Научное прогнозирование токсичности и оценка потенциальной опасности наночастиц оксида меди (II) для здоровья человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение: В настоящее время наночастицы оксида меди (II) (НЧ CuO) используются в различных сферах хозяйственной деятельности человека, что обеспечивает увеличение мирового объёма производства данного наноматериала и продукции, его содержащей. Широкое распространение НЧ CuO увеличивает риск загрязнения ими объектов окружающей среды, что в свою очередь может приводить к экспозиции населения. В связи с этим приобретают актуальность исследования, направленные на изучение и систематизацию физических и токсических параметров НЧ CuO. Цель: Научное прогнозирование токсичности и оценка потенциальной опасности биологического действия НЧ CuO для здоровья человека. Методы: Прогнозирование токсичности и оценка потенциальной опасности наночастиц выполнена на основании прогнозно-аналитического моделирования комплекса показателей, характеризующих физико-химические, молекулярно-биологические, цитологические, физиологические и экологические свойства с расчётом коэффициента опасности (D) и коэффициента неполноты оценки данных (U) наноразмерного CuO. Размер частиц установлен методом растровой электронной сканирующей микроскопии, удельная площадь поверхности - методом Брунауэра, Эммета и Теллера, форму и характер поверхности - методом анализа изображений с использованием универсального программного обеспечения ImageJ-FiJi. Результаты: Исследуемый материал оксида меди (II) имеет средний размер частиц 45,86 нм, угловатую форму, шероховатую поверхность с удельной площадью 17,70 м2/г. Растворимость, заряд, адсорбционная ёмкость и устойчивость к агрегации НЧ CuO зависят от рН среды. Исследуемый наноматериал генерирует свободные радикалы, разрушает клеточные мембраны, нарушает функции ультраструктур клеток, вызывает нарушения протеомного профиля и повреждает белки, фрагментирует ДНК, что приводит к гибели клеток. Вызывает патоморфологические изменения тканей печени, почек, желудка и лёгких. Обладает отдалёнными эффектами действия: генотоксичностью, иммунотоксичностью, канцерогенностью. Наночастицы CuO используются во многих областях хозяйственной деятельности, благодаря чему возрастает объём производства данного наноматериала, что может способствовать экспонированию населения в масштабах страны. По результатам прогнозного моделирования D НЧ CuO составил 2,163; U - 0,03, что подтверждает достоверность проведённой оценки. Выводы: Установлено, что НЧ CuO обладают высокой степенью потенциальной опасности для здоровья человека. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости проведения углублённых токсикологических исследований и составления токсиколого-гигиенической характеристики НЧ CuO при различных путях поступления для разработки эффективных мер профилактики негативного воздействия для лиц, контактирующих с ним в ходе производства и потребляющих готовую продукцию.

Об авторах

Нина Владимировна Зайцева

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»

Марина Александровна Землянова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»; ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»; ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Email: zem@fcrisk.ru
доктор медицинских наук, доцент, зав. отделом биохимических и цитогенетических методов диагностики; проф. кафедры экологии человека и безопасности жизнедеятельности

Марк Сергеевич Степанков

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»; ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Анна Михайловна Игнатова

ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»; ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Список литературы

  1. Обзор мирового и российского нанотехнологического рынка / Фонд инфраструктурных и образовательных программ. Группа РОСНАНО. URL: https://fiop.site/o-fonde/ godovye-otchety/2018/?/ru/30-overview-of-the-global-and-russian-nanotechnology-market (дата обращения: 13.07.2020)
  2. Alarifi S., Ali D., Verma A., Verma A., Alakhtani S., Ali B. A. Cytotoxicity and genotoxicity of copper oxide nanoparticles in human skin keratinocytes cells. International Journal of Toxicology. 2013, 32 (4), pp. 296-307. DOI: 10.1 177/1091581813487563
  3. Ameh T., Sayes C. M. The potential exposure and hazards of copper nanoparticles: A review. Environmental Toxicology and Pharmacology. 2019, 71, 8 p. doi: 10.1016/j.etap.2019.103220
  4. Reddy A. R. N. Copper oxide nanoparticles induces oxidative stress and liver toxicity in rats following oral exposure. Toxicol Rep. 2018, 5, pp. 903-904. DOI: 10.1016/j. toxrep.2018.08.022
  5. Benefits and Applications. National. Nanotechnology Initiative. Available from: https://www.nano.gov/you/nanotechnology-benefits (accessed: 13.07.2020).
  6. Bugata L. S. P., Venkata P. P., Gundu A. R., Fazlur R. M., Reddy U. A., Kumar J. M., Mekala V R., Bojja S., Mahboob M. Acute and subacute oral toxicity of copper oxide nanoparticles in female albino Wistar rats. J. Appl. Toxicol. 2019, 39 (5), pp. 702-716. doi: 10.1002/jat.3760
  7. Copper Oxide (CuO) nanoparticles - Properties, Applications. Azonano [2013]. Available from: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3395 (accessed: 13.07.2020).
  8. Copper oxide (CuO) Nanopowder/Nanoparticles. US Research Nanomaterials, Inc. [2017]. Available from: https://n.b5z.net/i/u/10091461/f/MSDS-NANOPOWDERS/US3063.pdf (accessed: 08.09.2021)
  9. Edelmann M. J., Shack L. A., Naske C. D., Walters K. B. and Nanduri B. SILAC-Based Quantitative Proteomic Analysis of Human Lung Cell Response to Copper Oxide Nanoparticles. PLoS ONE. 2014, 9 (12), 32 p. doi: 10.1371/journal. pone.0114390
  10. Fahmy B. and Cormier S. A. Copper oxide nanoparticles induce oxidative stress and cytotoxicity in airway epithelial cells. Toxicology in Vitro. 2009, 23 (7), pp. 1365-1371. doi: 10.1016/j.tiv.2009.08.005
  11. Farghali A. A., Bahgat M., Enaiet Allah A., Khedr M. H. Adsorption of Pb(II) ions from aqueous solutions using copper oxide nanostructures. Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Science. 2013, 2 (2), pp. 61-71. doi: 10.1016/j.bjbas.2013.01.001
  12. Gosens I., Cassee F. R., Zanella M., Manodori L., Brunelli A., Costa A. L., Bokkers B. G. H., Jong W H., Brown D., Hristozov D. and Stone V. Organ burden and pulmonary toxicity of nano-sized copper (II) oxide particles after shortterm inhalation exposure. Nanotoxicology. 2016, 10 (8), pp. 1084-1095. doi: 10.3109/17435390.2016.1172678
  13. Hou J., Wang X., Hayat T., Wang X. Ecotoxicological effects and mechanism of CuO nanoparticles to individual organisms. Environmental Pollution. 2017, 221, pp. 209217. doi: 10.1016/j.envpol.2016.11.066
  14. Jong W. H., Rijk E., Bonetto A., Wohlleben W., Stone V., Brunelli A., Badetti E., Marcomini A., Gosens I., Cassee F. R. Toxicity of copper oxide and basic copper carbonate nanoparticles after short-term oral exposure in rats. Nanotoxicology. 2019, 13, (1), pp. 50-72. doi: 10.1080/17435390.2018.1530390
  15. Karlsson H. L., Cronholm P., Gustafsson J. Moller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chemical Research in Toxicilogy. 2008, 21 (9), pp. 17261732. doi: 10.1021/tx800064j
  16. Lee I.-C., Ko J.-W., Park S.-H., Shin N.-R., Moon C., Kim J.-H., Kim H.-C., Kim J.-C. Comparative toxicity and biodistribution assessments in rats following subchronic oral exposure to copper nanoparticles and microparticles. Particle and Fibre Toxicology. 2016, 13 (56), 16 p. DOI: 10.1186/ s12989-016-0169-x
  17. Liu X., Jiang Z., Li J., Zhang Z., Ren L. Superhydrophobic property of nano-sized cupric oxide films. Surface & Coating Technology. 2010, 204 (20), pp. 3200-3204. doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.03.012
  18. Maciel-Magalhaes M., Medeiros R. J., Bravin J. S., Patricio B. F. C., Rocha H. V. A., Paes-de-Almeida E. C., Santos L. M. G., Jacob S. C., Savignon T. C. M., Amendoeira F. C. Evaluation of acute toxicity and copper accumulation in organs of Wistar rats, 14 days after oral exposure to copper oxide (II) nano- and microparticles. J. Nanopart. Res. 2020, 22 (2), 11 p. doi: 10.1007/s1 1051-019-4721-0
  19. Naz S., Gul A., Zia M. Toxicity of copper oxide nanoparticles: a review study. IET Nanobiotechnol. 2020, 14 (1), pp. 1-13. doi: 10.1049/iet-nbt.2019.0176
  20. Peng C., Shen C., Zheng S., Yang W., Hu H., Liu J., Shi J. Transformation of CuO nanoparticles in the aquatic environment: influence of pH, electrolytes and natural organic matter. Nanomaterials (Basel). 2017, 7 (10), 326, 16 p. doi: 10.3390/nano7100326
  21. Perreault F., Melegari S. P., Costa C. H., Olivera Franco Rossetto A. L., Popovic R., Matias W G.Genotoxic effects of copper oxide nanoparticles in Neuro 2A cell cultures. Science of The Total Environment. 2012., 441, pp. 117-124. doi: 10.1016/j.scitotenv.2012.09.065
  22. Privalova L. I., Katsnelson B. A., Loginova N. V., Gurvich V. B., Shur V. Y., Valamina I. E., Makeyev O. H., Sutunkova M. P., Minigalieva I. A., Kireyeva E. P., Rusakov V. O., Tyurnina A. E., Kozin R. V., Meshtcheryakova E. Y., Korotkov A. V, Shuman E. A., Zverena A. E., Kostyakova S. V. Subchronic Toxicity of Copper Oxide Nanoparticles and Its Attenuation with the Help of a Combination of Bioprotectors. Int JMol Sci. 2014, 15 (7), pp. 12379-12406. DOI: 10.3390/ ijms150712379
  23. Redza-Dutordoir M., Averill-Bates D. A. Activation of apoptosis signalling pathways by reactive oxygen species. Biochimica et BiophysicaActa (BBA) - Molecular Cell Research. 2016, 1863 (12), pp. 2977-2992. DOI: 10.1016/j. bbamcr.2016.09.012
  24. Sarkar A., Das J., Manna P., Sil P. C. Nano-copper induces oxidative stress and apoptosis in kidney via both extrinsic and intrinsic pathways. Toxicology. 201 1, 290 (2-3), pp. 208-217. doi: 10.1016/j.tox.2011.09.086
  25. Sridharan K. Emerging trends of Nanotechnology in sustainability and environment: A review based approach. Springer. 2018, 126 p. doi: 10.1007/978-3-319-71327-4
  26. Strauch B. M., Hubele W., Hartwig A. Impact of Endocytosis and Lysosomal Acidification on the Toxicity of Copper Oxide Nano- and Microsized Particles: Uptake and Gene Expression Related to Oxidative Stress and the DNA Damage Response Nanomaterials. 2020, 10 (4), 15 p. doi: 10.3390/nano10040679
  27. Sukhanova A., Bozrova S., Sokolov P., Beresovoy M., Karaulov A., Nabiev I. Dependence of Nanoparticle Toxicity on Their Physical and Chemical Properties. Nanoscale Research Letters. 2018, 13 (44), 21 p. doi: 10.1186/s11671-018-2457-x
  28. Thit A., Selck H. and Bjerregaard H. F. Toxic mechanisms of copper oxide nanoparticles in epithelial kidney cells. Toxicology in Vitro. 2015, 29 (5), pp. 1053-1059. doi: 10.1016/j.tiv.2015.03.020
  29. Triboulet S., Aude-Garcie C., Armand L., Collin-Faure V, Chevallet M., Diemer H., Gerdil A., Proamer F., Strub J.-M., Habert A., Herlin N., Dorsselaer A. V., Carriere M., Rabilloud T. Comparative Proteomic Analysis of the Molecular Responses of Mouse Macrophages to Titanium Dioxide and Copper Oxide Nanoparticles Unravels Some Toxic Mechanisms for Copper Oxide Nanoparticles in Macrophages. PLoS ONE. 2015, 10 (4), 22 p. doi: 10.1371/journal.pone.0124496
  30. Zanoni I., Crosera M., Ortelli S., Blosi M., Adami G., Filon F. L., Costa A. L. CuO nanoparticle penetration through intact and damaged human skin. New J. Chem. 2019, 43, pp. 17033-17039. doi: 10.1039/C9NJ03373D
  31. Zhang J., Zou Z., Wang B., Xu G., Wu Q., Zhang Y., Yuan Z., Yang X., Yu C. Lysosomal deposition of copper oxide nanoparticles triggers HUVEC cells death. Biomaterials. 2018, 161, pp. 228-239. DOI: 10.1016/j. biomaterials.2018.01.048

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Зайцева Н.В., Землянова М.А., Степанков М.С., Игнатова А.М., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».