Оценка риска никельсодержащих наноматериалов: идентификация опасного фактора

Автор: Гмошинский И.В., Хотимченко С.А.

Журнал: Анализ риска здоровью @journal-fcrisk

Статья в выпуске: 2 (34), 2021 года.

Бесплатный доступ

Наночастицы (НЧ) никеля (Ni) и его соединений привлекают большое внимание с точки зрения перспектив их инновационного использования в качестве катализаторов, материалов для электротехники, электроники и фотоники, лекарственных и диагностических препаратов, пестицидов. Производство этих веществ в наноформе имеет широкие перспективы в ближайшем будущем, что влечет за собой усиление нагрузки этими наноматериалами на организм человека. При этом Ni и его соединения даже в формах традиционной дисперсности высокотоксичны для человека. Механизмы их токсичности состоят в развитии окислительного стресса, нарушении функции клеточных мембран и митохондрий, экспрессии ядерных факторов транскрипции, отвечающих за развитие апоптоза, каспаз, а также протоонкогенов. Ведущую роль в токсичности Ni-содержащих наноматериалов играет, по-видимому, эмиссия из них ионов тяжелого металла Ni++, обладающего прооксидантной активностью, влияющего на активность ферментов и экспрессию генов. В модельных экспериментах in vitro с использованием культур клеток, являющихся морфологическими и функциональными аналогами клеток эпителия дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта, печени, почек, нервной системы, для Ni-содержащих наноматериалов отмечено цитотоксическое действие, способность провоцировать оксидантный стресс, влиять на экспрессию белков апоптоза и ядерных транскрипционных факторов, вызывать апоптоз и некроз. Имеются данные, свидетельствующие о наличии у Ni-cодержащих наноматериалов злокачественного трансформирующего действия in vitro. В совокупности это указывает на соединения никеля в наноформе как новый опасный фактор, требующий оценки создаваемых им рисков для здоровья работников предприятий, населения и потребителей продукции. В обзоре проанализированы источники литературы по вопросу о цитотоксичности Ni-содержащих наноматериалов и механизмах их действия на молекулярно-генетическом и клеточном уровне за период преимущественно с 2011 г.

Еще

Никель, оксид никеля, наночастицы, цитотоксичность, генотоксичность, трансформирующая способность, апоптоз, экспрессия генов, оценка риска

Короткий адрес: https://sciup.org/142229593

IDR: 142229593 | DOI: 10.21668/health.risk/2021.2.17

Список литературы Оценка риска никельсодержащих наноматериалов: идентификация опасного фактора

О'Брайен Р. Жиры и масла. Производство, состав и свойства, применение. - СПб.: Профессия, 2007. - 383 с.
Role of NF-кБ activation and Th1/Th2 imbalance in pulmonary toxicity induced by nano NiO / X. Chang, A. Zhu, F. Liu, L. Zou, L. Su, S. Li, Y. Sun // Environ. Toxicol. - 2017. - Vol. 32, № 4. - P. 1354-1362. DOI: 10.1002/tox.22329
Solid-state synthesis of ordered mesoporous carbon catalysts via a mechanochemical assembly through coordination cross-linking / P. Zhang, L. Wang, S. Yang, J.A. Schott, X. Liu, S.M. Mahurin, C. Huang, Y. Zhang [et al.] // Nat. Commun. -2017. - Vol. 28, № 8. - P. 15020. DOI: 10.1038/ncomms15020
A reusable magnetic nickel nanoparticle based catalyst for the aqueous synthesis of diverse heterocycles and their evaluation as potential antibacterial agent / D. Bhattacharjee, S.K. Sheet, S. Khatua, K. Biswas, S. Joshi, B. Myrboh // Bioor-ganic Medicinal Chemistry. - 2018. - Vol. 26, № 18. - P. 5018-5028. DOI: 10.1016/j.bmc.2018.08.033
Magnetic bistability and controllable reversal of asymmetric ferromagnetic nanorings / F.Q. Zhu, G.W. Chern, O. Tcherny-shyov, X.C. Zhu, J.G. Zhu, C.L. Chien // Phys. Rev. Lett. - 2006. - Vol. 96, № 2. - P. 027205. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.027205
Performance enhancement and side reactions in rechargeable nickel-iron batteries with nanostructured electrodes / D. Lei, D.C. Lee, A. Magasinski, E. Zhao, D. Steingart, G. Yushin // ACS Appl. Materials. Interfaces. - 2016. - Vol. 8, № 3. -P. 2088-2096. DOI: 10.1021/acsami.5b10547
Chou K.S., Chang S.C., Huang K.C. Study on the characteristics of nanosized nickel particles using sodium boro-hydride to promote conversion // Azo J. Mater. Online. - 2007. - Vol. 3. - P. 172-179. DOI: 10.2240/azojomo0232
Graphene supported nickel nanoparticle as a viable replacement for platinum in dye sensitized solar cells / R. Bajpai, S. Roy, N. Kulshrestha, J. Rafiee, N. Koratkar, D.S. Misra // Nanoscale. - 2012. - Vol. 4, № 3. - P. 926-930. DOI: 10.1039/c2nr11127f
A micro-/nano-chip and quantum dots-based 3D cytosensor for quantitative analysis of circulating tumor cells / X. Wu, T. Xiao, Z. Luo, R. He, Y. Cao, Z. Guo [et al.] // J. Nanobiotechnol. - 2018. - Vol. 16, № 1. - P. 65. DOI: 10.1186/s12951-018-0390-x
Borowska S., Brzoska M.M. Metals in cosmetics: implications for human health // J. Appl. Toxicol. - 2015. - Vol. 35, № 6. - P. 551-752. DOI: 10.1002/jat.3129
Synthesis of copper-nickel nanoparticles prepared by mechanical milling for use in magnetic hyperthermia / I. Ban, J. Stergar, M. Drofenik, G. Ferk, D. Makovec // J. Magn. Magn. Mater. - 2011. - Vol. 323, № 17. - P. 2254-2258. DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.04.004
Angajala G., Ramya R., Subashini R. In-vitro anti-inflammatory and mosquito larvicidal efficacy of nickel nanoparticles phytofabricated from aqueous leaf extracts of Aegle marmelos Correa // Acta Tropica. - 2014. - № 135. - P. 19-26. DOI: 10.1016/j.actatropica.2014.03.012
Spectroscopic investigation of biosynthesized nickel nanoparticles and its larvicidal, pesticidal activities / G. Elango, S.M. Roopan, K.I. Dhamodaran, K. Elumalai, N.A. Al-Dhabi, M.V. Arasu // J. Photochem. Photobiol. B: Biology. - 2016. -Vol. 162. - P. 162-167. DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2016.06.045
High-throughput transcriptomics: insights into the pathways involved in (nano) nickel toxicity in a key invertebrate test species / S.I.L. Gomes, C.P. Roca, J.J. Scott-Fordsmand, M.J.B. Amorim // Environ. Pollut. - 2019. - № 245. - P. 131-140. DOI: 10.1016/j.envpol.2018.10.123
Some inferences from in vivo experiments with metal and metal oxide nanoparticles: the pulmonary phagocytosis response, subchronic systemic toxicity and genotoxicity, regulatory proposals, searching for bioprotectors, a self-overview / B. Katsnelson, L. Privalova, M.P. Sutunkova, V.B. Gurvich, N.V. Loginova, I.A. Minigalieva, E.P. Kireyeva, V.Y. Shur [et al.] // Int. J. Nanomed. - 2015. - Vol. 16, № 10. - P. 3013-3029. DOI: 10.2147/IJN.S80843
Magaye R., Zhao J. Recent progress in studies of metallic nickel and nickel-based nanoparticles' genotoxicity and carcinogenicity // Environ. Toxicol. Pharmacol. - 2012. - Vol. 34, № 3. - P. 644-650. DOI: 10.1016/j.etap.2012.08.012
Nanomaterial induced immune responses and cytotoxicity / A. Ali, M. Suhail, S. Mathew, M.A. Shah, S.M. Harakeh, S. Ahmad, Z. Kazmi, M.A.R. Alhamdan [et al.] // J. Nanosci. Nanotechnol. - 2016. - Vol. 16, № 1. - P. 40-57. DOI: 10.1166/jnn.2016.10885
Komick R., Zug K.A. Nickel // Dermatitis. - 2008. - Vol. 19, № 1. - P. 3-8. DOI: 10.2310/6620.2008.07082
Nano-metal oxides: exposure and engineering control assessment / A. Garcia, A. Eastlake, J.L. Topmiller, C. Sparks, K. Martinez, C.L. Geraci // J. Occup. Environ. Hyg. - 2017. - Vol. 14, № 9. - P. 727-737. DOI: 10.1080/15459624.2017.1326699
Wu Y., Kong L. Advance on toxicity of metal nickel nanoparticles // Environ. Geochem. Health. - 2020. - Vol. 42, № 7. - P. 2277-2286. DOI: 10.1007/s10653-019-00491-4
Bioavailability, intracellular mobilization of nickel, and HIF-1a activation in human lung epithelial cells exposed to metallic nickel and nickel oxide nanoparticles / J.R. Pietruska, X. Liu, A. Smith, K. McNeil, P. Weston, A. Zhitkovich, R. Hurt, A.B. Kane // Toxicol. Sci. - 2011. - Vol. 124, № 1. - P. 138-148. DOI: 10.1093/toxsci/kfr206
Nickel oxide nanoparticles induce cytotoxicity, oxidative stress and apoptosis in cultured human cells that is abrogated by the dietary antioxidant curcumin / M.A. Siddiqui, M. Ahamed, J. Ahmad, M.A.M. Khan, J. Musarrat, A.A. Al-Khedhairy, S.A. Alrokayan // Food Chem. Toxicol. - 2012. - Vol. 50, № 3-4. - P. 641-647. DOI: 10.1016/j.fct.2012.01.017
Evaluation of the genotoxic properties of nickel oxide nanoparticles in vitro and in vivo / R.F. De Carli, D.D.S. Chaves, T.R. Cardozo, A.P. de Souza, A. Seeber, W.H. Flores, K.F. Honatel, M. Lehmann, R.R. Dihl // Mutat. Res. Genet. Toxicol. Environ. Mutagen. - 2018. - Vol. 836, Pt. B. - P. 47-53. DOI: 10.1016/j.mrgentox.2018.06.003
Capasso L., Camatini M., Gualtieri M. Nickel oxide nanoparticles induce inflammation and genotoxic effect in lung epithelial cells // Toxicol. Lett. - 2014. - Vol. 226, № 1. - P. 28-34. DOI: 10.1016/j.toxlet.2014.01.040
Nickel release, ROS generation and toxicity of Ni and NiO micro- and nanoparticles / S. Latvala, J. Hedberg, S. Di Bucchianico, L. Moller, I. Odnevall Wallinder, K. Elihn, H.L. Karlsson // PLoS ONE. - 2016. - Vol. 11, № 7. - P. e0159684. DOI: 10.1371/journal.pone.0159684
In vitro and in vivo evaluation of the toxicities induced by metallic nickel nano and fine particles / R. Magaye, Y. Gu, Y. Wang, H. Su, Q. Zhou, G. Mao, H. Shi, X. Yue [et al.] // J. Mol. Histol. - 2016. - Vol. 47, № 3. - P. 273-286. DOI: 10.1007/s10735-016-9671-6
Nano nickel oxide promotes epithelial-mesenchymal transition through transforming growth factor p1/smads signaling pathway in A549 cells / X. Chang, M. Tian, Q. Zhang, J. Gao, S. Li, Y. Sun // Environ Toxicol. - 2020. - Vol. 35, № 12. -P. 1308-1317. DOI: 10.1002/tox.22995
Evaluation of acute oxidative stress induced by NiO nanoparticles in vivo and in vitro / M. Horie, H. Fukui, K. Nishio, S. Endoh, H. Kato, K. Fujita, A. Miyauchi, M. Shichiri [et al.] // J. Occup. Health. - 2011. - Vol. 53, № 2. - P. 64-74. DOI: 10.1539/joh.L10121
NiO nanoparticles induce cytotoxicity mediated through ROS generation and impairing the antioxidant defense in the human lung epithelial cells, A549: preventive effect of Pistacia lentiscus essential oil / M. Khiari, Z. Kechrid, F. Klibet, A. Elfeki, M.S. Shaarani, D. Krishnaiah // Toxicol. Rep. - 2018. - Vol. 21, № 5. - P. 480-488. DOI: 10.1016/j.toxrep.2018.03.012
NiO nanoparticles induce apoptosis through repressing SIRT1 in human bronchial epithelial cells / W.-X. Duan, M.-D. He, L. Mao, F.-H. Qian, Y.-M. Li, H.-F. Pi, C. Liu, C.-H. Chen [et al.] // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 2015. - Vol. 286, № 2. - P. 80-91. DOI: 10.1016/j.taap.2015.03.024
Transcriptome profiling and toxicity following long-term, low dose exposure of human lung cells to Ni and NiO nanoparticles-comparison with NiCl2 / A.R. Gliga, S. Di Bucchianico, E. Akerlund, H.L. Karlsson // Nanomaterials (Basel). -2020. - Vol. 10, № 4. - P. 649. DOI: 10.3390/nano10040649
Calcium-dependent cyto- and genotoxicity of nickel metal and nickel oxide nanoparticles in human lung cells / S. Di Bucchianico, A.R. Gliga, E. Akerlund, S. Skoglund, I.O. Wallinder, B. Fadeel, H.L. Karlsson // Part. Fibre Toxicol. - 2018. -Vol. 15, № 1. - P. 32. DOI: 10.1186/s12989-018-0268-y
Genotoxic and mutagenic properties of Ni and NiO nanoparticles investigated by comet assay, y-H2AX staining, Hprt mutation assay and ToxTracker reporter cell lines / E. Akerlund, F. Cappellini, S. Di Bucchianico, S. Islam, S. Skoglund, R. Derr, I.O. Wallinder, G. Hendriks, H.L. Karlsson // Environ. Mol. Mutagen. - 2018. - Vol. 59, № 3. - P. 211-222. DOI: 10.1002/em.22163
Abudayyak M., Guzel E., Ozhan G. Cytotoxic, genotoxic, and apoptotic effects of nickel oxide nanoparticles in intestinal epithelial cells // Turk. J. Pharm. Sci. - 2020. - Vol. 17, № 4. - P. 446-451. DOI: 10.4274/tjps.galenos.2019.76376
Nickel oxide nanoparticles exert cytotoxicity via oxidative stress and induce apoptotic response in human liver cells, HepG2 / M. Ahamed, D. Ali, H.A. Alhadlaq, M.J. Akhtar // Chemosphere. - 2013. - Vol. 93, № 10. - P. 2514-2522. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2013.09.047
Concentration-dependent induction of reactive oxygen species, cell cycle arrest and apoptosis in human liver cells after nickel nanoparticles exposure / J. Ahmad, H.A. Alhadlaq, M.A. Siddiqui, Q. Saquib, A.A. Al-Khedhairy, J. Musarrat, M. Ahamed // Environ. Toxicol. - 2015. - Vol. 30, № 2. - P. 137-148. DOI: 10.1002/tox.21879
Nickel oxide nanoparticles induced transcriptomic alterations in HEPG2 cells / Q. Saquib, M. Siddiqui, J. Ahmad, S. Ansari, M. Faisal, R. Wahab, A. Alatar, A.A. Al-Khedhairy, J. Musarrat // Adv. Exp. Med. Biol. - 2018. - Vol. 1048. -P. 163-174. DOI: 10.1007/978-3-319-72041-8_10
High-throughput transcriptomics: an insight on the pathways affected in HepG2 cells exposed to nickel oxide nanopar-ticles / Q. Saquib, P. Xia, M.A. Siddiqui, J. Zhang, Y. Xie, M. Faisal, S.M. Ansari, H.A. Alwathnani [et al.] // Chemosphere. -2020. - Vol. 244. - P. 125488. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.125488
TGF-P1 mediated Smad signaling pathway and EMT in hepatic fibrosis induced by Nano NiO in vivo and in vitro / Q. Zhang, X. Chang, H. Wang, Y. Liu, X. Wang, M. Wu, H. Zhan, S. Li, Y. Sun // Environ. Toxicol. - 2020. - Vol. 35, № 4. -P. 419-429. DOI: 10.1002/tox.22878
Cytotoxicity of NiO and Ni (OH) 2 nanoparticles is mediated by oxidative stress-induced cell death and suppression of cell proliferation / M.H. Cambre, N.J. Holl, B. Wang, L. Harper, H.-J. Lee, C.C. Chusuei, F.Y.S. Hou, E.T. Williams [et al.] // Int. J. Mol Sci. - 2020. - Vol. 21, № 7. - P. 2355. DOI: 10.3390/ijms21072355
Abudayyak M., Guzel E., Ozhan G. Nickel oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and apoptosis in kidney cell line, NRK-52E // Biol. Trace Elem. Res. - 2017. - Vol. 178, № 1. - P. 98-104. DOI: 10.1007/s12011-016-0892-z
Reactive oxygen species-mediated DNA damage and apoptosis in human skin epidermal cells after exposure to nickel nanoparticles / S. Alarifi, D. Ali, S. Alakhtani, E.S. Al Suhaibani, A.A. Al-Qahtani // Biol. Trace Elem. Res. - 2014. - Vol. 157, № i. - P. 84-93. DOI: 10.1007/s12011-013-9871-9
Metallic nickel nano- and fine particles induce JB6 cell apoptosis through a caspase-8/AIF mediated cytochrome c-independent pathway / J. Zhao, L. Bowman, X. Zhang, X. Shi, B. Jiang, V. Castranova, M. Ding // J. Nanobiotechnol. - 2009. -Vol. 7. - P. 2. DOI: 10.1186/1477-3155-7-2
Inhibition of nickel nanoparticles-induced toxicity by epigallocatechin-3-gallate in JB6 cells may be through down-regulation of the MAPK signaling pathways / Y. Gu, Y. Wang, Q. Zhou, L. Bowman, G. Mao, B. Zou, J. Xu, Y. Liu [et al.] // PLoS One. - 2016. - Vol. ii, № 3. - P. e0150954. DOI: 10.1371/journal.pone.0150954
Dumala N., Mangalampalli B., Grover P. In vitro genotoxicity assessment of nickel (II) oxide nanoparticles on lymphocytes of human peripheral blood // J. Appl. Toxicol. - 2019. - Vol. 39, № 7. - P. 955-965. DOI: 10.1002/jat.3784
The role of miR-21 in nickel nanoparticle-induced MMP-2 and MMP-9 production in mouse primary monocytes: in vitro and in vivo studies / Y. Mo, Y. Zhang, L. Mo, R. Wan, M. Jiang, Q. Zhang // Environ. Pollut. - 2020. - Vol. 267. -P. 115597. DOI: 10.1016/j.envpol.2020.115597
Molecular mechanisms underlying nickel nanoparticle induced rat Sertoli-germ cells apoptosis / L. Kong, W. Hu, X. Gao, Y. Wu, Y. Xue, K. Cheng, M. Tang // Sci. Total Environ. - 2019. - Vol. 692. - P. 240-248. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.07.107
Effect and mechanism of PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in the apoptosis of GC-i cells induced by nickel nanoparticles / Y. Wu, J. Ma, Y. Sun, M. Tang, L. Kong // Chemosphere. - 2020. - Vol. 255. - P. 126913. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.126913
In vitro genotoxicity of airborne Ni-NP in air-liquid interface / S. Latvala, D. Vare, H.L. Karlsson, K. Elihn // J. Appl. Toxicol. - 2017. - Vol. 37, № 12. - P. 1420-1427. DOI: 10.1002/jat.3510
Abudayyak M., Guzel E., Özhan G. Nickel oxide nanoparticles are highly toxic to SH-SY5Y neuronal cells // Neuro-chem. Int. - 2017. - Vol. 108. - P. 7-14. DOI: 10.1016/j.neuint.2017.01.017
The effects of nickel oxide nanoparticles on tau protein and neuron-like cells: biothermodynamics and molecular studies / M. Hajimohammadjafartehrani, S.H. Hosseinali, A. Dehkohneh, P. Ghoraeian, M. Ale-Ebrahim, K. Akhtari, K. Shahpasand, A.A. Saboury, F. Attar, M. Falahati // Int. J. Biol. Macromol. - 2019. - Vol. 127. - P. 330-339. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2019.01.050
Biophysical, molecular dynamics and cellular studies on the interaction of nickel oxide nanoparticles with tau proteins and neuron-like cells / S.H. Hosseinali, Z.P. Boushehri, B. Rasti, M. Mirpour, K. Shahpasand, M. Falahati // Int. J. Biol. Macromol. - 2019. - Vol. 125. - P. 778-784. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2018.12.062
Are in vivo and in vitro assessments of comparative and combined toxicity of the same metallic nanoparticles compatible, or contradictory, or both? A juxtaposition of data obtained in respective experiments with NiO and Mn3O4 nanoparticles / I. Mini-galieva, T. Bushueva, E. Fröhlich, C. Meindl, K. Öhlinger, V. Panov, A. Varaksin, V. Shur [et al.] // Food Chem Toxicol. - 2017. -Vol. 109, Pt. i. - P. 393-404. DOI: 10.1016/j.fct.2017.09.032
Metallic nickel nanoparticles may exhibit higher carcinogenic potential than fine particles in JB6 cells / R. Magaye, Q. Zhou, L. Bowman, B. Zou, G. Mao, J. Xu, V. Castranova, J. Zhao, M. Ding // PLoS One. - 2014. - Vol. 9, № 4. - P. e92418. DOI: 10.1371/journal.pone.0092418
Muñoz A., Costa M. Elucidating the mechanisms of nickel compound uptake - a review of particulate and nano-nickel endocytosis and toxicity // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 2012. - Vol. 260, № i. - P. 1-16. DOI: 10.1016/j.taap.2011.12.014
Manke A., Wang L., Rojanasakul Y. Mechanisms of nanoparticle-induced oxidative stress and toxicity // Biomed. Res. Int. - 2013. - Vol. 2013. - P. 942916. DOI: 10.1155/2013/942916
Cameron K.S., Buchner V., Tchounwou P.B. Exploring the molecular mechanisms of nickel-induced genotoxicity and carcinogenicity: a literature review // Rev. Environ. Health. - 2011. - Vol. 26, № 2. - P. 81-92. DOI: 10.1515/reveh.2011.012
Mechanisms involved in reproductive toxicity caused by nickel nanoparticle in female rats / L. Kong, X. Gao, J. Zhu, K. Cheng, M. Tang // Environ. Toxicol. - 2016. - Vol. 31, № ii. - P. 1674-1683. DOI: 10.1002/tox.22288
Acute toxicity of nickel nanoparticles in rats after intravenous injection / R.R. Magaye, X. Yue, B. Zou, H. Shi, H. Yu, K. Liu, X. Lin, J. Xu [et al.] // Int. J. Nanomed. - 2014. - Vol. 9. - P. 1393-1402. DOI: 10.2147/ijn.S56212
The role of hypoxia inducible factor-ialpha in the increased MMP-2 and MMP-9 production by human monocytes exposed to nickel nanoparticles / R. Wan, Y. Mo, S. Chien, Y. Li, D.J. Tollerud, Q. Zhang // Nanotoxicology. - 2011. - Vol. 5, № 4. - P. 568-582. DOI: 10.3109/17435390.2010.537791
Токсикологическая оценка наноструктурного диоксида кремния. IV. Иммунологические и аллергологические показатели у животных, сенсибилизированных пищевым аллергеном, и заключительное обсуждение / А.А. Шумакова, B.А. Шипелин, Э.Н. Трушина, О.К. Мустафина, И.В. Гмошинский, Р.А. Ханферьян, С.А. Хотимченко, В.А. Тутельян // Вопросы питания. - 2015. - Т. 84, № 5. - С. 102-111.
Influence of orally introduced silver nanoparticles on content of essential and toxic trace elements in organism / I.V. Gmoshinski, A.A. Shumakova, V.A. Shipelin, G.Yu. Maltsev, S.A. Khotimchenko // Nanotechnologies in Russia. - 2016. -Vol. ii, № 9-10. - P. 646-652. DOI: 10.1134/S1995078016050074

Еще

Статья обзорная