Исследование и оценка острой токсичности и кумулятивных свойств нанодисперсного оксида алюминия при пероральном поступлении

В течение последнего десятилетия наноразмер-ные материалы активно внедряются в различные сферы производства и потребления. Производство наноразмерного оксида алюминия составляет око- ло 20% объёма всех выпускаемых наноматериалов в мире [Rittner, 2002], что делает его одним из самых распространённых продуктов на рынке наноматериалов. Наноразмерный оксид алюминия активно используется в косметической промышленности [Robertson, Sanchez, Roberts, 2010]; в меди-

цинской промышленности – в системах доставки лекарств, биосенсорах, ортопедических и зубных имплантах [Liu et al., 2011]; в химической промышленности – в качестве катализатора [Jodin et al., 2006]; в пищевой промышленности – в качестве противослёживающей добавки, красителя, является компонентом эмульгаторов, консервантов, порошков для выпечки, соевых детских смесей, входит в состав противомикробных упаковок [Krewski et al., 2007]. В связи с широким распространением данного наноматериала становятся актуальными исследования, направленные на изучение физических и токсикологических свойств наночастиц оксида алюминия при различных путях поступления в организм.

Цель работы – исследование и оценка острой токсичности и кумулятивных свойств нанодис-персного оксида алюминия при пероральном поступлении.

Материалы и методы

Для проведения исследований использовали порошок нандисперсного оксида алюминия (Aluminum (III) oxide, CAS 1344-28-1, номер продукта 718475) производства компании Sigma Aldrich (США). Для сравнительного анализа использовали порошок микродисперсного оксида алюминия (Aluminum (III) oxide, CAS 1344-28-1, номер продукта 265497) производства компании Sigma Aldrich (США).

Тестируемые вещества использованы в форме водных суспензий посредством внесения порошка в бидистиллированную воду, соответствующую ТУ 6-09-2502-77. Полученные водные суспензии подвергали обработке ультразвуковым гомогенизатором Sonopuls Hd (Bandelin, Германия) при комнатной температуре в течение 15 мин. в режиме непрерывной пульсации на 80%-ной мощности. 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). Исследование и оценка удельной площади поверхности частиц нативных порошков нано- и микро-дисперсного материала выполнена по методу Бру-науэра, Эммета и Тейлора на приборе ASAP 2020 (Micromeritics, США) после дегазации исследуемого материала в вакууме при температуре 350°С в течение 3 ч.

Эксперименты с лабораторными животными выполнены в соответствии с требованиями этического комитета ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения и в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных [Guide

…, 2011].

Исследование токсического действия водной суспензии нанодисперсного оксида алюминия при однократном пероральном пути поступления выполнено на лабораторных животных в соответствии с ГОСТ 32644-2014. Развернутый эксперимент проведён на крысах линии Wistar массой 250–300 г в количестве 9 особей. Экспериментальных животных разделили на 3 группы по 3 особи в каждой: опытная группа для исследования нанодис-персного порошка, группа сравнения – микродис-персного аналога, контрольная группа, получавшая соответствующую среду без исследуемых материалов. Исследованная доза нано- и микродисперсно-го алюминия составила 2000 мг/кг массы тела. Период наблюдения составил 14 сут. Средняя смертельная доза вещества (ЛД50) определена по результатам выживаемости животных с применением алгоритма, представленного в ГОСТ 326442014, класс опасности – в соответствии с ГОСТ 12.1.007.76.

Эксперимент по оценке кумулятивных свойств проведён на 20 мышах линии CD-1. Экспериментальных животных разделили на 3 группы: опытную для исследования нанодисперсного порошка (8 особей), группу сравнения – микродисперсного аналога (8 особей) и контрольную группу (4 особи), получавшую соответствующую среду без исследуемых материалов. Первые 4 дня животным опытной группы перорально вводили дозу нано-дисперсного оксида алюминия, равную 1/10 ЛД50 (1510 мг/кг массы тела), каждые последующие 4 дня дозу увеличивали в 1.5 раза. Водную суспензию микродисперсного оксида алюминия вводили перорально в аналогичных дозах. Контрольная группа получала бидистиллированную воду без вещества. Эксперимент проводили в течение 10 дней в соответствии со схемой, представленной в МУ 1.2.2520-09.

Для оценки материальной кумуляции алюминия после многократного введения исследуемого вещества у экспериментальных животных выполняли отбор мозга, печени и крови. Отобранные образцы подвергали термическому озолению в течение 9 ч. в муфельной печи при температуре 450-500 ° С. Количественное определение содержания алюминия в образцах осуществляли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на масс-спектрометре Agilent 7500cx (Agilent, США) с октопольной реакци-онной/столкновительной ячейкой, в качестве газа-реактанта использовали гелий. Расчет концентрации алюминия осуществлялся с учетом массы органа.

Для изучения морфологических изменений в органах и тканях экспериментальных животных после однократного и многократного перорального введений исследуемого вещества выполняли отбор висцеральных органов методом полной эвисцера-ции по Шору. Извлечение головного мозга и бедренной кости для гистологического анализа выполняли специализированным инструментом. Ото- бранный материал немедленно фиксировали в 10%-ном растворе забуференного нейтрального формалина. Гистологические препараты изготавливали с использованием санного микротома JUNG SM 2000R (Leica, Германия). Микроскопию препаратов осуществляли в светооптическом микроскопе Axiostar (Carl Zeiss, Германия).

Для оценки достоверности различий полученных результатов использовали двухвыборочный t-критерий Стьюдента. Различия результатов являлись статистически значимыми при p≤0.05.

Результаты и их обсуждение

Методом динамического лазерного светорассеяния установлен размер исследуемых частиц оксида алюминия в диапазоне 58–100 нм, что в 52– 260 раз меньше значения у микродисперсного аналога (3–26 мкм). Методом сканирующей электронной микроскопии зарегистрирован максимальный пик распределения частиц оксида алюминия по размеру, соответствующий диапазону 30–40 нм (доля 42%), что в 100–150 раз меньше значения микродисперсного аналога (3–6 мкм). По данным научной литературы, наноразмерный оксид алюминия характеризуется как нерастворимое в воде вещество с эффективным положительным зарядом [Makherjee et al., 2011], низкой адсорбционной ёмкостью [Pal et al., 2016], супергидрофобными свойствами [Nanografi, 2018]. Дзета-потенциал наночастиц вещества в воде равен +52.2 мВ [Ansari et al., 2015], что свидетельствует об отсутствии склонности к агрегации. Удельная площадь поверхности наночастиц составила 113 м2/г, что в 161 раз больше значения у микродисперсного аналога (0.7 м2/г).

Исследование острой пероральной токсичности показало, что при однократном введении нанодис-персного оксида алюминия и его микродисперсно-го аналога через зонд гибели животных не установлено. Следовательно, в соответствии с алгоритмом определения класса острой токсичности, ЛД50 нанодисперсного оксида алюминия >5000 мг/кг массы тела, что соответствует 4-му классу опасности (малоопасное вещество).

Исходя из полученных данных, можно утверждать о более выраженной токсичности и кумулятивных свойствах нанодисперсного оксида алюминия сравнительно с его микродисперсным аналогом. Данная особенность нанодисперсного вещества, вероятно, обусловлена размером частиц и удельной площадью поверхности.

В научной литературе имеются сведения о способности наночастиц оксида алюминия проникать через гемато-энцефалический барьер [Arul Prakash et al., 2011]. Результаты, полученные нами в ходе многократного введения нанодисперсного оксида алюминия, показали достоверное повышение концентрации алюминия в мозге, при этом морфологических изменений в его тканях не установлено, что может указывать на недостаточность суммарной концентрации (21895 мг/кг массы тела) при пероральном поступлении для преодоления гемато-энцефалического барьера.

Заключение

Полученные результаты необходимо учитывать при разработке профилактических мер для производителей и потребителей продукции, содержащей наночастицы оксида алюминия.