Особенности токсического действия нано- и микрочастицоксида алюминия при многократной ингаляционной экспозиции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Наночастицы оксида алюминия (НЧ Al2O3) имеют широкое практическое применение в сфере нанотехнологий, связанных с химической, пищевой, медицинской парфюмерно-косметической отраслями промышленности. В условиях развития наноиндустрии использование НЧ Al2O3 может обусловливать загрязнение атмосферного воздуха, формирующее риски для здоровья населения в условиях длительной аэрогенной экспозиции. Детальное исследование патогенетических особенностей токсического действия НЧ Al2O3 и сравнительный анализ с микроразмерным химическим аналогом при ингаляционной экспозиции направлены на повышение эффективности мер профилактики.

Материалы и методы. Исследованы физические свойства нано- и микрочастиц Al2O3. В эксперименте на крысах линии Wistar выполнен сравнительный анализ и дана характеристика патогенетических особенностей токсического действия частиц при многократной ингаляционной экспозиции.

Результаты. По параметрам размера, формы, площади поверхности и суммарного объёма пор изучаемый образец является наноматериалом, существенно отличающимся от микроразмерного аналога. Воздействие НЧ Al2O3 по сравнению с микрочастицами (МЧ) вызывает более выраженные изменения поведенческих реакций крыс. При экспозиции НЧ Al2O3 установлено статистически значимое увеличение концентрации алюминия относительно контроля в 1,62–55,2 раза в лёгких, печени, головном мозге и крови. При этом концентрация изучаемого элемента в данных органах выше в 1,55–7,65 раза в сравнении с МЧ. Экспозиция НЧ Al2O3 вызывает изменение биохимических показателей относительно контроля (повышение активности АЛТ, АСТ, ЩФ, ЛДГ, концентрации билирубина прямого, ГАМК, глутаминовой кислоты, МДА) и группы сравнения (АЛТ, АСТ, ЩФ, ГАМК, МДА, глутаминовая кислота). При воздействии НЧ Al2O3 патоморфологические изменения установлены в тканях лёгких, головного мозга, сердца и печени, тогда как при воздействии микрочастиц — только в тканях лёгких. Степень изменений значительнее при экспозиции НЧ, а изменения структуры тканей охватывают большее число органов.

Ограничения исследования. Исследование выполнено только при многократной ингаляционной экспозиции НЧ и МЧ Al2O3 на крысах линии Wistar.

Заключение. НЧ Al2O3 обладают большей степенью токсичности относительно микроразмерного химического аналога, о чём свидетельствуют большее число органов бионакопления, более выраженные патоморфологические и патофункциональные нарушения. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке гигиенических рекомендаций, направленных на предупреждение и минимизацию негативных эффектов НЧ Al2O3 на здоровье человека.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено в соответствии с Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных или в иных научных целях (ETS № 123), и требованиями этического комитета ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» (протокол № 5 от 20.01.2021 г.).

Участие авторов:
Землянова М.А. — концепция и дизайн исследования, обработка материала, написание текста;
Зайцева Н.В. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка материала, редактирование;
Степанков М.С. — сбор и обработка материала.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт федерального бюджета.

Поступила: 31.03.2023 / Принята к печати: 31.05.2023 / Опубликована: 20.06.2023

Об авторах

Марина Александровна Землянова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»; ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: zem@fcrisk.ru

Доктор мед. наук, профессор, зав. отд. биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь.

e-mail: zem@fcrisk.ru

Россия

Нина В. Зайцева

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГБУ «Российская академия наук»

Email: noemail@neicon.ru
Россия

Марк С. Степанков

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: noemail@neicon.ru
Россия

Список литературы

  1. GlobeNewswire. Research and Markets. Global nanomaterials market (2021 to 2029) – featuring BASF, Bayer and Chasm Technologies among others. Available at: https://www.globenewswire.com/news-release/2021/05/18/2231307/28124/en/Global-Nanomaterials-Market-2021-to-2029-Featuring-BASF-Bayer-and-Chasm-Technologies-Among-Others.html
  2. Research and Markets. Nanotechnology market – size, share, COVID impact analysis and forecast to 2027; 2021. Available at: https://www.researchandmarkets.com/reports/5308793/2021-nanotechnology-market-size-share-covid
  3. Piracha S., Saleem S. Nanoparticle: role in chemical industries, potential sources and chemical catalysis applications. Sch. Int. J. Chem. Mat. Sci. 2021; 4(4): 40–5. https://doi.org/10.36348/sijcms.2021.v04i04.006
  4. Shafiq M., Anjum S., Hano C., Anjum I., Abbasi B.H. An overview of the applications of nanomaterials and nanodevices in the food industry. Foods. 2020; 9(2): 148. https://doi.org/10.3390/foods9020148
  5. Shafique M., Luo X. Nanotechnology in transportation vehicles: an overview of its applications, environmental, health and safety concerns. Materials (Basel). 2019; 12(15): 2493. https://doi.org/10.3390/ma12152493
  6. Salata O. Applications of nanoparticles in biology and medicine. J. Nanobiotechnology. 2004; 2(1): 3. https://doi.org/10.1186/1477-3155-2-3
  7. Liu X., Luo L., Ding Y., Xu Y. Amperometric biosensors based on alumina nanoparticles-chitosan-horseradish peroxidase nanobiocomposites for the determination of phenolic compounds. Analyst. 2011; 136(4): 696–701. https://doi.org/10.1039/c0an00752h
  8. Robertson T.A., Sanchez W.Y., Roberts M.S. Are commercially available nanoparticles safe when applied to the skin? J. Biomed. Nanotechnol. 2010; 6(5): 452–68. https://doi.org/10.1166/jbn.2010.1145
  9. Krewski D., Yokel R.A., Nieboer E., Borchelt D., Cohen J., Harry J., et al. Human health risk assessment for aluminium, aluminium oxide, and aluminium hydroxide. J. Toxicol. Environ. Health B. Crit. Rev. 2007; 10(Suppl. 1): 1–269. https://doi.org/10.1080/10937400701597766
  10. Arul Prakash F., Dushendra Babu G.J., Lavanya M. Toxicity studies of aluminium oxide nanoparticles in cell lines. Int. J. Nanotechnol. Appl. 2011; 5(2): 99–107.
  11. Bahadar H., Maqbool F., Niaz K., Abdollahi M. Toxicity of nanoparticles and an overview of current experimental models. Iran. Biomed. J. 2016; 20(1): 1–11. https://doi.org/10.7508/ibj.2016.01.001
  12. Chen L., Yokel R.A., Hennig B., Toborek M. Manufactured aluminum oxide nanoparticles decrease expression of tight junction proteins in brain vasculature. J. Neuroimmune Pharmacol. 2008; 3(4): 286–95. https://doi.org/10.1007/s11481-008-9131-5
  13. El-Hussainy M.A., Hussein A.M., Abdel-Aziz A., El-Mehasseb I. Effects of aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles on ECG, myocardial inflammatory cytokines, redox state, and connexin 43 and lipid profile in rats: possible cardioprotective effect of gallic acid. Can. J. Physiol. Pharmacol. 2016; 94(8): 868–78. https://doi.org/10.1139/cjpp-2015-0446
  14. Balasubramanyam A., Sailaja N., Mahboob M., Rahman M.F., Hussain S.M., Grover P. In vivo genotoxicity assessment of aluminium oxide nanomaterials in rat peripheral blood cells using the comet assay and micronucleus test. Mutagenesis. 2009; 24(3): 245–51. https://doi.org/10.1093/mutage/gep003
  15. Pauluhn J. Pulmonary toxicity and fate of agglomerated 10 and 40 nm aluminum oxyhydroxides following 4-week inhalation exposure of rats: toxic effects are determined by agglomerated, not primary particle size. Toxicol. Sci. 2009; 109(1): 152–67. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfp046
  16. Зайцева Н.В., Землянова М.А., Степанков М.С., Игнатова А.М. Оценка токсичности и потенциальной опасности наночастиц оксида алюминия для здоровья человека. Экология человека. 2018; (5): 9–15. https://doi.org/10.33396/1728-0869-2018-5-9-15 https://elibrary.ru/xnzkzv
  17. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир; 1984.
  18. Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.P. The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. J. Am. Chem. Soc. 1951; 73: 373–80. https://doi.org/10.1021/ja01145a126
  19. Zhang N., Xiong G., Liu Z. Toxicity of metal-based nanoparticles: Challenges in the nano era. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022; 10: 1001572. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.1001572
  20. Chen L., Yokel R.A., Hennig B., Toborek M. Manufactured aluminum oxide nanoparticles decrease expression of tight junction proteins in brain vasculature. J. Neuroimmune. Pharmacol. 2008; 3(4): 286–95. https://doi.org/10.1007/s11481-008-9131-5
  21. Liu H., Zhang W., Fang Y., Yang H., Tian L., Li K., et al. Neurotoxicity of aluminum oxide nanoparticles and their mechanistic role in dopaminergic neuron injury involving p53-related pathways. J. Hazard. Mater. 2020; 392: 122312. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122312
  22. Pham-Huy L.A., He H., Pham-Huy C. Free radicals, antioxidants in disease and health. Int. J. Biomed. Sci. 2008; 4(2): 89–96.
  23. Phaniendra A., Jestadi D.B., Periyasamy L. Free radicals: properties, sources, targets, and their implication in various diseases. Indian J. Clin. Biochem. 2015; 30(1): 11–26. https://doi.org/10.1007/s12291-014-0446-0
  24. Arul Prakash F., Dushendra Babu G.J., Lavanya M. Toxicity studies of aluminium oxide nanoparticles in cell lines. Int. J. Nanotechnol. Appl. 2011; 5(2): 99–107.
  25. Sirajuddin A., Raparia K., Lewis V.A., Franks T.J., Dhand S., Galvin J.R., et al. Primary Pulmonary Lymphoid Lesions: Radiologic and Pathologic Findings. Radiographics. 2016; 36(1): 53–70. https://doi.org/10.1148/rg.2016140339
  26. Kaptein F.H.J., Kroft L.J.M., Hammerschlag G., Ninaber M.K., Bauer M.P., Huisman M.V., et al. Pulmonary infarction in acute pulmonary embolism. Thromb. Res. 2021; 202: 162–9. https://doi.org/10.1016/j.thromres.2021.03.022
  27. Al-Mufti F., Amuluru K., Smith B., Damodara N., El-Ghanem M., Singh I.P., et al. Emerging markers of early brain injury and delayed cerebral ischemia in aneurysmal subarachnoid hemorrhage. World Neurosurg. 2017; 107: 148–59. https://doi.org/10.1016/j.wneu.2017.07.114
  28. Suarez J.I., Tarr R.W., Selman W.R. Aneurysmal subarachnoid hemorrhage. N. Engl. J. Med. 2006; 354(4): 387–96. https://doi.org/10.1056/nejmra052732
  29. Sehba F.A., Hou J., Pluta R.M., Zhang J.H. The importance of early brain injury after subarachnoid hemorrhage. Prog. Neurobiol. 2012; 97(1): 14–37. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2012.02.003
  30. Fujii M., Yan J., Rolland W.B., Soejima Y., Caner B., Zhang J.H. Early brain injury, an evolving frontier in subarachnoid hemorrhage research. Transl. Stroke Res. 2013; 4(4): 432–46. https://doi.org/10.1007/s12975-013-0257-2
  31. Ciurea A.V., Palade C., Voinescu D., Nica D.A. Subarachnoid hemorrhage and cerebral vasospasm – literature review. J. Med. Life. 2013; 6(2): 120–5.
  32. Claassen J., Bernardini G.L., Kreiter K., Bates J., Du Y.E., Copeland D., et al. Effect of cisternal and ventricular blood on risk of delayed cerebral ischemia after subarachnoid hemorrhage: the Fisher scale revisited. Stroke. 2001; 32(9): 2012–20. https://doi.org/10.1161/hs0901.095677
  33. Tang W.K., Wang L., Tsoi K.K.F., Barrash J., Kim J.S. Personality changes after subarachnoid hemorrhage: A systematic review and meta-analysis. J. Psychosom. Res. 2022; 156: 110762. https://doi.org/10.1016/j.jpsychores.2022.110762
  34. Tang W.K., Wang L., Kwok Chu Wong G., Ungvari G.S., Yasuno F., Tsoi K.K.F., et al. Depression after subarachnoid hemorrhage: a systematic review. J. Stroke. 2020; 22(1): 11–28. https://doi.org/10.5853/jos.2019.02103
  35. M’rad I., Jeljeli M., Rihane N., Hilber P., Sakly M., Amara S. Aluminium oxide nanoparticles compromise spatial learning and memory performance in rats. EXCLI J. 2018; 17: 200–10. https://doi.org/10.17179/excli2017-1050
  36. M’rad I., Sakly M., Amara S. Aluminum oxide nanoparticles induced cognitive deficits and oxidative stress in frontal cortex and cerebellum of rat. Adv. J. Toxicol. Curr. Res. 2017; 1(1): 7–14.
  37. Celis M.E., Torre E. Measurement of grooming behavior. Methods Neurosci. 1993; 14: 359–78.
  38. Назаренко Г.И., Кишкун А.А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. М.: Медицина; 2006.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Землянова М.А., Зайцева Н.В., Степанков М.С., 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 37884 от 02.10.2009.