Комплексная Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов: информационно-аналитическая и экспериментальная составляющие

МАЙ №5

15

КОМПЛЕКСНАЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ: ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

В.А. Тутельян, С.А. Хотимченко, И.В. Гмошинский, А.А. Шумакова, Р.В. Распопов

COMPREHENSIVE MEDICAL-BIOLOGICAL EVALUATION OF NANOMATERIALS SAFETY: COMMUNICATORY-ANALYTICAL AND EXPERIMENTAL CONSTITUENTS

V.A. Tutelyan, S.A. Khotimchenko, I.V. Gmoshinski, A.A. Shumakova, R.V. Raspopov Учреждение РАМН Научно-исследовательский институт питания РАМН, г. Москва

В статье излагаются результаты токсиколого-гигиенической оценки безопасности ряда искусственных наноматериалов (наночастицы серебра, диоксида титана, диоксида кремния), полученные в ходе реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы». Сделан вывод, что с учётом огромного разнообразия производимых в настоящее время искусственных наночастиц и наноматериалов экспериментальному изучению их безопасности должна предшествовать информационно-аналитическая оценка, позволяющая обобщить уже имеющиеся данные о потенциально опасных свойствах нанообъектов и на основании этого выстроить шкалу приоритетов первоочередных медико-биологических и гигиенических исследований.

Ключевые слова: наноматериалы, наночастицы, токсичность, безопасность, серебро, двуокись титана, двуокись кремния.

Results are presented of toxicological- sanitary evaluation of some engineered nanomaterials safety Within the framework of realization of the Federal target program «Development of nanoindustry infrastructure in Russian Federation for 2008-2010». There is concluded that with the account of enormous diversity of new nanoparticles and nanomaterials manufactured now their safety experimental study must be preceded by communicatory-analytical evaluation that allows summarizing of existing data and construct a scale of priority of immediate experimental medico-biological and sanitary investigations on the basis of this.

Keywords: nanomaterials, nanoparticles, toxicity, safety, silver, titanium dioxide, silica.

Огромный интерес к изучению потенциально неблагоприятных эффектов наноча-стиц и наноматериалов, т. е. к проблеме на-нобезопасности, обусловлен быстрым про-

грессом наноиндустрии, который сопровождается широким внедрением её продукции в различных сферах человеческой деятельности, в т. ч. в производстве потребитель-

16

ЗНиСО

МАЙ №5

ских товаров и продовольствия, медицине, охране окружающей среды. В 2007 г. постановлением Главного Государственного санитарного врача Российской Федерации была утверждена «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», которая ставит задачу разработать нормативную и методическую базу в области безопасности наноматериалов и провести в ближайшие годы токсиколого-гигиенические исследований приоритетных наноматериалов [1]. Следует учесть, что огромный фактический объем информации относительно физико-химических свойств и биологического действия веществ в ультравысокодисперсной (то есть нанодисперсной) форме был накоплен в мировой научной литературе на протяжении нескольких последних десятилетий. Ввиду этого, а также с учётом огромного разнообразия производимых в настоящее время искусственных наночастиц и нано-материалов, экспериментальному изучению их безопасности должна предшествовать информационно-аналитическая оценка, позволяющая обобщить уже имеющиеся данные о потенциально опасных свойствах нанообъектов и на основании этого выстроить шкалу приоритетов первоочередных медико-биологических и гигиенических исследований.

В рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на период 2008—2010 годов» был разработан и утверждён постановлениями Главного государственного санитарного врача Российской Федерации комплекс из 18 нормативно-методических документов, устанавливающих двухстадийную систему тестирования безопасности наноматериалов. С использованием информационно-аналитической процедуры, базирующейся на анализе данных научной литературы, составляется прогнозная оценка, позволяющая классифицировать наноматериалы как имеющие высокую, среднюю или низкую степень потенциальной опасности. Это позволяет в дальнейшем рационально обосновать необходимый объём тестирования наноматериалов на биологических объектах, таких как культуры микроорганизмов и клеток, организмы

гидробионтов и лабораторных животных. В настоящее время в НИИ питания РАМН проведён комплекс исследований по оценке безопасности важнейших с позиций их практической значимости и потенциальной опасности наноматериалов в экспериментах на лабораторных животных при перораль-ном пути поступления [2; 3; 4; 5]. Результаты для животных, получающих наноматериалы, сравниваются с данными для соответствующих контрольных групп животных, которые получают не только носитель (дисперсионную среду) наночастиц, но и их химический аналог в форме традиционной дисперсности. Это позволяет выделить возможные токсические эффекты наночастиц на фоне воздействий, оказываемых носителем или входящим в состав наночастиц химическим веществом независимо от степени его дисперсности. Выбор доз вводимых наномате-риалов определяется не только данными об их возможных концентрациях в продуктах питания и в объектах окружающей среды, но и токсикологическими характеристиками применяемого носителя (стабилизатора) наночастиц. Так, в частности, при характеристике препарата наночастиц серебра, ста-

0,0300

0,0250 ----

0,0230 ----

0,0150----

0,0100---—|—- —

0,0050 --- - —

0,0000 ^-—-—-——

Группа 1 Группа 2 Группа 3

Рис. 1. Влияние наночастиц серебра на проницаемость кишечного барьера животных для белковых макромолекул

Результаты тестирования проницаемости кишечного барьера для белковых макромолекул у крыс, получавших внутрижелудоч-но через зонд наночастицы металлического серебра (группа 1) в дозе 1 мг/кг массы тела, макроскопическое дисперсное серебро (группа 2) и стабилизатор наночастиц — поливинилпирролидон (группа 3) в эквивалентных количествах. Тестируемые препараты вводили животных ежедневно на протяжении 28 дней. Концентрацию овальбумина (ОВА) определяли в крови животных иммуноферментным методом через 3 ч после его внутри-желудочного введения на 29-й день опыта. Ось ординат — всасывание ОВА в кровь, тысячные доли процента от введённого количества. Различие групп 1 и 2 достоверно, Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 10 животных.

Группа 1 Группа 2 Групп

МАЙ №5

17

Группы

Рис. 2. Активность изоформы СУР 2В1 цитохрома Р-450 печени крыс, получавших внутрижелудочно

в течение 28 дней в различных дозах наночастицы диоксида титана (рутил) и титановые белила традиционной дисперсности

Ось абсцисс — группы животных: 1 — наночастицы 1 мг/кг, 2 — наночастицы 100мг/кг, 3, 4 — титановые белила в дозах, эквивалентных группам 1 и 2 соответственно. Ось ординат — активность СУР 2В1 в реакции деалкилирования пентоксире-зоруфина пмоль/(мин*мг белка). Достоверность различия групп 1—3 и 2—4, Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 6 животных.

билизированного диокстилсульфосукцина-том натрия, максимальная доза наночастиц не превысила 0,1 мг/кг массы тела ввиду ожидаемого токсического эффекта со стороны применяемого носителя. В этой дозе наночастицы серебра не оказывали на животных какого-либо негативного действия, которое можно было бы различить на фоне эффектов, оказываемых стабилизирующей добавкой [4]. В последующей серии экспериментов нами был охарактеризован по аналогичной схеме препарат наночастиц металлического серебра, стабилизированный относительно малотоксичным водорастворимым полимером поливинилпирролидо-ном. Это позволило повысить максимально вводимую дозу наночастиц серебра до 1 мг/ кг массы тела. На этом уровне удалось выявить ряд воздействий препарата серебра на организм животных и состояние кишечного микробиоценоза, которые могли быть охарактеризованы как неблагоприятные. В качестве примера можно привести данные о влиянии наночастиц серебра на проницаемость кишечного барьера животных для белковых макромолекул (рис. 1). Получен-

ные данные позволили оценить максимальную дозу наночастиц серебра, не оказывающую видимого отрицательного воздействия на организм, что с учётом коэффициентов запаса позволяет подойти к установлению гигиенического норматива на содержание данного вида наночастиц в питьевой воде и пищевых продуктах.

В экспериментах по пероральному введению крысам наночастиц диоксида титана в кристаллических модификациях рутила и анатазы показано, что при воздействии высокой дозы (100 мг/кг массы тела) отмечается комплекс сдвигов, многие из которых могут быть интерпретированы как неблагоприятные, т. е. имеет место, по-видимому, токсическое действие[3; 5]. Это относится к эффекту торможения прироста массы тела растущих животных, увеличению проницаемости кишечного барьера в отношении макромолекул белка. Определенные изменения выявлены в биохимических показателях организма животных, таких как концентрация небелковых тиолов и активность некоторых ферментов I и II фазы детоксикации ксенобиотиков в печени, уровень глюкозы и гемоглобина крови, количество тромбоцитов (рис. 2, 3).

12 3 4

Группы

Рис. 3. Содержание тромбоцитов (М ± т) крови у крыс, получавших внутрижелудочно в течение 28 дней в различных дозах наночастицы диоксида титана (рутил) и титановые белила традиционной дисперсности

Ось абсцисс — группы животных (см. рис. 2). Ось ординат — уровень тромбоцитов крови, тысяч/мм3. Значения для групп 1 и 2 достоверно снижены в сравнении с нормой (пунктир), Р < 0,05, критерий Манна-Уитни. Численность групп — по 8 животных.

18

ЗНиСО

МАЙ №5

Отмечены также определённые воздействия на состояние кишечного микробиоценоза, в частности, повышение уровня гемолитических стрептококков и снижение антагонистической активности нормальной бифидофлоры. Сдвиги в составе кишечной микрофлоры, в свою очередь, могут сказаться на функции иммунной системы, в частности, нарушить баланс хелперов ТЫ и ТИ2 типов, на что указывает повышение продукции 1Ь—10 у животных, получавших наночасти-цы. Проведенные исследования показывают, что содержание различных видов наночастиц диоксида титана в пищевых продуктах, материалах, контактирующих с пищевыми продуктами, косметических изделиях и другой подобной продукции должно стать предметом гигиенического нормирования.

В эксперименте по пероральному введению крысам наночастиц аморфного диоксида кремния в дозах до 100 мг/кг массы тела было показано, что эти наночастицы не оказывали какого-либо отрицательного воздействия на организм животных, которое могло бы быть интерпретировано как неблагоприятное [2]. Можно предположить, что наноразмерный диоксид кремния обладает, по-видимому, весьма низкой токсичностью для животных.

Исследования по токсиколого-гигиени-ческой оценке приоритетных искусственных наноматериалов в экспериментах на лабораторных животных в НИИ питания РАМН продолжаются с расширением спектра изучаемых показателей.

Настоящая работа выполнена за счет средств Федерального бюджета, по государственному контракту с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2010 годы».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Онищенко Г. Г., Тутельян В.А. О концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов// Вопросы питания. 2007. Т. 76, № 6. С. 4—8.

2. Верников В.М., Распопов Р.В., Арианова Е.А. и др. Токсиколого-гигиеническая оценка препаратов наноструктурированного диоксида кремния в эксперименте на лабораторных животных // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010». Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2010. С. 4—7.

3. Распопов Р.В., Верников В.М., Шумакова А.А. и др. Токсиколого-гигиеническая характеристика наночастиц диоксида титана, вводимых в виде дисперсии в желудочно-кишечный тракт крыс. Сообщение 1. Интегральные, биохимические и гематологические показатели, степень всасывания макромолекул в тонкой кишке, повреждение ДНК //Вопросы питания. 2010. Т. 79. № 4. С. 21—30.

4. Хотимченко С.А., Гмошинский И.В., Кравченко Л.В. и др. Изучение токсичности нано-частиц металлического серебра в эксперименте //3-й съезд токсикологов России 2—5 декабря 2008 г. Тезисы докладов /Под ред. Г.Г. Онищенко, Б.А. Курляндского. М., 2008. С. 327—329.

5. Шевелева С.А., Кузнецова Г.Г., Батищева С.Ю., и др. Токсиколого-гигиеническая характеристика наночастиц диоксида титана, вводимых в желудочно-кишечный тракт крыс. Сообщение 2. Состояние микробиоценоза толстой кишки, продукция цитокинов, аллергическая чувствительность //Вопросы питания. 2010. Т. 79. № 5. С. 29—34.

Контактная информация:

Гмошинский Иван Всеволодович, тел.: (495) 698-53-71, e-mail: gmosh@ion.ru

Contact information:

Gmoshinskiy Ivan VsevolodoBvich, tel.: (495)698-53-71, e-mail: gmosh@ion.ru