NEUROTOXIC EFFECTS OF MANGANESE OXIDE NANOPARTICLES BY INHALATION SUPPLY TO ORGANISM

Full Text

На сегодняшний день развитие нанотехнологий носит глобальное социально-экономическое значение. Согласно прогнозным оценкам в ближайшие годы ожидается широкое внедрение новых видов нанотехнологической продукции в различные области деятельности человека, включая медицину, фармацевтику, химическую и пищевую промышленность, производство товаров народного потребления [5]. Вместе с растущей коммерциализацией нанотехнологических продуктов возрастает вероятность прямого экспонирования людей наноматериалами. Ввиду недостаточной изученности потенциальных рисков, связанных с производством и использованием наноразмерных материалов, особую актуальность приобретают вопросы токсиколого-гигиенической оценки безопасности наноматериалов для здоровья человека и объектов среды обитания [12]. Развитие основных перспективных направлений нанотехнологии, таких как оптика, электроника, фармакология, оказывает непосредственное влияние на увеличение объема производства наночастиц оксида марганца, широко используемых при создании портативных источников тока [2], солнечных батарей и электроприборов, катализаторов и сорбирующего материала [23]. В связи с широким распространением в производстве и прогнозируемым ростом ингаляционного экспонирования работников наночастицами оксида марганца вопросы изучения негативных эффектов, возникающих при воздействии данного продукта, приобретают особую значимость [3]. К настоящему времени накоплен обширный материал о негативных эффектах, обусловленных хроническим ингаляционным поступлением микроразмерных частиц оксида марганца в организм и повышенным содержанием данного вещества в биологических средах. Преимущественное воздействие оксида марганца с традиционной размерностью частиц наблюдается у работников ферроплавильных, сталелитейных, сварочных производств и выражается в нарушении функций высших отделов центральной нервной системы, повреждении дыхательных путей, эндокринной и кровеносной систем, репродуктивной функции [14, 15, 20]. Наночастицы оксида марганца ввиду своих небольших размеров и высокой проникающей способности могут преодолевать гематоэн-цефалический барьер и вызывать морфофункциональные нарушения различных отделов центральной нервной системы при различных путях поступления в организм даже в небольших концентрациях [1, 3, 19]. Вышесказанное определяет актуальность детального исследования токсических свойств наночастиц оксида марганца. В настоящее время в научной литературе представлена разрозненная информация о полученных в эксперименте возможных негативных эффектах, обусловленных воздействием наночастиц оксида марганца при ингаляционном поступлении в организм. Систематизация имеющихся научных данных позволит получить более полное представление о негативных эффектах наночастиц оксида марганца, в том числе при их воздействии на центральную нервную систему. В исследованиях ряда авторов [7, 9] in vivo показано, что токсическое действие наночастиц оксида марганца (II, III) при ингаляционном поступлении в концентрации (0,47 ± 0,09) мг/м3 по 6 часов в день в течение 12 дней в дыхательные пути экспериментальных животных характеризуется уменьшением общего числа клеток в бронхоальвеолярном смыве, уменьшением массы тела экспериментальных животных. При этом происходит значительное увеличение содержания наночастиц оксида марганца (II, III) в легочной ткани, более чем в 2 раза превышающего физиологическую норму. Данный эффект не наблюдается при ингаляции аэрозолями микрочастиц оксида марганца (II, III), которые достаточно легко удаляются путем мукоцилиарного действия из дыхательных путей в желудочно-кишечный тракт, где поглощение данного соединения является довольно низким (около 3 %) [17]. Наблюдается значительное увеличение содержания наночастиц оксида марганца (II, III) в печени, обонятельной луковице, стриату-ме, мозжечке и в коре головного мозга [7, 17, 18], что свидетельствует об их поглощении в результате трансцитоза через клетки эпителия дыхательных путей в интерстиций с последующим выходом в кровь [8] и достижением наночастицами тканей мозга при поступлении из кровяного русла через капиллярные эндотелиальные клетки гематоэнцефалического барьера [9, 16]. При интраназальном введении наночастиц оксида марганца (IV) в дозе 2,63 мг/кг в течение 6 недель наблюдается появление нейротоксичности по увеличению относительного рефрактерного периода хвостового нерва [21]. При интратрахеальном введении изучаемого соединения в аналогичной дозе в течение 6 недель наблюдается значительное снижение массы тела, удлинение абсолютного рефрактерного периода хвостового нерва, уменьшение подвижности животных [21]. Также нейротоксичность наночастиц оксида марганца (IV) при интратрахеальном введении в дозах 2,63 мг/кг и 5,26 мг/кг проявляется в увеличении латентного периода возникновения коркового потенциала (суммарного ответа больших популяций нейронов коры на приходящий к ним синхронный поток импульсов, возникающий под воздействием афферентного раздражителя) в визуальной, слуховой и первой соматосенсорной области. Данный эффект может быть обусловлен нарушением функций мембран нейронов в результате перекисного окисления мембранных липидов, сопровождающегося нарушением гомеостаза кальция [21]. При хроническом воздействии интратрахеально вводимых наночастиц оксида марганца (IV) в дозе 2,63 мг/кг наблюдается увеличение удельного веса легких и надпочечников, возникновение эмфиземы легких, а также расширение сердца, что может быть связано с воспалением дыхательных путей [21]. По данным других исследований воспалительные изменения в легочной ткани не обнаружены [7]. При ингаляционном воздействии частицы оксида марганца (III, IV), не превышающие 30 нм, могут проникать в головной мозг непосредственно по обонятельному нерву. При повышении концентрации изучаемых частиц линейно повышается уровень p38 мутагенактивной протеинкиназы, запускающей апоп-тотический механизм преждевременной клеточной гибели [6, 13, 16]. При воздействии изучаемого вещества в обонятельной луковице, лобной коре, среднем мозге и полосатом теле в 2 раза увеличивается экспрессия гена фактора некроза опухоли-а [7]. При проведении исследований in vitro на клеточном уровне наиболее важным эффектом воздействия наночастиц оксида марганца (II, III) является образование активных форм кислорода (АФК), сопровождающееся высокой каталитической активностью и апоптозом клеток [7, 8]. Одним из параметров, показывающих уровень оксидативного стресса, является содержание окисленной (GSSG) и восстановленной (GSH) форм глутатиона. Установлено, что после 24 часов воздействия наночастиц оксида марганца (II, III) на альвеолярные эпителиальные клетки уровни внеклеточной и внутриклеточной GSSG увеличиваются на 30 и 80 % соответственно, при этом отмечается рост активности каспазы-3 — фермента, индуцирующего процессы апоптоза. Концентрация GSH увеличивается после 24 часов воздействия исследуемого соединения, что может быть связано с активацией синтеза у-глутамилцистеин синтетазы и повышением активности транспортной системы аминокислот ци-стина и глутамата, которые являются субстратами для синтеза восстановленной формы глутатиона [8]. Существенное увеличение содержания GSSG в клетке, индуцируемое наночастицами оксида марганца (II, III), может быть обусловлено вступлением частиц марганца в реакцию восстановления с образованием супероксида, который под действием супероксиддис-мутазы преобразуется в кислород и пероксид водорода. В последующем пероксид водорода разлагается при участии восстановленной формы глутатиона, что приводит к увеличению содержания GSSG. Другой возможный путь превращения пероксида водорода в клетке — образование в присутствии ионов марганца гидроксильных радикалов, которые также способны окислять GSH с образованием окисленной формы глутатиона [8]. В ряде исследований установлено, что наночастицы оксида марганца (III, IV) усиливают выработку воспалительных медиаторов микроглии и воспалительных цитокинов, таких как TNF-а, в нервной ткани, что может приводить к неконтролируемому или хроническому воспалению и негативно отразиться на тканевом гомеостазе [10]. 26 Экология человека 2013.11 Экология труда При воздействии наночастиц оксида марганца (II, IV) на клетки нейробластов и неделящихся постми-тотических нейронов происходит увеличение концентрации лактатдегидрогеназы в клеточной среде, плато достигается при воздействии наночастиц в концентрации 2,5-5,0 мкг/см3. Также при повышении концентрации изучаемых частиц отмечается линейный рост митохондриальной активности [22]. Наночастицы оксида марганца (III, IV) способны оказывать прямое токсическое действие не только на нейроны. Установлено, что астроциты могут накапливать наночастицы марганца и продуцировать АФК [9, 13]. Данный процесс сопровождается активацией протеолитического расщепления, опосредованного каспазой и протеинкиназой С5 (ферментами, участвующими в процессах апоптоза, некроза и воспалительных процессах), а также активацией цикла фосфорилирования [4, 9]. При ингаляционном воздействии наночастиц оксида марганца (III, IV) выявлена зависящая от времени активация белка трансферрина в дофаминергических нервных клетках, а также структурные изменения в белках Beclin 1 и LC3, что, в свою очередь, может указывать на потенциальную активацию процесса аутофагии [11]. В ряде исследований установлено, что наночастицы оксида марганца (IV) способны проникать внутрь нейроноподобных клеток РС-12, при этом наблюдается незначительное угнетение митохондриальной деятельности, также происходит дозозависимое уменьшение концентрации дофамина и его метаболитов: дигидроксифенилуксусной кислоты и гомованилиновой кислоты; данный процесс сопровождается многократным увеличением уровня АФК [11, 24]. В научной литературе имеются данные о том, что наночастицы марганца (52,1 ± 23,8) нм при 24-часовом воздействии на клетки РС-12 в концентрации 10 мг/см3 способны ингибировать экспрессию гена PARK2 и гена тирозингидроксилазы (фермента, катализирующего первую лимитирующую стадию синтеза катехоламинов, в том числе и дофамина). Установлено, что наночастицы марганца усиливают экспрессию гена SNCA, что приводит к двукратному увеличению содержания а-синуклеинов в клетках, участвующих в формировании различных нейродегенеративных расстройств [24]. Выводы и перспективы дальнейших исследований При выполнении исследований in vivo наблюдаются такие негативные эффекты ингаляционного воздействия наночастиц оксида марганца на организм экспериментальных животных, как уменьшение массы тела, уменьшение общей подвижности, увеличение относительного и абсолютного рефрактерного периода хвостового нерва, латентного периода возникновения коркового потенциала в визуальной слуховой и первой соматосенсорной области. В исследованиях in virto преимущественно отмечается увеличение активности лактатдегидрогеназы, увеличение содержания АФК и митохондриальной активности, уменьшение дофамина в клетках при воздействии наночастиц оксида марганца. Полученные результаты подтверждают общую и неврологическую токсичность наночастиц оксида марганца и подчеркивают высокий токсический потенциал при ингаляционном поступлении в организм, что требует проведения дальнейших токсикологогигиенических исследований для установления качественных характеристик и количественных параметров токсичности. Следует отметить, что уровень содержания марганца в биологических средах человека не является надежным показателем повреждений центральной нервной системы, необходимо проведение детальных исследований, направленных на поиски возможных нейрофункциональных биомаркеров химической природы.

About the authors

N V Zaitseva

Federal Scientific for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Perm, Russia

M A Zemlyanova

Federal Scientific for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: zem@fcrisk.ru
Perm, Russia

T I Akafeva

Perm State University

Perm, Russia

References

Supplementary files