Использование наночастиц металлов-микроэлементов в животноводстве: перспективы и угрозы (обзор)

УДК 57.044

Использование наночастиц металлов-микроэлементов в животноводстве: перспективы и угрозы

Е.В.Яушева

ГНУ Всероссийский НИИ мясного скотоводства Россельхозакадемии

Аннотация. Одним из современных направлений нанотехнологии является использование наночастиц в животноводстве, в частности, наночастиц металлов-микроэлементов в качестве кормовых и пищевых добавок. Наличие подобных перспектив делает актуальным запрос на исследование биологических эффектов нанокристалических структур в отношении живых организмов с оценкой степени их токсичности.

Summary. One of the current trends of nanotechnology is the use of nanoparticles in animal husbandry, in particular - metal nanoparticles as feed and food additives. The presence of such perspectives actualizes a request to study the biological effects of nanocrystalline structures of living organisms, with the assessment of the degree of toxicity.

Ключевые слова: наночастицы, микроэлементы, токсичность, биодоступность.

Key words: nanoparticles, microelements, toxicity, bioavailability.

Уникальные свойства наноматериалов - значительная площадь удельной поверхности (многократное повышение реакционоспособности), повышение проницаемой способности наночастиц, через биологические мембраны и физиологические барьеры организма и др. [8, 9, 10, 22, 33] уже в ближайшем будущем обеспечат доминирование наноформ на рынке кормовых и пищевых добавок.

Подтверждением этого являются результаты исследований по оценке биологических свойств наноматериалов.

Нанокристаллическое железо в биотических дозах ускоряет рост животных и птиц, усиливает регенерацию печени после частичной гепатэктомии, ускоряет заживление тканей.

Биодоступность нанодисперсного фосфата железа (III) была оценена в опытах на крысах с дефицитом железа и составила 96%, что значительно превосходит соответствующий показатель не только для неорганических солей железа, но и для его органически связанной формы.

При этом по показателям токсичности МПД, ЛД50, ЛД100 железо в наноструктурном состоянии значительно менее токсично, чем железо сульфат.

Эти факты побудили исследователей к созданию новых препаратов микроэлементов на основе на-ноформ металлов.

На этом пути, пожалуй, одним из первых были работы научной группы Натальи Николаевны Глу-щенко, выполненные в 70-80 годах прошлого века. Авторы решили последовательно ряд задач по синтезу аттестации и использованию животноводства высокодисперсных порошков металлов - микроэлементов [6,

7, 8].

Исследования структуры нанокристаллических материалов позволили сделать вывод, что при аттестации наночастиц металлов необходимо использовать следующие методы: метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), электронной микроскопии высокого разрешения (ЭМВР), рентгеноструктур-ный анализ (РСА), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и фракционный газовый анализ [3, 11]. Как оказалось, наиболее выраженными биогенными свойствами обладают частицы металлов размером около 100 АМ.

Именно эти формы стали «эффективными» источниками микроэлементов в рационе сельскохозяйственных животных, что позволило рекомендовать их для производства [5, 14].

Однако, какие происходят изменения в структуре органов и тканей, в которые попадают наночасти-цы металлов, как наночастицы влияют на функциональные свойства иммунной системы, репродуктивных органов, каковы отдаленные последствия присутствия наночастиц в организме - эти и другие вопросы достаточно детально были изучены в ходе последующих исследований.

Биологических эффектов наноформ на основании сравнительного анализа структурно-функциональной реорганизации органов поступления наночастиц (мышцы - при внутримышечном их введении, стенки желудка и тонкого отдела кишечника - при энтеральном их поступлении в организм), печени -как основного биотрансформирующего органа, почек - основного выделительного органа, что позволило обосновать наиболее корректный способ введения наночастиц [24, 27]. Было показано, что из исследуемых путей введения наночастиц преимуществом обладает энтеральный путь, в силу меньшего повреждающего воздействия в месте поступления, выявленной иммуногистохимически меньшей готовностью клеток печени и канальцев почек к запрограммированной клеточной гибели - апоптозу, оптимальной реакцией органов им-мунопоэза [25, 26]. На основе современных морфологических подходов, включающих использование ком-

плекса адекватных методов исследования: световой микроскопии, гистохимии, морфометрии, иммуноцито-химии, установлены манифестные структурно-функциональные критерии, позволяющие оценить диапазон органотипических потенций висцеральных органов лабораторных животных при различных способах введения наночастиц металлов [21].

Важным на пути создания фармпрепарата с использованием наночастиц металлов оказалась технология приготовления.

Результаты, полученные в ходе исследования, позволили продемонстрировать влияние изменения времени диспергирования ультразвуком с частотой 35 кГц на физические характеристики полученного золя наночастиц металлов в химически чистой воде (в частности оптическую плотность) и присутствующих в ней частиц (морфометрические показатели), а также охарактеризовать влияние изменения времени диспергирования на их биологическую активность, оцениваемую с помощью реализации теста ингибирования бактериальной биолюминесценции. Изучение контакта генно-инженерных люминесцирующих штаммов Echerichia coli K12 TG1, конститутивно экспрессирующих luxCDABE-гены природного морского микроорганизма Pho-tobacterium leiongnathi 54D10 с суспензиями наночастиц железа позволило оптимизировать режим и условия диспергирования, результатом которого явилось получение золя биологически активных, не токсичных на-ночастиц железа, с минимальным содержанием агломератов [13].

Интенсивные результаты были получены в ходе исследований по влиянию многократного введения наночастиц на организм.

В частности, при многократном введении наночастиц меди в биотических дозах (12 раз) в организм не происходит критических изменений концентрации общего пула микроэлементов, токсических и эссенци-альных элементов, а также содержания самой вводимой меди в тканях животных. Это свидетельствует об отсутствии нар ушений со стороны системы гомеостатического регулирования уровня металлов в организме при введении наночастиц [23, 29, 31, 32, 35]. Однако гистологические исследования и изучение состояния апоптоза клеток подтверждают наличие существенных стр уктурных перестроек в тканях и постепенное нарастание риска усиления апоптоза клеток к 12 неделе введения металла [24]. Это свидетельствует о том, что в формировании биологического ответа на многократное введение наночастиц существенный вклад принадлежит отдельным или группе элементов, тогда как общий пул макро- и микроэлементов достаточно стабилен.

Проведение исследования стали основанием к использованию наночастиц металлов в различных областях животноводства: скотоводство [12], рыбоводство [1, 2, 15, 16], птицеводство [18] и др.

Установлено, что при выращивании цыплят-бройлеров, в рацион которых введены наночастицы металлов-микроэлементов, происходит повышение продуктивности птицы и снижение затрат корма на единицу прироста живой массы цыплят. Показано, что стимулирующий рост цыплят-бройлеров связан с повышенной биодоступностью микроэлементов при включении в корма наночастиц металлов. Также на основании проведенных исследований, запатентован способ снижения содержания кадмия в теле цыплят-бройлеров, включающий дачу корма непрерывно, начиная с двухнедельного возраста, отличающийся содержанием наноча-стиц меди [19].

Между тем, одним из сдерживающих причин дальнейшего активного развития наночастиц в животноводстве стали пионерские работы по нанотоксикологии.

Уже пилотные исследования по данной проблематике выявили факты ярко выраженного токсического действия отдельных наноформ на живой организм. Установлено [40], что наночастицы металлов, попадая при вдохе в легкие теплокровных животных, проникают в мозг и другие части тела, вызывая воспаления, некроз и разрушение биологических тканей, силикоз и кардиозаболевания.

В эксперименте с сомнительной частотой обнаружено, что молекулы фуллеренов, составленные из атомов углерода, даже в концентрациях 5-8*10-7 в воде приводят к 17-кратному увеличению мозговых нарушений у рыб и гибели водных насекомых. Углеродные нанотрубки в концентрациях 5*10~6 к массе тела закупоривают бронхи и вызывают гибель до 15% крыс в эксперименте [34].

При появлении в легочной ткани животных углеродных нанотрубок, размером меньше 10 нм макрофаги, фагоциты, лейкоциты активно локализуются возле углеродных нанотрубок, что сопровождается развитием воспаления легочной ткани и постепенным развитием злокачественных новообразований [30, 34]. В тоже время для наноформ металлов характерна более низкая токсичность по сравнению с микрочастицами и солями металлов [13]. Так, установлена низкая токсичность элементарного Se в форме наночастиц, по сравнению с аминокислотой селенометионином [38]. В экспериментах на мышах было показано, что наноселен в дозе 2 мг/кг значительно менее токсичен, чем селенит натрия [37, 39, 41].

Анализируя эти факты, можно прийти к предположению, что среди значительного списка искусственных наноматериалов, веществ с выраженным токсическим действием может быть не больше, чем среди веществ, представленных сплошными фазами или макроскопическими дисперсиями. Однако высокая проникающая способность и неординарная биологическая активность делает исследования по нанотоксикологии

остро необходимыми. При этом данного рода работы должны включать анализ накопления, перемещения и биоустойчивости частиц; исследования влияния на репродуктивную систему, изучение отдаленных последствий присутствия наночастиц в организме. Эти и другие вопросы недостаточно изучены и требуют скорейшего разрешения [4].

Актуальность проблематики может быть проиллюстрирована результатами анализа ресурса National Center for Biotechnology Information (www.hcbi.nlm.nih/gov). Первая работа по нанотоксикологии, отмеченная в базе данных, датируется 2004 годом, за последующий шестилетний период количество работ не превышает 60. В то же время, в рамках данного ресурса поиск по тематике «наночастицы» выявляет более 17 тыс. полнотекстовых и реферативных работ, из числа которых около 90% приходится на 2005-2010 годы. Для сравнения емкость ресурса по 25 эссенциальным и токсическим химическим элементам составляет более 550 тыс. работ. Таким образом, несмотря на несомненную актуальность и своевременность, количество исследований отечественных и зарубежных авторов в данном направлении говорит о малоизученности представляемой тематики.

Значимость тематики определяется образованием в 2008 году Международного нанотоксикологиче-ского альянса по гармонизации требований к охране здоровья и окружающей среды (International Alliance for NanoENS Harmonization, IANH), с целью разработки протоколов тестирования наноматериалов на клеточном и организменном уровне. Вопросы, связанные с этикой использования искусственных наноматериалов и регулированием данной деятельности, интенсивно разрабатываются и в нашей стране. Роспотребнадзором подготовлена «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» (утверждена постанов. Глав. Госуд. Санитарного врача Российской Федерации №29 от 31.10.07 г.) [17]. Данные правила в полной мере должны распространяться и на нанокристалические формы металлов. Последние представляют несомненный интерес для фармацевтической промышленности.

В этой связи крайне важным являются работы по подтверждению отсутствия токсичности наноча-стиц металлов. В этом направлении есть определенные успехи. Так, предложено рассматривать состояние системы регуляции уровня микроэлементов и степень проявления апоптоза в органах-мишенях как основные критерии оценки безопасности введения металлов-микроэлементов в форме наночастиц в организм [20]. Изучена степень проявления апоптоза в органах - мишенях при введении в организм наночастиц меди. При анализе уровня эксперссии маркеров апоптоза показана его зависимость от различных способов и доз введения [28, 36]. Выявленная в органах при различных способах введения наночастиц готовность клеток к запрограммированной клеточной гибели (апоптозу), рассматривается как один из биологических эффектов и манифестных морфологических критериев безопасности введения наночастиц, так как этот процесс определяет структурный гомеостаз органа.

Литература

1. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В., Мирошников А.М., Кудашева А.В. Использование экструдированных кормов с добавлением наночастиц металлов в кормлении рыб //Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 10. С. 138-142.

2. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В. Воздействие наночастиц комплекса металлов на организм карпа //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. №2. С. 113116.

3. Арсентьева И.П., Зотова Е.С., Фолманис Г.Э., Глущенко Н.Н., Байтукалов Т.А., Ольховская И.П., Богословская О.А., Балдохин Ю.В., Дзидзигури Э.Л., Сидорова Е.Н. Аттестация наночастиц металлов, используемых в качестве биологически активных препаратов // Нанотехника. 2007. №10. С. 72-77.

4. Богословская О.А., Сизова Е.А., Полякова В.С., Мирошников С.А., Лейпунский И.О., Ольховская И.П., Глущенко Н.Н. Изучение безопасности введения наночастиц меди с различными физико-химическими характеристиками в организм животных //Вестник Оренбургского государственного университета. Оренбург, 2009. №2. С. 124-127.

5. Егоров И.А., Куренева В.П., Глущенко Н.Н., Фаткуллина Л.Д., Федоров Ю.И. Высокодисперсные порошки металлов - источники микроэлементов для сельскохозяйственной птицы // Физиолого - биохимические основы повышения продуктивности сельскохозяйственной птицы. Сборник научных трудов. Том 31. Боровск, 1985. С. 80-88.

6. Фаткуллина Л.Д., Глущенко Н.Н., Коссова Г.В. Стимуляция синтеза ДНК и белка высокодисперсным порошком цинка // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 1984. №1. С. 130.

7. Глущенко Н.Н. Физико-химические закономерности биологического действия высокодисперсных порошков металлов: автореф. дисс.... д.б.н. М., 1989.

8. Глущенко Н.Н., Ольховская И.П., Плетенева Т.В., Фаткуллина Л.Д., Ершов Ю.А., Федоров Ю.И. Биологическое действие высокодисперсных порошков металлов. //Известия АН, сер. биол. 1989. № 3. С. 415.

9. Глущенко H.H. Богословская О.А., Ольховская И.П. Физико-химические закономерности биологического действия высокодисперсных порошков металлов. // Химическая физика. 2002. Т. 21(4). С. 79-85.

10. Глущенко H.H., Богословская О.А., Байтукалов Т.А., Ольховская И.П.. Hаночастицы металлов в биоэлементологии //Микроэлементы в медицине. 2008. Т.09, №1-2. С. 52.

11. Жигач А.К, Лейпунский И.О., Кусков М.Л., Стоенко НИ., Сторожев В.Б. Установка для получения и исследования физико-химических свойств наночастиц металлов// Приборы и техника эксперимента. 2000. №6. С.122-129.

12. Ильичев Е., Hазарова А., Полищук С., Иноземцев В. Переваримость рациона и баланс питательных веществ при скармливании телятам нанопорошков кобальта и меди / Молочное и мясное скотоводство 2011. №5. С. 27-29.

13. Яушева Е.В., Мирошников С.А., Сизова Е.А., Дерябин Д.Г., Васильченко А.С. К пониманию биологического действия наночастиц металлов // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2013. №9. С. 54-56.

14. Куренева E.H., Егоров И.А., Федоров Ю.И., Глущенко, H.H., Фаткулина Л.Д. Использование высокопродуктивных металлов составе премиксов комбикормов для бройлеров // В сб. Швое в кормлении и содержании сельскохозяйственной птицы. Загорск, 1984. С. 3-8.

15. Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е., Глущенко H.H., Василевская С.П. Обмен химических элементов в организме карпа при использовании наночастиц кобальта и железа в корме //Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. №6. С. 170-175.

16. Мирошникова Е.П., Аринжанов А.Е.,Килякова Ю.В. Изменение гематологических параметров карпа под влиянием наночастиц металлов //Достижения науки и техники АПК. 2013. №5. С. 55-57

17. Онищенко Г.Г. Организация надзора за оборотом наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека // Гигиена и санитария. 2011. №13. С. 164-173.

18. Патент РФ 2450532. Российская Федерация, А23К. Способ кормления цыплят-бройлеров / Рахма-туллин Ш.Г., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Русакова Е.А., Вишняков А.И., Сизова Е.А., Кван О.В. Заявлено № 25.02.2011. Опубликовано 20.05.2012 Бюл. №14.

19. Патент РФ 2468595. Способ снижения кадмия в теле цыплят - бройлеров. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Глущенко H.H., Лебедев С.В., Рахматуллин Ш.Г. Заявлено 14.04.2011. Опубликовано 10.12.2012.

20. Патент РФ 2477485. Способ оценки безопасности введения наночастиц меди в организм. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Полякова В.С., Глущенко H.H. Заявлено 17.05.2011. Опубликовано 10.03.2013.

21. Полякова В.С., Сизова Е.А., Глущенко H.H., Мирошников С.А. Структурно-функциональная характеристика печени при внутримышечном введении наночастиц меди типа Си10х // Информационный архив. Медицина, биология, образование. Том 3. №3. 2009. С. 31 - 33.

22. Рахметова А.А., Алексеева Т.П., Богословская О.А., Лейпунский И.О., Ольховская И. П., Жигач А.Н, Глущенко H.H. Ранозаживляющие свойства наночастиц меди в зависимости от их физико-химических характеристик. // Российские нанотехнологии. 2010. Т.5. № 3-4. С. 102.

23. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Глущенко H.H. Элементный состав печени при многократном введении наночастиц меди// Микроэлементы в медицине. 2012. Т.13. №2. С. 50.

24. Сизова Е.А., Холодилина Т.Н, Мирошников С.А., Полякова В.С., Глущенко H.H. К разработке критериев безопасности наночастиц металлов при введении их в организм животных// Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2011. №1. С. 40-42.

25. Сизова Е.А. Минеральный состав и морфофункциональные аспекты реорганизации печени при энтеральном способе введения наночастиц меди типа Си10х // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010. №6. С. 92-95.

26. Сизова Е.А., Полякова В.С., Глущенко H.H. Морфофункциональная характеристика селезенки крыс при внутримышечном введении наночастиц меди // Морфология. 2010. Т. 137. № 4. С. 173.

27. Сизова Е.А., Русакова Е.А. Структурно-функциональная реорганизация печени на фоне различной минеральной обеспеченности рациона // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. №6. С. 136 - 137.

28. Сизова Е.А., Танцикужина А.А., Полякова В.С. Экспрессия маркера апоптоза в клетках печени при различных способах введения наночастиц меди // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 12 (131). С. 436-438.

29. Сизова Е.А., Мирошников С.А., Лебедев С.В., Скальный А.В., Глущенко H.H. Влияние парэнте-рального введения наноразмерных частиц меди на элементный статус тканей крыс //Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2012. №6. С. 51-56.

30. Chen Z., Meng H., Xing G., Chen C., Zhao Y., Jia G., Wang T., Yuan H., Ye C., Zhao F., Chai Z., Zhu C., Fang X., Ma B., Wan L. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. //Toxicol Lett. 2006. 163(2). P. 109.

31. KaganV.E.,Tyurina Y.Y.,Konduru N.V., et. аl. / Direct and indirect effects of single walled carbon na-notubes on RAW 264.7 macrophages//Toxicol.letters - 2006 - p. 1-13.

32. Karlsson HL, Cronholm P, Gustafsson J, Möller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes.// Chem Res Toxicol. - 2008 - 21(9) -1726-1732.

33. Lei R., Wu C., Yang B., Ma H., Shi C., Wang Q., Wang Q., Yuan Y., Liao M. Integrated metabolomic analysis of the nano-sized copper particle-induced hepatotoxicity and nephrotoxicity in rats: a rapid in vivo screening method for nanotoxicity.// Toxicol Appl Pharmacol. 2008.232(2). P. 292.

34. Murray A.R., Kisin E, Leonard S.S., Young S.H., Kommineni C, Kagan V.E., Castranova V, Shvedova A.A. //Oxidative stress and inflammatory response in dermal toxicity of single-walled carbon nanotubes. Toxicology. 2009. 257(3). P. 161.

35. Sharma H.S., Hussain S., Schlager J., Ali S.F., Sharma A.. Influence of nanoparticles on blood-brain barrier permeability and brain edema formation in rats.// Acta Neurochir Suppl.- 2010 -106 -P.359-364.

36. Shvedova A.A, Kagan V.E. The role of nanotoxicology in realizing the 'helping without harm' paradigm of nanomedicine: lessons from studies of pulmonary effects of single-walled carbon nanotubes.// J Intern Med. 2010. 267(1). P. 106.

37. Sizova E., Glushchenko N., Miroshnikov S., Skalny A. Influence of Cu10x copper nanoparticles intramuscular injections of mineral composition of rats spleen elemental content/ Trace elements in Medicine and Biology 25S (2011). S84-S89. München und Jena, Urban & Fischer.

38. Sizova E, S. Miroshnikov, V. Polyakova, N. Gluschenko, A. Skalny. Copper nanoparticles as modulators of apoptosis and structural changes in tissues// Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology (JBNB), 2012, 3, 97-104

39. Wang J., Rahman M.F., Duhart H.M., Newport G.D., Patterson T.A. Murdock R.C., Hussain S.M., Schlager J.J., Ali S.F. Expression changes of dopaminergic system-related genes in PC12 cells induced by manganese, silver, or copper nanoparticles //Neurotoxicology. - 2009- 30(6) - P. 926-933.

40. Wright J.B., Lam K, Buret A.G., Olson M.E., Burrell R.E.. Early healing events in a porcine model of contaminated wounds: effects of nanocrystalline silver on matrix metalloproteinases, cell apoptosis, and healing // Wound Repair Regen. 2002. V. 10(3). P. 141.

41. Yang Z, Liu ZW, Allaker RP, Reip P, Oxford J, Ahmad Z, Ren G. A review of nanoparticle functionality and toxicity on the central nervous system. //J R Soc Interface - 2010- Suppl. 4 - S. 411-422.

Яушева Елена Владимировна, аспирантка