Наночастицы и наноматериалы — неизбежные современные токсичные агенты. Обзор. Часть 2. Основные направления исследований токсичности и методы измерения содержания наночастиц в биологической ткани
- Авторы: Ивлиева А.Л.1, Зиньковская И.2, Петрицкая Е.Н.1, Рогаткин Д.А.1
-
Учреждения:
- Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
- Объединённый институт ядерных исследований
- Выпуск: Том 29, № 3 (2022)
- Страницы: 147-162
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/1728-0869/article/view/100156
- DOI: https://doi.org/10.17816/humeco100156
- ID: 100156
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Во второй части обзора рассматриваются три основных направления исследований токсичности наночастиц (НЧ): токсичность НЧ, содержащихся в окружающей среде; молекулярные механизмы токсичности; репродуктивная токсичность. Описаны исследования, проведённые на водных и почвенных модельных организмах, с рассмотрением эффектов НЧ в близких к природным концентрациях и в водах с разной солёностью, а также в сравнении с влиянием ионов. Перечислены работы, посвящённые различным аспектам вызываемого НЧ окислительного стресса, приведена оценка генотоксичности и мутагенности НЧ разными стандартными методами, рассмотрены известные на сегодняшний день сведения об образовании белковых корон вокруг НЧ. Подняты вопросы о дозозависимости эффектов и о влиянии применённого стабилизирующего покрытия. Рассмотрено влияние НЧ на пренатальное и постнатальное развитие различных модельных видов позвоночных, включая морфологические нарушения, изменения экспрессии генов и поведение выросших особей, а также на репродуктивную систему у взрослых самок и самцов. Рассмотрены также основные методы количественного определения содержания НЧ в биологических образцах как неотъемлемый этап исследований по токсичности НЧ для человека и животных.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Александра Леонидовна Ивлиева
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Автор, ответственный за переписку.
Email: ivlieva@medphyslab.com
ORCID iD: 0000-0002-0331-6233
SPIN-код: 5555-1343
младший научный сотрудник
Россия, МоскваИнга Зиньковская
Объединённый институт ядерных исследований
Email: zinikovskaia@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0820-887X
SPIN-код: 6814-1720
д.х.н.
Россия, ДубнаЕлена Николаевна Петрицкая
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Email: medphys@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-3836-0103
SPIN-код: 2641-3111
к.б.н.
Россия, МоскваДмитрий Алексеевич Рогаткин
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского
Email: d.rogatkin@monikiweb.ru
ORCID iD: 0000-0002-7755-308X
SPIN-код: 9130-8111
http://www.medphyslab.ru
д.т.н., доцент
Россия, МоскваСписок литературы
- Тригуб А.Г. Влияние коллоидного наносеребра на пресноводные и морские планктонные организмы. В кн.: Под общ. ред. М.Г. Петровой. Теоретические и прикладные аспекты современной науки : сборник научных трудов по материалам VI Международной научно-практической конференции. Часть I. Белгород : ИП Петрова М.Г., 2015. С. 123–135.
- OECD Guidelines for the testing of chemicals: Daphnia sp. [Интернет]. Доступ по ссылке: https://www.oecd-ilibrary.org/environment/oecd-guidelines-for-the-testing-of-chemicals_72d77764-en (дата обращения: 22.01.2021).
- Asghari S., Johari S.A., Lee J.H., et al. Toxicity of various silver nanoparticles compared to silver ions in Daphnia magna // Journal of Nanobiotechnology. 2012. Vol. 10. N 14. doi: 10.1186/1477-3155-10-14
- Pokhrel L.K., Dubey B. Potential impact of low-concentration silver nanoparticles on predator−prey interactions between predatory dragonfly nymphs and Daphnia magna as a prey // Environmental Science and Technology. 2012. Vol. 46. N 46. P. 7755−7762. doi: 10.1021/es204055c
- Joo H.S., Kalbassi M.R., Yu I.J., et al. Bioaccumulation of silver nanoparticles in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): influence of concentration and salinity // Aquatic Toxicology. 2013. Vol. 140–141. P. 398–406. doi: 10.1016/j.aquatox.2013.07.003
- Bertrand C., Zalouk-Vergnoux A., Giambérini L., et al. The influence of salinity on the fate and behavior of silver standardized nanomaterial and toxicity effects in the estuarine bivalve Scrobicularia plana // Environmental Toxicology and Chemistry. 2016. Vol. 35, N 10. P. 2550–2561. doi: 10.1002/etc.3428
- Yang X., Jiang C., Hsu-Kim H., et al. Silver nanoparticle behavior, uptake, and toxicity in caenorhabditis elegans: effects of natural organic matter // Environmental Science and Technology. 2014. N 48. P. 3486−3495. doi: 10.1021/es404444n
- Garcia-Reyero N., Kennedy A.J., Escalon B.L., et al. Differential effects and potential adverse outcomes of ionic silver and silver nanoparticles in vivo and in vitro // Environmental Science and Technology. 2014. N 48. P. 4546–4555. doi: 10.1021/es4042258
- Rui Qi, Zhao Y., Wub Q., et al. Biosafety assessment of titanium dioxide nanoparticles in acutely exposed nematode Caenorhabditis elegans with mutations of genes required for oxidative stress or stress response // Chemosphere. 2013. Vol. 93, N 10. P. 2289–2296. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.08.007
- Lewinski N., Colvin V., Drezek R. Cytotoxicity of nanoparticles // Small. 2008. Vol. 4, N 1. P. 26–49. doi: 10.1002/smll.200700595
- Rodriguez-Garraus A., Azqueta A., Vettorazzi A., de Cerain A.L. Genotoxicity of silver nanoparticles // Nanomaterials. 2020. N 10. P. 251. doi: 10.3390/nano10020251
- Yin N., Hu B., Yang R., et al. Assessment of the developmental neurotoxicity of silver nanoparticles and silver ions with mouse embryonic stem cells in vitro // Journal of Interdisciplinary Nanomedicine. 2018. Vol. 3, N 3. P. 133–145. doi: 10.1002/jin2.49
- Huang C.-L., Hsiao I-L., Lin H.-C., et al. Silver nanoparticles affect on gene expression of inflammatory and neurodegenerative responses in mouse brain neural cells // Environmental Research. 2015. Vol. 136. P. 253–263. doi: 10.1016/j.envres.2014.11.006
- Кукла С.П., Слободскова В.В., Челомин В.П. Генотоксическое воздействие наночастиц диоксида титана на двустворчатого моллюска Mytilus trossulus (Gould, 1850) в морской среде // Морской биологический журнал. 2018. Т. 3, № 4. С. 43–50. doi: 10.21072/mbj.2018.03.4.05
- Hu R., Zheng L., Zhang T., et al. Molecular mechanism of hippocampal apoptosis of mice following exposure to titanium dioxide nanoparticles // Journal of Hazard Materials. 2011. Vol. 191. N 1-3. P. 32–40. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.04.027
- Krawczynska A., Dziendzikowska K., Gromadzka-Ostrowska J., et al. Silver and titanium dioxide nanoparticles alter oxidative/inflammatory response and renine-angiotensin system in brain // Food and Chemical Toxicology. 2015. Vol. 85. P. 96–105. doi: 10.1016/j.fct.2015.08.005
- Сутункова М.П., Макеев О.Г., Привалова Л.И., и др. Генотоксический эффект воздействия некоторых элементных или элементнооксидных наночастиц и его ослабление комплексом биопротекторов // Медицина труда и промышленная экология. 2018. № 11. С. 10–16. doi: 10.31089/1026-9428-2018-11-10-16
- Bideskan A.E., Mohammadipour A., Fazel A., et al. Exposure to titanium dioxide nanoparticles during pregnancy and lactation alters offspring hippocampal mRNA BAX and Bcl-2 levels, induces apoptosis and decreases neurogenesis // Experimental and Toxicologic Pathology. 2017. Vol. 69, N 6. P. 329–337. doi: 10.1016/j.etp.2017.02.006
- Kim S., Ryu D.Y. Silver nanoparticle-induced oxidative stress, genotoxicity and apoptosis in cultured cells and animal tissues // Journal of Applied Toxicology. 2013. Vol. 33, N 2. P. 78–89. doi: 10.1002/jat.2792
- Dabrowska-Bouta B., Zieba M., Orzelska-Gorka J., et al. Influence of a low dose of silver nanoparticles on cerebral myelin and behavior of adult rats // Toxicology. 2016. Vol. 363–364. P. 29–36. doi: 10.1016/j.tox.2016.07.007
- Zhou Y., Hong F., Tian Y., et al. Nanoparticulate titanium dioxide-inhibited dendritic development is involved in apoptosis and autophagy of hippocampal neurons in offspring mice // Toxicology Research. 2017. Vol. 6, N 6. P. 889–901. doi: 10.1039/c7tx00153c
- Grissa I., El Ghoul J., Mrimi R., et al. In deep evaluation of the neurotoxicity of orally administered TiO2 nanoparticles // Brain Research Bulletin. 2019. Vol. 155. P. 119–128. doi: 10.1016/j.brainresbull.2019.10.005
- Джумагазиева Д.С., Маслякова Г.Н., Сулейманова Л.В. Исследование мутагенного действия золотых наночастиц в микроядерном тесте // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2011. Т. 151, № 6. С. 677–680. doi: 10.1007/s10517-011-1427-4
- Прохорова И.М., Кибрик Б.С., Павлов А.В., Песня Д.С. Оценка мутагенного и митозмодифицирующего действия наночастиц серебра // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2013. Т. 156, № 8. С. 223–228. doi: 10.1007/s10517-013-2325-8
- Пятница-Горпинченко Н.К. Асбест и волокнистый канцерогенез // Environment & Health. 2014. №1. С. 4–9.
- Butler K.S., Peeler D.J., Casey B.J., et al. Silver nanoparticles: correlating nanoparticles size and cellular uptake with genotoxicity // Mutagenesis. 2015. Vol. 30, N 4. P. 577–591. doi: 10.1093/mutage/gev020
- George J.M., Magogotya M., Vetten M.V., et al. An investigation of the genotoxicity and interference of gold nanoparticles in commonly used in vitro mutagenicity and genotoxicity assays // Toxicological Sciences. 2017. Vol. 156, N 1. P. 149–166. doi: 10.1093/toxsci/kfw247
- Guo X., Li Y., Yan J., et al. Size and coating-dependent cytotoxicity and genotoxicity of silver nanoparticles evaluated using in vitro standard assays // Nanotoxicology. 2016. Vol. 10, N 9. P. 1373–1384. doi: 10.1080/17435390.2016.1214764
- Li Y., Chen D.H., Yan J., Chen Y., et al. Genotoxicity of silver nanoparticles evaluated using the Ames test and in vitro micronucleus assay // Mutation Research. 2012. Vol. 745, N 1-2. P. 4–10. doi: 10.1016/j.mrgentox.2011.11.010
- Chen E.Y. Garnica M., Wang Y.-C., et al. A mixture of anatase and rutile TiO2 nanoparticles induces histamine secretion in mast cells // Particle and Fibre Toxicology. 2012. Vol. 9, N 2. doi: 10.1186/1743-8977-9-2
- Ivask A., Bondarenko O., Jepihhina N., Kahru A. Profiling of the reactive oxygen species-related ecotoxicity of CuO, ZnO, TiO2, silver and fullerene nanoparticles using a set of recombinant luminescent Escherichia coli strains: differentiating the impact of particles and solubilised metals // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2010. Vol. 398, N 2. P. 701–716. doi: 10.1007/s00216-010-3962-7
- Xiong S., George S., Ji J., et al. Size of TiO2 nanoparticles influences their phototoxicity: an in vitro investigation // Archives of Toxicology. 2013. Vol. 87, N 1. P. 99–109. doi: 10.1007/s00204-012-0912-5
- Сарапульцев А.П., Ремпель С.В., Кузнецова Ю.В., Сарапульцев Г.П. Взаимодействие наночастиц с биологическими объектами // Вестник уральской медицинской академической науки. 2016. №3. С. 97–111. doi: 10.22138/2500-0918-2016-15-3-97-111
- Леоненко Н.С., Леоненко О.Б. Факторы, влияющие на проявление токсичности и опасности наноматериалов // Innovative Biosystems and Bioengineering. 2020. Vol. 4, N 2. С. 75–88. doi: 10.20535/ibb.2020.4.2.192810
- Румянцев К.А., Шеметов А.А., Набиев И.Р., Суханова А.В. Взаимодействие белков и пептидов с наночастицами. Структурные и функциональные аспекты // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. №11-12. С. 18–34.
- Ткаченко Т.В., Безрядина А.С. Наночастицы как актуальное направление исследований // Международный студенческий научный вестник. 2017. № 4-5. С. 619–621.
- Brun E., Sanche L., Sicard-Roselli C. Parameters governing gold nanoparticle X-ray radiosensitization of DNA in solution // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2009. Vol. 72, N 1. P. 128–134. doi: 10.1016/j.colsurfb.2009.03.025
- Massarsky A., Dupuis L., Taylor J., et al. Assessment of nanosilver toxicity during zebrafish (Danio rerio) development // Chemosphere. 2013. N 92. P. 59–66. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.02.060
- Moradi-Sardareh H., Basir H.R.G., Hassan Z.M., et al. Toxicity of silver nanoparticles on different tissues of Balb/C mice // Life Sciences. 2018. Vol. 211. P. 81–90. doi: 10.1016/j.lfs.2018.09.001
- Greish K., Alqahtani A.A., Alotaibi A.F., et al. The effect of silver nanoparticles on learning, memory and social interaction in BALB/C mice // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019. Vol. 16, N 1. P. 148. doi: 10.3390/ijerph16010148
- Tabatabaei S.R.F., Moshrefi M., Askaripour M. Prenatal exposure to silver nanoparticles causes depression like responses in mice // Indian Journal of Pharmaceutical Sciences. 2015. Vol. 77, N 6. P. 681–686.
- Dănilă O.O., Berghian A.S., Dionisie V., et al. The effects of silver nanoparticles on behavior, apoptosis and nitro-oxidative stress in offspring Wistar rats // Nanomedicine (Lond). 2017. Vol. 12, N 12. P. 1455–1473. doi: 10.2217/nnm-2017-0029
- Hadrup N., Sharma A.K., Loeschner K. Toxicity of silver ions, metallic silver, and silver nanoparticle materials after in vivo dermal and mucosal surface exposure: a review // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2018. Vol. 98. P. 257–267. doi: 10.1016/j.yrtph.2018.08.007
- Warheit D.B., Brown S.C., Donner E.M. Acute and subchronic oral toxicity studies in rats with nanoscale and pigment grade titanium dioxide particles // Food and Chemical Toxicology. 2015. Vol. 84. P. 208–224. doi: 10.1016/j.fct.2015.08.026
- Park K., Tuttle G., Sinche F., Harper S.L. Stability of citrate-capped silver nanoparticles in exposure media and their effects on the development of embryonic zebrafish (Danio rerio) // Archives of Pharmacal Research. 2013. Vol. 36. P. 125–133. doi: 10.1007/s12272-013-0005-x
- Xin Q., Rotchell J.M., Cheng J., et al. Silver nanoparticles affect the neural development of zebrafish embryos // Journal of Applied Toxicology. 2015. Vol. 35. P. 1481–1492. doi: 10.1002/jat.3164
- Powers C.M., Slotkin T.A., Seidler F.J., et al. Silver nanoparticles alter zebrafish development and larval behavior: distinct roles for particle size, coating and composition // Neurotoxicology and Teratology. 2011. Vol. 33, N 6. P. 708–714. doi: 10.1016/j.ntt.2011.02.002
- Asmonaite G., Boyer S., de Souza K.B., et al. Behavioural toxicity assessment of silver ions and nanoparticles on zebrafish using a locomotion profiling approach // Aquatic Toxicology. 2016. Vol. 173. P. 143–153. doi: 10.1016/j.aquatox.2016.01.013
- González E.A., Carty D.R., Tran F.D., et al. Developmental exposure to silver nanoparticles at environmentally relevant concentrations alters swimming behavior in zebrafish (Danio rerio) // Environmental Toxicology and Chemistry. 2018. Vol. 37, N 12. P. 3018–3024. doi: 10.1002/etc.4275.
- Yamashita K., Yoshioka Ya., Higashisaka K., et al. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice // Nature Nanotechnology. 2011. Vol. 6, N 5. P. 321–328. doi: 10.1038/NNANO.2011.41
- Takeda K., Suzuki K., Ishihara A., et al. Nanoparticles transferred from pregnant mice to their offspring can damage the genital and cranial nerve systems // Journal of Health Science. 2009. Vol. 55, N 1. P. 95–102. doi: 10.1248/jhs.55.95
- Shimizu M., Tainaka H., Oba T., et al. Maternal exposure to nanoparticulate titanium dioxide during the prenatal period alters gene expression related to brain development in the mouse // Particle and Fibre Toxicology. 2009. Vol. 6, N 1. P. 20. doi: 10.1186/1743-8977-6-20
- Naserzadeh P., Ghanbary F., Ashtari P., et al. Biocompatibility assessment of titanium dioxide nanoparticles in mice feto-placental unit // Journal of Biomedical Materials Research: Part A. 2018. Vol. 106, N 2. P. 580–589. doi: 10.1002/jbm.a.36221
- Hao Y., Liu J., Feng Y., et al. Molecular evidence of offspring liver dysfunction after maternal exposure to zinc oxide nanoparticles // Toxicology and Applied Pharmacology. 2017. Vol. 329. P. 318–325. doi: 10.1016/j.taap.2017.06.021
- Ema M., Okuda H., Gamo M., Honda K. A review of reproductive and developmental toxicity of silver nanoparticles in laboratory animals // Reproductive Toxicology. 2017. Vol. 67. P. 149–164. doi: 10.1016/j.reprotox.2017.01.005.
- Зиньковская И., Ивлиева А.Л., Петрицкая Е.Н., Рогаткин Д.А. Неожиданный эффект длительного перорального приема наночастиц серебра на рождаемость у мышей // Экология человека. 2020. № 10. С. 23–30. doi: 10.33396/1728-0869-2020-10-23-30
- Петрицкая Е.Н., Абаева Л.Ф., Рогаткин Д.А., и др. К вопросу о токсичности наночастиц серебра при пероральном введении коллоидного раствора // Альманах клинической медицины. 2011. № 25. C. 9–12.
- Бейзель Н.Ф. Атомно-абсорбционная спектрометрия: учебное пособие // Новосибирск : Новосибирский государственный университет, 2008.
- Ha Y., Tsay O.G., Churchill D.G. A tutorial and mini-review of the ICP-MS technique for determinations of transition metal ion and main group element concentration in the neurodegenerative and brain sciences // Monatshefte für Chemie — Chemical Monthly. 2011. Vol. 142. P. 385–398. doi: 10.1007/s00706-010-0438-6
- Евдокимов И.И., Пименов В.Г., Фадеева Д.А. АЭС-ИСП анализ высокочистого мышьяка // Аналитика и контроль. 2015. Т. 19, № 1. С. 13–20. doi: 10.15826/analitika.2015.19.1.006
- Пупышев A.A., Данилова Д.А. Использование атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой для анализа материалов и продуктов черной металлургии // Аналитика и контроль. 2007. № 11(2-3). С. 131–181.
- Meermann B., Nischwitz V. ICP-MS for the analysis at the nanoscale — a tutorial review // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2018. Vol. 33, № 9. P. 1432–1468. doi: 10.1039/C8JA00037A
- Pröfrock D., Prange A. Inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) for quantitative analysis in environmental and life sciences: a review of challenges, solutions, and trends // Applied Spectroscopy. 2012. Vol. 66, N 8. P. 843–868. doi: 10.1366/12-06681
- Wilschefski S.C., Baxter M.R. Inductively coupled plasma mass spectrometry: introduction to analytical aspects // The Clinical Biochemist Reviews. 2019. Vol. 40, N 3. P. 115–133. doi: 10.33176/AACB-19-00024.
- Mozhayeva D., Engelhard C. A critical review of single particle inductively coupled plasma mass spectrometry — a step towards an ideal method for nanomaterial characterization // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2020. N 35. P. 1740–783. doi: 10.1039/C9JA00206E
- Николаева И.В., Палесский С.В., Карпов А.В. Сравнение ИСП/МС анализа геологических образцов в варианте растворов и лазерной абляции стекол // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330, № 5. С. 26–34. doi: 10.18799/24131830/2019/5/263
- Koch J., Günther D. Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Encyclopedia of spectroscopy and spectrometry. 3d ed. Lindon J., Tranter G.E., Koppenaal D., editors. Oxford : Academic Press, 2017.
- Haschke M. Laboratory micro-X-ray fluorescence spectroscopy. Instrumentation and applications. London : Springer Publ., 2013.
- Veith L., Dietrich D., Vennemann A., Breitenstein D., Engelhard C., Karst U., et al. Combination of micro X-ray fluorescence spectroscopy and time-of-flight secondary ion mass spectrometry imaging for the marker-free detection of CeO2 nanoparticles in tissue sections // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2018. Vol. 33, P. 491–501. doi: 10.1039/C7JA00325K
- Bode P., Greenberg R.R., De Nadai Fernandes E.A. Neutron activation analysis: a primary (ratio) method to determine Si- traceable values of element content in complex samples // CHIMIA International Journal for Chemistry. 2009. Vol. 63, N 10, P. 678–680. doi: 10.2533/chimia.2009.678
- Frontasyeva M.V. Neutron activation analysis in the life sciences // Physics of Particles and Nuclei. 2011. Vol. 42, N 2, P. 332–378. doi: 10.1134/S1063779611020043
- Zinicovscaia I., Grozdov D., Yushin N., et al. Neutron activation analysis as a tool for tracing the accumulation of silver nanoparticles in tissues of female mice and their offspring // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2019. Vol. 322, P. 1079–1083. doi: 10.1007/s10967-019-06746-9.
- Sun D., Siddiqui M.O.R., Iqbal K. Specialty testing techniques for smart textiles. 2nd ed. In: Smith W., editor. Smart textile coatings and laminates. Woodhead Publishing, 2018. P. 99–116.
- Pinto A.M.F.R., Oliveira V.B., Falcão D. Direct alcohol fuel cells for portable applications fundamentals. Engineering and advances. London : Academic Press Publ., 2018.
- Raval N., Maheshwari R., Kalyane D., et al. Importance of physicochemical characterization of nanoparticles in pharmaceutical product development. Basic fundamentals of drug delivery. Tekade R., editor. London : Academic Press, 2019.
Дополнительные файлы
