Preview

Токсикологический вестник

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЗАДЕРЖКИ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА В ЛЁГКИХ ПРИ ХРОНИЧЕСКОЙ НИЗКОУРОВНЕВОЙ ИНГАЛЯЦИОННОЙ ЭКСПОЗИЦИИ

Полный текст:

Аннотация

Витающие наночастицы (НЧ) оксида железа Fe2O3 со средним диаметром 14±4 нч, образующиеся при искровой абляции электродов из железа 99.99% чистоты подавались в затравочную установку типа «только нос» для крыс по 4 часа в день, 5 раз в неделю на протяжении 3, 6 или 10 мес. при средней концентрации 1.14±0.01 мг/м3. Наночастицы, отфильтрованные из воздуха, отсасываемого из этой установки, оказались нерастворимыми в деионизированной воде, но постепенно растворялись в бесклеточном супернатанте жидкости, полученной при бронхоальвеолярном лаваже, и в стерильной бычьей сыворотке крови. Содержание Fe2O3 в лёгких было измерено с помощью ЭПР-спектроскопии, а факт задержки НЧ в лёгких и головном мозгу визуализирован при просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Найдено относительно низкое, но значимое накопление Fe2O3 в лёгких, постепенно нарастающее во времени, но с тенденцией к достижению равновесного уровня. При ПЭМ обнаружена задержка НЧ в альвеолоцитах и в миелиновой оболочке внутримозговых нервных волокон, связанная с их ультраструктурным повреждением. Разработана и идентифицирована многокамерная математическая модель, описывающая токсикокинетику ингалированных НЧ после отложения в глубоких дыхательных путях как процесс, контролируемый (а) их высокой способностью пенетрировать через альвеолярную мембрану; (б) активным эндоцитозом; (в) растворением «ин виво». Однако в этом конкретном исследовании именно механизмы, зависящие от растворения, оказались доминирующими из-за относительно высокой растворимости мельчайших Fe2O3-НЧ в биологических средах.

Об авторах

М. П. Сутункова
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


Б. А. Кацнельсон
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


Л. И. Привалова
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


В. Б. Гурвич
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


Л. К. Конышева
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


В. Я. Шур
Уральский Центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Уральского федерального университета
Россия


Е. В. Шишкина
Уральский Центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Уральского федерального университета
Россия


И. А. Минигалиева
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


С. Н. Соловьёва
ФБУН Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий Роспотребнадзора
Россия


И. В. Зубарев
Уральский Центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Уральского федерального университета
Россия


Список литературы

1. Utembe W., Potgieter K., Stefaniak A.B., Gulumian M. Dissolution and biodurability: Important parameters needed for risk assessment of nanomaterials. Part. Fibre Toxicol. 2015; 12: 11.

2. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Makeyev O.H., Shur V.Y., Beikin J.B. Comparative in vivo assessment of some adverse bio-effects of equidimensional gold and silver nanoparticles and the attenuation of nanosilver’s effects with a complex of innocuous bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2013; 14: 2449–2483.

3. Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15: 12379-12406.

4. Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Y., et al. Attenuation of combined nickel (II) oxide and manganese (II,III) oxide nanoparticles’ adverse effects with a complex of bioprotectors. International Journal of Molecular Sciences . 2015; 16 (9): 22555-225

5. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S. Some peculiarities of pulmonary clearance mechanisms in rats after intratracheal instillation of magnetite (Fe3O4) suspensions with different particle sizes in the nanometer and micrometer ranges: Are we defenseless against nanoparticles? Int. J. Occup. Environ. Health. 2010; 16: 508–5

6. Katsnelson B.A., Minigalieva I.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A. N., Gurvich V. B. et al. Some patterns of metallic nanoparticles’ combined subchronic toxicity as exemplified by a combination of nickel and manganese oxide nanoparticles. Food and Chemical Toxicology. 2015; 86: 351-364

7. ICRP. Human respiratory tract model for radiological protection. A report of a Task Group of the International Commission on Radiological Protection. Ann ICRP 24.1994; 66: 1–482.

8. Kolanjiyil A.V. Deposited nanomaterial mass transfer from lung airways to systemic regions. A thesis for MSc degree. Raleigh, NC. 2013.

9. Creutzenberg, O. Toxic Effects of Various Modifications of a Nanoparticle Following Inhalation (Research Project F 2246). Dortmund, Berlin, Dresden; the Federal Institute for Occupational Safety and Health. 2013; 4

10. Adamcakova-Dod A., Stebounova L.V., Kim, J.S., Vorrink S.U., Ault A.P., O’Shaughnessy P.T., Grassian V.H., Thorne P.S. Toxicity assessment of zinc oxide nanoparticles using sub-acute and sub-chronic murine inhalation models. Part. Fib. Toxicol. 2014; 11: 15.

11. Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Privalova L.I., Morosova K.I. Development of a multicompartmental model of the kinetics of quartz dust in the pulmonary region of the lung during chronic inhalation exposure of rats. Brit. J. Ind. Med. 1992; 49: 172-181.

12. Renwick L., Brown D., Clouter K., Donaldson K. Increased inflammation and altered macrophage chemotactic responses caused by two ultrafine particle types. Occup. Environ. Med. 2004; 61; 442-447.

13. Stoeger T., Reinhard C., Takenaka Sh., Schroeppel A., Karg E., Ritter, B. Instillation of six different ultrafine carbon particles indicates a surface area threshold dose for acute lung inflammation in mice. Environ. Health Perspect. 2006; 114(3): 328-333.

14. Sager T.M., Porter D.W., Robinson V.A., Lindsley W.G., Schwegler-Berry V.A., Castranova V. Improved method to disperse nanoparticles in vitro and in vivo investigation of toxicity. Nanotoxicol. 2007; 1: 118-129.

15. Grassian V.H., O’Shaughnessy P.T., Adamcakova-Dodd A., Pettibone J.M., Thorne P.S. Inhalation exposure study of titanium dioxide nanoparticles with a primary particle size of 2 to 5 nm. Environ. Health Perspect. 2007; 115: 397–402.

16. Neuberger M. Umweltepidemiologie und Toxikologie von Nanopartikeln, in: Gazsó, A., Greßler, S., Schiemer, F. (Eds), Nano–Chancen und Risiken aktueller Technologien. Springer, Wien – New York. 2007; 181-197.

17. Warheit D.B., Reed K.L., Sayes C.M. A role fore surface reactivity in TiO2 and quartz-related nanoparticle pulmonary toxicity. Nanotoxicol. 2009; 3: 181–187.

18. Liu J., Feng X., Wei L., Chen L., Song B., Shao L. The toxicology of ion-shedding zinc oxide nanoparticles. Crit. Rev. Toxicol. 2016; 46(4): 348-3

19. Старикова С. К., Кацнельсон Б. А., Аронова Г. В., Шнайдман И. М. Участие полинуклеаров в альвеолярном фагоцитозе кварцевой пыли и его связь с биологической агрессивностью кварца. «Бюллетень экспер.биол.и медицины» .1970; 9: С. 113-116

20. Привалова Л. И. Гигиеническое значение цитотоксического действия силикозоопасной пыли как фактора, контролирующего защитную реакцию самоочищения легких. Автореф. дис. канд. мед. наук. Свердловск: НИИ ГТ и ПЗ. 1979; 211 C.

21. Привалова Л. И.Гигиенические аспекты неспецифического действия малорастворимых цитотоксических пылевых частиц. Автореф. дисс. докт. мед. наук. Свердловск: МНЦП и ОЗРПП. 1990; 389 C.

22. Katsnelson B.A., Konyscheva L.K., Sharapova N.Ye., Privalova L.I. Prediction of the comparative intensity of pneumoconiotic changes caused by chronic inhalation exposure to dusts of different cytotoxicity by means of a mathematical model. Occup. Environ. Med. 1994; 51: 173-180.

23. Katsnelson B.A., Konysheva L.K., Privalova L.Y., Sharapova N.Y. Quartz dust retention in rat lungs under chronic exposure simulated by a multicompartmental model: Further evidence of the key role of the cytotoxicity of quartz particles. Inhalat. Toxicol. 1997; 9: 703-715.

24. Кацнельсон Б. А., Привалова Л. И., Алексеева О. Г., Ползик Е. В. Пневмокониозы: патогенез и биологическая профилактика. Екатеринбург: УрО РАН. 1995; 325

25. Петин Л. М. К обоснованию предельно допустимой концентрации крем-неземсодержащих аэрозолей конденсации. Гиг, труда. 19№ С. 28—33.

26. Подгайко Г. А., Кацнельсон Б. А., Лемясев М. Ф. , Соломина С. Н., Саитов В. А., Русяева Л. В. Новые данные к оценке силикозоопасности промышленных аэрозолей на основе коллоидного раствора кремниевой кислоты. В кн.: Домнин С. Г. и Кацнельсон Б. А. (ред.) «Профессиональные болезни пылевой этиологии. Выпуск 7». М.: НИИГ им. Эрисмана, 19С. 93—100.

27. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Kislitsina N.S., Podgaiko G.A. Correlation between cytotoxicity and fibrogenicity of silicosis-inducing dusts. Med. Lav. 1984; 75: 450-462.

28. Ramahandran G. Assessing nanoparticle risk to human health. Elsevier, Amsterdam. 2016.

29. Maulderly J.L, McCunney R.G. Particle overload in the rat lung and lung cancer. Implications for human risk assessment. Taylor & Francis, Philadelphia, USA. 1997.

30. Bellmann B., Creutzenberg O., Dasenbrock C. Lung clearance and retention of toner, utilizing a tracer technique, during chronic inhalation exposure in rats. Fundam. Appl. Toxicol. 1991; 17: 300-313.

31. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Yeremenko O.S., Minigalieva I.A. Experimental estimates of the toxicity of iron oxide Fe3O4 (magnetite) nanoparticles. Cent. Eur. J. Occup. Environ. Med. 2011; 16: 47–63.

32. Zhu M.T., Feng W.Y., Wang Y., Wang B., Wang M., Ouyang, H. Particokinetics and extrapulmonary translocation of intratracheally instilled ferric oxide nanoparticles in rats and the potential health risk assessment. Toxicol. Sciences. 2009; 107(2): 342-351.

33. Privalova L.I., Katsnelson B.A., Osipenko A.B., Yushkov B.H., Babushkina L.G. Response of a phagocyte cell system to products of macrophage breakdown as a probable mechanism of alveolar phagocytosis adaptation to deposition of particles of different cytotoxicity. Environ. Health Perspect. 1980; 356: 205-218.

34. Privalova L.I., Katsnelson B.A., Yelnichnykh L.N. Some peculiarities of the pulmonary phagocytotic response, dust kinetics, and silicosis development during long term exposure of rats to high quartz levels. Brit. J. Ind. Med. 1987; 44: 228-2

35. Privalova L.I., Katsnelson B.A., Sharapova N.Y., Kislitsina N.S. On the relationship between activation and the breakdown of macrophages in pathogenesis of silicosis. Med. Lav. 1995; 86: 511-5

36. Katsnelson B.A., Privalova L.I. Recruitment of phagocytizing cells into the respiratory tract as a response to the cytotoxic action of deposited particles. Environ. Health Perspect. 1984; 55: 313-325.

37. Oberdörster G., Sharp Z., Atudore V., Elder A., Gelein R., Kreylin W. Translocation of inhaled ultrafine particle to the brainI. Inhal. Toxicol. 2004; 16(6/7): 437-445.

38. Elder A., Gelein R., Silva V., Feikert T., Opanashuk L., Carter J., Potter R., Maynard A., Ito Y., Finkelstein J., Oberdörster G. Translocation of Inhaled Ultrafine Manganese Oxide Particles to the Central Nervous System. Environ. Health Perspect. 2006; 114(8): 1172-1178.

39. Kao Y.-Y., Cheng T.-J., Yang D.-M., Liu P.-Sh. Demonstration of an olfactory bulb–brain translocation pathway for ZnO nanoparticles in rodent ells in vitro and in vivo. J. Molecular Neurosci. 2012; 48(2): 464-71.


Для цитирования:


Сутункова М.П., Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Гурвич В.Б., Конышева Л.К., Шур В.Я., Шишкина Е.В., Минигалиева И.А., Соловьёва С.Н., Зубарев И.В. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЗАДЕРЖКИ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА В ЛЁГКИХ ПРИ ХРОНИЧЕСКОЙ НИЗКОУРОВНЕВОЙ ИНГАЛЯЦИОННОЙ ЭКСПОЗИЦИИ. Токсикологический вестник. 2017;(2):12-21.

For citation:


Sutunkova M.P., Katsnelson B.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Konysheva L.K., Shur V.Y., Shishkina E.V., Minigalieva I.A., Solovyeva S.N., Zubarev I.V. EXPERIMENTAL AND MATHEMATICAL MODELING OF THE IRON OXIDE NANOPARTICLE PULMONARY RETENTION AT LONG-TERM LOW-LEVEL INHALATION EXPOSURE. Toxicological Review. 2017;(2):12-21. (In Russ.)

Просмотров: 24


ISSN 0869-7922 (Print)