 наночастицами серебра и с широким спектром концентраций (от 2,15 нг/мл до 2,15 мг/л) [48]. При этом было обнаружено, что высокие концентрации как НЧ, так и Ag⁺, наоборот, обусловливали подавление локомоторной активности у мальков, вызвав при этом сходные с предыдущим примером токсические эффекты для эмбриона. Одновременно с этим низкие, сопоставимые с естественными, концентрации Ag⁺ вызывали у мальков гиперактивность.

В эксперименте E.A. González и соавт. [49] рассмотрено влияние именно 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. Экспонирование составляло 4–120 ч после оплодотворения. При этом не было обнаружено негативных изменений выживаемости, вылупления или морфологии. Однако в возрасте 3 сут рыбы из групп с концентрациями НЧ от 0,3 до 3 ppm были гиперактивны в своих реакциях на изменения освещённости. После 4 сут жизни гиперактивными оставались только представители группы с концентрацией НЧ 3 ppm, а в возрасте 5 сут 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. Вероятно, это связано с тем, что не все методики стандартизированы и не все внешние факторы принимаются во внимание. Не полностью однородны результаты исследований и на грызунах, и с другими типами 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 [50]. После многократных подкожных инъекций наночастиц TiO₂, сделанных беременным мышам, у мышат мужского пола была снижена масса тела, а НЧ обнаружены в черепных нервах и в тестикулах. В образцах мозга были выявлены маркёры апоптоза, наблюдались нарушения структуры тестикул и снижение количества зрелой спермы [51]. В сходных экспериментах были обнаружены маркёры апоптоза в мозге плодов и новорожденных мышат [52], а также уменьшение размера плаценты, плода и анатомические нарушения в мозге и печени плода [53]. При интрагастральном введении наночастиц TiO₂ беременным крысам у потомства обнаруживаются маркёры апоптоза и угнетение нейрогенеза в гиппокампе [18]. У потомства самок, потреблявших с кормом наночастицы ZnO, обнаружены молекулярные свидетельства нарушений в развитии и функционировании печени [54]. В ряде работ показаны нарушения репродуктивной функции у самцов и самок, подвергшихся воздействию наночастиц 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 [55]. Однако исследователями [56] было обнаружено и подтверждено влияние перорального потребления НЧ серебра на рождаемость у мышей в виде увеличения количества потомства. Количество потомства у самок и самцов, контактировавших с НЧ серебра с покрытием PVP во время спаривания, беременности и лактации, было примерно вдвое больше, чем в контрольной группе. В случае же использования коллоидного раствора НЧ серебра без покрытия не было замечено изменений в репродуктивной функции у самок мышей [57].

Определенным индикатором влияния НЧ на нервную систему и функцию головного мозга служат изменения в поведении у животных, контактировавших с НЧ. Эти изменения могут наблюдаться также 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 посвящён отдельный раздел.

4. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НАНОЧАСТИЦ В ТКАНЯХ

Одним из ключевых элементов изучения токсичности НЧ для живых систем является определение их наличия и содержания (уровня накопления) в биологических образцах. Содержание НЧ в таких образцах может быть оценено либо по количеству химического элемента, из которого изготовлены НЧ (если в норме его не должно содержаться в образце), либо по количеству именно НЧ, подсчитанному в образце. Основная проблема заключается в следующем: уровни накопления НЧ в тканях и органах экспериментальных животных могут быть настолько небольшими, что многие лабораторные методы определения содержания веществ, например биохимические, часто неэффективны. Количественная оценка накопления химического элемента НЧ в органах и тканях лабораторных животных может быть стандартно 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, подсчёт их количества, определение 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.

Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) 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 возбуждённое состояние. Поглощённая энергия прямо пропорциональна количеству присутствующих атомов. Выделяют 4 основных типа техники атомизации: пламенная атомизация (испарение и атомизация происходят в пламени), электротермическая атомизация (испарение и атомизация пробы происходят 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 — это неселективное поглощение и матричное подавление при анализе сложных по составу объектов, низкая селективность и недостаточная чувствительность, возможность определения тех элементов, для которых есть в наличии лампы [58, 59]. 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 [60, 61]. Метод основан на использовании индуктивно-связанной плазмы в качестве источника ионов. Такая плазма представляет собой сильно ионизированный инертный газ (например, 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 возбуждённых 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 [62].

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) 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 [62]. 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, необходимость использования нескольких газов высокой чистоты, высокий уровень квалификации персонала, необходимость постоянного контроля интерференций [62–64].

В промышленности нашли применение некоторые разновидности метода ИСП-МС, как, например, СП-ИСП-МС. Эта разновидность позволяет определять размер, распределение по размерам и концентрацию НЧ в суспензиях всего за несколько минут. При использовании метода СП-ИСП-МС сильно разбавленный раствор вводят в спектрометр таким образом, что статистически только одна наночастица в каждый отдельно взятый момент времени попадает в плазму [62, 65]. Сильная сторона методики заключена в том, что для измерений может быть использован стандартный пробор ИСП-МС без технических изменений и дополнительных программ обработки данных. Недостатки метода связаны 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 [62].

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 служит степень чистоты используемых растворов. Стадия химической подготовки проб, которая определяет правильность всего анализа в целом, — самая сложная и продолжительная.

Использование лазерной установки для проведения лазерной абляции в сочетании с ИСП-масс-спектрометром (ЛА-ИСП-МС) позволяет выполнять анализ твёрдых образцов. Метод отличается высокой чувствительностью, точностью и простотой анализа. Система для ЛА-ИСП-МС состоит из импульсного лазерного источника, системы переноса лучей, транспортной линии и детектора ИСП [66, 67]. При этом недостатком метода является необходимость использования при измерении стандартов с той же матрицей, что и анализируемый образец, что не всегда возможно [66].

Другим методом определения элементного состава образцов является микрорентгеновская флуоресценция [68], основанная на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце. При облучении образца мощным потоком рентгеновского излучения возникает характерное флуоресцентное излучение атомов вещества, пропорциональное их концентрации в образце. Метод микрорентгеновской флуоресценции относится к неразрушающим методам анализа, подходит для анализа негомогенных образцов и требует минимальной подготовки проб. Метод пригоден для определения концентрации элементов с Z >11 [69]. Пределы обнаружения для металлов находятся на уровне 0,05–150,0 мкг/л, погрешность метода составляет 2–9%, а время на анализ не превышает 15 мин.

Перспективным методом является 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 подготовки проб, возможностью минимизации влияния матричных элементов [70, 71]. Процедура облучения образцов и продолжительность облучения зависят от типа реактора и плотности потока нейтронов. НАА является одним из основных конкурентов ИСП-МС. Однако 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) [72]. Одним из основных недостатков метода является работа с радиоактивными образцами. В НАА, как и в других методах количественного анализа, пределы обнаружения элементов зависят от образца. В случае полимеров пределы обнаружения элементов могут варьировать от 0,004 до 2,500 мкг/г, а в образцах растительного происхождения — от 0,1 до 50,0 мкг/г.

Методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на протяжении многих лет применяются в исследованиях НЧ [73]. 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, так как 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 составляет ×10⁶. В типичном сканирующем электронном микроскопе 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. При попадании эмитированных электронов в катодно-лучевую трубку в ней формируются СЭМ-изображения, представляющие информацию о морфологии поверхности образца [74].

Одним из наиболее эффективных методов структурных исследований материалов, в том числе наноматериалов, является ПЭМ, которая 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 [75]. Высокоэнергичный пучок электронов проходит через тонкий образец, взаимодействует с ним и трансформируется в неупругорассеянные и упругорассеянные электроны, которые фокусируются на устройстве формирования изображения: флуоресцентном экране, фотопластинке или ПЗС-сенсоре. Как сканирующая, так и просвечивающая электронная микроскопия дают информацию о размерах, степени агрегации, дисперсии и гетерогенности наноматериалов. Однако разрешение ПЭМ в разы превышает разрешение СЭМ. В просвечивающем электронном микроскопе ускоряющее напряжение прямо пропорционально его пространственному разрешению. Так, при ускоряющем напряжении 400 кВ теоретический предел разрешения ПЭМ составляет менее 0,2 нм. Увеличение варьирует в пределах от 50 до 10⁶. ПЭМ позволяет определить точный размер частиц как для изобра- жений, полученных методом яркого поля, так и для изображений, полученных методом тёмного поля, а также содержит информацию о морфологии образца, его составе и кристаллографической структуре [75].

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 [11]. 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 0,5–1,0 нм до 5–6 мкм. При сравнении методов 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 ПЭМ дает более точные размеры [75].

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

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ / ADDITIONAL INFORMATION

Вклад авторов. Наибольший вклад распределён следующим образом: А.Л. Ивлиева — сбор и анализ источников литературы, подготовка рукописи; И. Зиньковская — подготовка раздела о методах детекции и количественного анализа наночастиц, участие в подготовке рукописи; Е.Н. Петрицкая — дизайн статьи, анализ литературных данных, участие в утверждении окончательного варианта рукописи; Д.А. Рогаткин — концепция обзора, анализ данных, подготовка первого варианта рукописи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Финансирование. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Author contribution. The greatest contribution is distributed as follows: A.L. Ivlieva — collection and analysis of literature sources, preparation of the manuscript; I. Zinicovscaia — preparation of a section on methods of detection and quantitative analysis of nanoparticles, participation in the preparation of the manuscript; E.N. Petriskaya — article design, analysis of literary data, participation in the approval of the final version of the manuscript; D.A. Rogatkin — the concept of the review, data analysis, preparation of the first version of the manuscript. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declares that there are no obvious and potential conflicts of interest associated with the publication of this article.

About the authors

Alexandra L. Ivlieva

Moscow regional research and clinical institute named after M.F. Vladimirsky

Author for correspondence.
Email: ivlieva@medphyslab.com
ORCID iD: 0000-0002-0331-6233
SPIN-code: 5555-1343

researcher

Russian Federation, Moscow

Inga Zinicovscaia

Joint institute for nuclear research

Email: zinikovskaia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0820-887X
SPIN-code: 6814-1720

Dr. Sci. (Chem.)

Russian Federation, Dubna

Elena N. Petriskaya

Moscow regional research and clinical institute named after M.F. Vladimirsky

Email: medphys@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-3836-0103
SPIN-code: 2641-3111

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Moscow

Dmitry A. Rogatkin

Moscow regional research and clinical institute named after M.F. Vladimirsky

Email: d.rogatkin@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-7755-308X
SPIN-code: 9130-8111
http://www.medphyslab.ru

Dr. Sci. (Technic), Associate Professor

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files