Токсиколого-гигиеническая оценка потенциальной опасности для здоровья человека нанодисперсного раствора диоксида кремния

В настоящее время по данным департамента маркетинговых исследований Research Techart, происходит неуклонный рост совокупного мирового объема потребления наноматериалов [Маркетинговое …, 2009]. В силу малой изученности потенциальных рисков и побочных эффектов, сопряженных с использованием этих материалов и прогнозируемым ростом контакта населения с продуктами наноиндустрии, особую актуальность приобретают вопросы токсиколого-гигиенической оценки безопасности наноматериалов для здоровья человека и объектов среды обитания.

Наноразмерный диоксид кремния обладает огромным потенциалом для применения в наиболее приоритетных отраслях развития нанотехнологий: оптоэлектронике, фармакологии, пищевой промышленности [Трифонова, Ширкин, 2009]. В связи с перспективой широкого использования на-нодисперсного диоксида кремния в составе пищевых добавок, необходимо изучение возможной токсичности данного соединения при пероральном поступлении в организм, для разработки соответствующих стандартов безопасности.

Материалы и методы

Для определения потенциальной опасности, которую представляет исследуемый материал для здоровья человека, выполнена прогнозно-аналитическая процедура, основанная на построении генеральной определительной таблицы. Данная процедура позволяет провести анализ физических параметров и известных биологических эффектов наноразмер-ного диоксида кремния, представленных в имеющейся нормативно-технической документации и научной литературе.

Оценку размера и формы частиц нанодисперсно-го диоксида кремния, синтезированного методом жидкостно-кристаллического темплатирования с использованием бромид цетилтриметил-аммония, выполняли методами динамического светорассеива-ния и атомно-силовой микроскопии. Оценку удельной поверхности частиц проводили по методу Бру-науэра, Эммета и Тейлора без предварительного прокаливания [Бранауэр, 1948].

Оценку параметров острой токсичности при однократном внутрижелудочном зондовом введении нанодисперсного раствора диоксида кремния выполняли в соответствии с методическими указаниями МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов».

В ходе развернутого эксперимента использованы «нелинейные» белые мыши массой 25 ± 2 г в количестве 70 особей. Экспериментальные животные распределены на 7 групп по 10 особей. 1–3 опытные группы получили однократно зондово внутрижелу-дочно нанодисперсный раствор диоксида кремния в дозах: 500 мг/кг, 1000 мг/кг, 1500 мг/кг соответственно, в объеме, составляющем 1–2% массы тела. 4–6 группы сравнения получили микродисперсный раствор диоксида кремния в аналогичных дозах. Контрольная группа мышей получила однократно зондово внутрижелудочно физиологический раствор в эквивалентном объеме.

Экспериментальные животные наблюдались в течение 14 дней, имели свободный доступ к пище и воде. Все животные взвешивались на 1, 3 и 14-й день эксперимента.

Расчет параметров острой токсичности (LD50) производили с помощью статистической программы, реализующей алгоритм метода максимального правдоподобия.

У всех выживших животных на 14-й день произведен забор венозной крови из подъязычной вены. Оценку гематоксического эффекта выполняли при помощи анализа изменений форменных элементов крови в мазках, окрашенных по методу Паппенгей-ма, включающему комбинацию двух способов: Май-Грюнвальда и Романовского-Гимза.

Результаты и обсуждение

Экспериментально в синтезированном растворе установлено два вида фактического размера частиц диоксида кремния: от 50 до 70 нм в длину и ширину, и от 25 до 35 нм в высоту (доля частиц данного размера составила 67% общего количества частиц). Размеры второго вида частиц соответствуют 25 нм в длину, ширину и высоту (доля частиц данного размера составила 30% общего количества частиц). В нанодисперсном растворе преобладают частицы неправильной формы. Удельная площадь поверхности наночастиц диоксида кремния составила 95.960 м2/г, что может обусловливать их высокую реакционную способность in vitro и in vivo [Тутельян и др., 2009]. Частицы диоксида кремния «традиционной» размерности, использованные для сравнения, имели размер от 1 до 3.9 мкм в 100% случаев и форму, близкую к сферической.

В числе основных физико-химических характеристик, определяющих потенциальную опасность для здоровья человека наночастиц диоксида кремния, рассматривалась их растворимость в воде и биологических жидкостях. По данным научной литературы, наноразмерный диоксид кремния относится к нерастворимым соединениям, доля растворимых частиц при комнатной температуре в нейтральной pH среде составляет 0.007% [Dorota et al., 2010]. Также выявлено, что наночастицы данного соединения смачиваются биологическими жидко- стями (кровь, моча, лимфа, ликвор), но не растворяются в них, что может обусловливать длительное нахождение в свободном состоянии частиц исследуемого продукта в биологических средах [Тутельян и др., 2009; Dorota et al., 2010]. В этом случае биологические эффекты будут зависеть от поверхностных характеристик частиц, таких как заряд частицы, гидрофобность, устойчивость к агрегации.

Заряд поверхности диоксида кремния при рН = 7.4 определяется как отрицательный, что приводит к повышенной способности проникновения через тканевые барьеры (кожный, кишечный, гематоэнцефалический) [Тутельян и др., 2009; Седунов, Ступникова, Демидов, 2011]. Не менее важным фактором, потенциально влияющим на токсичность наночастиц, является гидрофильность. Частицы диоксида кремния относятся к гидрофильным веществам, это объясняется высокой концентрацией гидроксильных групп на поверхности аморфного кремнезема, которая колеблется от 4 до 5 OH/nm2 [Barbara et al., 2008], что, по данным научной литературы, может обусловливать более высокий показатель токсического эффекта [O,Farrel, Houlton, Horrocks, 2006].

Следует также отметить, что наночастицы диоксида кремния склонны к образованию агрегатов в водной среде [Dorota et al., 2010], в связи с этим их токсичность может снижаться, но тем не менее превышать данный показатель микрочастиц того же размера и массы [Тутельян и др., 2009].

Существенным фактором, определяющим токсические свойства наночастиц диоксида кремния, является способность данного соединения стимулировать избыточное образование активных форм кислорода (АФК) при взаимодействии с билипидным слоем клеточных мембран [O,Farrel, Houlton, Horrocks, 2006; Unfried et al., 2007]. В ряде исследований выявлены повреждения клеточной мембраны, индуцированные наночастицами диоксида кремния, по повышению уровня восстановленного глутатиона и малонового диальдегида [Lin et al., 2006], на фоне снижения текучести мембраны и нарушения внутриклеточного гомеостаза кальция [Yang et al., 2009]. Под действием исследуемого вещества также может изменяться уровень пероксиредоксинов. Исследования показали, что уровень экспрессии пе-роксиредоксинов отрицательно коррелирует с размером наночастиц [Xifei et al., 2010].

Интенсивное образование АФК при взаимодействии наночастиц диоксида кремния с клеточной мембраной может приводить к угнетению механизмов, противодействующих интенсификации опухолевой активности [Lin et al., 2006]. Также отмечается уменьшение уровня белка маспина в клетках под воздействием наночастиц диоксида кремния, который блокирует формирование, рост и распространение опухолей в организме [Xifei et al., 2010].

Следует отметить, что повреждение клеточной мембраны может осуществляться и через взаимодействие наночастиц диоксида кремния с интегральными мембранными белками, ответственными за транспорт ионов. В ряде исследований установлено изменение плотности мембранных белков эритроцитов при воздействии на них исследуемого вещества [Геращенко, 2009].

При изучении токсических эффектов, вызываемых диоксидом кремния, было установлено, что наночастицы способны проникать в цитоплазму клетки. Отмечается их ядерная локализация, что указывает на возможное взаимодействие наночастиц диоксида кремния с ДНК клетки и может приводить к повышенному образованию фермента топоизомеразы I, угнетающего процессы репликации, транскрипции и пролиферации [Dorota et al., 2010]. При идентификации ядерной локализации наночастиц диоксида кремния установлено изменение уровня экспрессии белков, что также может являться косвенным доказательством эпигенетических изменений в ДНК клетки под действием данного соединения [Xifei et al., 2010; Gong et al., 2010].

Важным фактором, определяющим потенциальную опасность для здоровья человека наночастиц диоксида кремния, является цитотоксическая активность. Установлено, что наночастицы диоксида кремния размером 70 нм обладают более выраженным цитотоксическим действием по сравнению с микроразмерными аналогами [Dorota et al., 2010]. Цитотоксическая активность данного вещества также может реализовываться через угнетение митохондриальной деятельности [Yang et al., 2009]. Установлено, что наночастицы диоксида кремния обладают гемолитической активностью [Геращенко, 2009].

В результате предварительной оценки потенциальной опасности установлено, что наноразмерный диоксид кремния достоверно является опасным для здоровья человека (средняя степень опасности по критерию частной опасности D=1.57).

В результате экспериментального определения параметров острой токсичности, установлено, что LD50 нанодисперсного и, сравнительно, микродис-персного растворов диоксида кремния на «нелинейных» мышах-самцах составляет соответственно 4638 мг/кг (3-й класс опасности) и более 10000 мг/кг (4-й класс опасности). Гибель экспериментальных животных в опытных группах, получивших нанодисперсный раствор диоксида кремния, отмечалась преимущественно на 3 и 4 сутки. За сутки до гибели у экспериментальных животных отмечалось значительное вздутие кишечника, поверхностное дыхание, ограничение подвижности, достоверное снижение массы тела на 20–25% от исходного значения. У экспериментальных животных, получивших микродисперсный раствор диоксида кремния, отмечалась положительная динамика массы тела и отсутствие клинических признаков интоксикации.

Наночастицы диоксида кремния в дозе, выше 0.2 LD50 обладают токсическим действием на форменные элементы крови экспериментальных животных, практически не установленным у микрочастиц. Это подтверждено наличием полихроматофильных эритроцитов (до 25% от общего числа эритроцитов крови), патологических телец Жоли в эритроцитах крови (до 10% от общего числа эритроцитов крови), выраженной агрегации тромбоцитов в крови.

На основании вышесказанного следует заключить, что аморфный наноразмерный диоксид кремния, синтезированный методом жидкостно-кристаллического темплатирования с использованием бромид цетилтриметил-аммония, при внутрижелудоч-ном поступлении в организм является опасным. Необходимо проведение исследований по выявлению качественных характеристик и количественных параметров хронического токсического действия данного вещества на организм.