Особенности оценки опасности наноразмерных материалов (обзор литературы)

  • Авторы: О.Б. Леоненко, Н.С. Леоненко
  • DOI: 10.33273/2663-4570-2020-88-1-104-112

ГУ «Институт медицины труда имени Ю.И. Кундиева Национальной академии медицинских наук Украины», г. Киев, Украина

РЕЗЮМЕ. Проявление биологических эффектов наноразмерных материалов зависит от многих исходных состояний как самих НЧ (от их размеров и структурной организации, от физической природы, способа получения и способа модификации поверхности), так и от биологической модели, на которой проводятся испытания, и последующих интерфейсов «нано-био» после проникновения в ткани и кровь, поэтому они не предсказуемы, а органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта могут быть различными, что является аргументом для совершенствования научных подходов в оценке токсичности и опасности наноматериалов.

Ключевые слова: наноразмерные материалы, опасность, особенности оценки.

Розширення виробництва та використання різних нанорозмірних матеріалів потребує вирішення питань з убезпечення їхнього шкідливого впливу на людину. Основою і діючими агентами наноматеріалів є власне наночастинки, які мають розміри менше 100 нм в діаметрі. Токсичні ефекти наночастинок проявляються навіть у тих випадках, коли великі частки відповідних сполук нетоксичні [1] і значною мірою можуть коригуватися за рахунок їхньої стабілізації, модифікації та функціоналізації [2].

Зменшення розміру часток речовини до нанорозмірних величин (10-9 м) призводить до змін їхніх фізико-хімічних і біологічних властивостей, які потенційно і реально можуть бути корисними. Але як наслідок цього – висока реакційна здатність наночастинок (НЧ) може сприяти підвищенню їхньої токсичності. Потенційну токсичність НЧ не можливо, з теоретичної точки зору, передбачити через токсичність об'ємних матеріалів такої ж хімічної природи. Згідно з даними літератури, у наноматеріалів (НМ) вона практично завжди більша, особливо при довготривалому надходженні до організму [3].

Токсичність НЧ визначається не тільки їхньою кількістю, а й розміром, формою, способом стабілізації. Так, НЧ дендричної та веретеноподібної форм мають більш високу цитотоксичність, ніж частинки сферичної форми. Виражена токсичність характерна також для катіонних НЧ у порівнянні з аніонними і нейтральними. Окрім цього, НЧ потрапивши в кров, лімфу або будь-яку іншу біологічну рідину, покриваються шаром білків, які весь час знаходяться в розчині та адсорбуються на поверхні частинок. Внаслідок цього модифікуються як властивості самих частинок, так і білків [3, 4], що неможливо враховувати в стандартних токсикологічних дослідженнях, оскільки більшість їх проведено на великому числі різноманітних методик і тест–систем, результати яких часто не співставні [5].

У зв'язку з цим, принципового значення набувають вдосконалення та розробка системи стандартних тестів, що дозволять оцінювати небезпеку нових НМ за їхнім впливом на показники життєдіяльності обраних біологічних систем, в ролі яких можуть бути патогенні, умовно-патогенні і симбіотичні мікроорганізми, культури клітин вищих тварин, репрезентативні компоненти водних біоценозів (ракоподібні, риби), організми ссавців. А використання альтернативних підходів in vitro дозволить одержати інформацію щодо токсичності та небезпечності об’єктів менш затратними способами, в коротші терміни та більш гуманно з позицій біоетики без використання лабораторних тварин [6].

Слід брати до уваги факти відсутності монотонної залежності «доза-ефект» для багатьох відомих видів матеріалів нанорозмірного діапазону та проявів високої токсичності суспензій НЧ у низьких концентраціях. У зв'язку з цим існують проблеми щодо використання критеріїв, заснованих на визначенні класу небезпеки за ступенем розведення водної суспензії або витяжки полютанта до безпечної концентрації [7].

Алгоритм токсикологічних досліджень НЧ залежить від передбачуваної причини небезпечного впливу [8]. Для попередніх оцінок рекомендується застосовувати скринінгові набори тестів. Їх вибір залежить від знання даних про хімічні, фізичні та біологічні властивості досліджуваних нанооб'єктів. При скринінгу та на етапі ідентифікації небезпеки НЧ інформативними можуть бути дослідження in vitro як ранній індикатор потенційної небезпеки.

У той час як більшість хімічних речовин викликає пошкодження клітин через взаємодію з конкретними біомолекулами, один тип НЧ може бути токсичним в результаті комбінації різних механізмів [9, 10, 11, 12]. НЧ можуть індукувати утворення активних форм кисню, бути генотоксичними, приводити до морфологічних і імунологічних змін у живому організмі [13, 14]. Механізмами пошкоджуючої дії нанорозмірних субстанцій можуть бути: окислювальний стрес; розчинення і вивільнення токсичних іонів металів; катіонні ушкодження поверхневої мембрани і органел; профіброгенні відповіді на вуглецеві нанотрубки; активація інфламосоми завдяки матеріалам довгої пропорції; фотоактивація та вплив забороненої зони; інтерференція зародків ембріона даніо; лізис клітинної мембрани поверхневою реактивністю.

Високі рівні токсичності, які спостерігаються для НЧ, є наслідком таких факторів, як невеликий розмір НЧ, що дозволяє проникати через зовнішні та внутрішні бар'єри організму, велика питома поверхня (високе відношення площі поверхні НЧ до об’єму), висока реакційна здатність поверхні НЧ [14, 15]. Крім того, більшість НЧ нестабільні в дисперсії, схильні до агрегації та седиментації, що істотно впливає на процес поглинання НЧ і їх токсичність [16].

Іншою проблемою при оцінці токсичного ефекту НЧ є різний підхід до оцінки концентрації НЧ. Показано, що при рівних концентраціях, виражених як маса в одиниці об'єму, дрібні НЧ можуть викликати більш сильні токсичні реакції в порівнянні з більш великими НЧ тієї ж природи [17, 18]. Відомо, що токсикологічні реакції залежать від поверхневих властивостей НЧ і що площа поверхні експоненціально зростає зі зменшенням розміру НЧ. Тому цілий ряд дослідників пропонують виражати концентрацію НЧ як площу поверхні НЧ на одиницю об'єму [19].

Протиріччя, що виникають при оцінці токсичності НЧ, можуть бути наслідком використання різних методик для оцінки токсичності. Це може стосуватися часу та умов інкубації зразків з НЧ, використовуваного діапазону доз.

Вибір в експерименті дози НЧ, яка імітує вплив на людину, є непростим завданням, оскільки загальна експозиція включає в себе різні способи надходження до організму – через дихальну систему, шлунково-кишковий тракт, шкіру [20, 21].

Ще одним важливим фактором виникнення розбіжностей при оцінці токсичності НЧ є використання різних середовищ, в яких диспергуються останні. Середовище може викликати агрегацію НЧ, що в свою чергу, визначає поведінку НЧ у дисперсії, а також у процесах поглинання НЧ і розвитку токсичності [22, 23]. Оцінюючи токсичність дії хімічних речовин, розчинних в клітинному середовищі, можна точно вказати концентрацію речовини в розчині. З НЧ така оцінка неможлива, оскільки НЧ в дисперсії схильні не тільки до дифузії, а й до процесів седиментації, агломерації та агрегації [22].

Практично більшість результатів з оцінки токсичності наноматеріалів отримані при одноразовому чи короткочасному введенні їх лабораторним тваринам. При цьому встановлено, що багато з досліджуваних матеріалів не мали гострої токсичності. А ось ефекти хронічного впливу НЧ ще вивчені не достатньо, хоча саме вони можуть виявитися значущими, особливо для особин з довгим життєвим циклом, в тому числі й для людей. Майже нічого не відомо про накопичення наноматеріалів у різних органах і тканинах, особливо при хронічному надходженні до організму [24].

Ще однією важливою особливістю біологічного оточення НЧ є те, що вони, потрапивши в кров, лімфу, шлунковий сік або будь-яку іншу біологічну рідину, покриваються свого роду «короною» – шаром білків, що весь час знаходяться в розчині і адсорбуються на поверхні частинок. Як наслідок взаємного впливу – властивості частинок змінюються під дією «корони», і самі білки, з якими частка вступає в контакт, можуть піддаватися модифікаціям. Процес зв'язування також впливає на поведінку частинки всередині організму. Амінокислоти і білки, що покривають поверхню НЧ, утворюють «корону» навколо частинки і змінюють поверхневі властивості, а саме вони відповідальні за ефективність дії наночасток. Модифікація поверхні потенційно може зменшувати або, навпаки, збільшувати токсичність частинок.

Через малий розмір НЧ можуть не розпізнаватися захисними системами організму, не зазнавати біотрансформації та мати тривалий період напіввиведення з організму. Потрапляючи до організму, НЧ здатні пошкоджувати біомембрани, порушувати функції біомолекул, зокрема молекул генетичного апарату клітини та клітинних органел, призводячи до порушення регуляторних процесів і загибелі клітини [25].

Таким чином, ступінь небезпеки наноматеріалів залежить від великої кількості характеристик НЧ та оточуючих факторів. У свою чергу, число потенційних комбінацій різних властивостей матеріалів може доходити до десятків тисяч, які нереально врахувати в експерименті на тваринах .

Традиційні підходи для оцінки біологічних ефектів НМ в експериментах на лабораторних тваринах не тільки є трудомісткими та витратними, але й не завжди доцільні, оскільки розмір частинок і площа поверхні можуть стати вирішальним значенням, при цьому підвищення концентрації НЧ може не мати дозозалежного вираження.

У даний час у токсикологічних дослідженнях in vivo все більшої популярності набувають такі тест-об'єкти як комахи (Drosophila melanogaster) і гідробіонти (Brachydanio rerio), проте їх використання хоча й дозволяє оцінити ризики застосування наноматеріалів для наступних поколінь організмів, але є недостатніми для прогнозування небезпечності для людини.

Для наноматеріалів, якi характеризуються середнім ступенем небезпеки, об’єм запланованих досліджень повинен бути істотно розширеним з метою проведення оцінки впливу на найважливіші функції організму лабораторних тварин. У свою чергу, для наноматеріалів з високим ступенем потенційної небезпеки токсиколого-гігієнічна характеристика повинна здійснюватися в повному обсязі із застосуванням спеціальних видів досліджень (ембріотоксичність, тератогенність, мутагенність, канцерогенність та ін.). Можливе проведення експериментів протягом усього життя лабораторних тварин (2–3 роки) або навіть для декількох поколінь [26, 27].

Отже, уніфікована токсикологічна характеристика наноматеріалів включає дослідження як in vitro, так і in vivo, в тому числі експерименти на тваринах, тривалість яких може перевищувати 9–12 місяців. Все це вказує на практичну неможливість охарактеризувати найближчим часом біологічні ефекти всіх важливих наноматеріалів через неприйнятні трудозатрати та матеріальні ресурси [28].

Зараз при оцінці токсичності широко використовуються методи, альтернативні класичним тестам на експериментальних тваринах – це моделі з використанням культур клітин. Використання клітинних культур дозволяє не тільки вирішити етичні проблеми, пов'язані з використанням і загибеллю лабораторних тварин у ході експериментів, але і значно знижує вартість попередніх досліджень токсичності нових матеріалів. Крім цього, скорочуються терміни повного циклу токсикологічних досліджень [9, 10].

Скринінгові реакції in vitro зазвичай проводяться на клітинах і клітинних культурах від восьми репрезентативних органів, які можуть підпадати під дію при експозиціі НЧ перорально, інгаляційно і парентерально. При цьому спостерігаються такі явища, як оксидативний стрес, запалення, імунотоксичність, цитотоксичність, генотоксичноість [9]. В якості додаткового показника критерію реальної небезпеки НЧ розроблений індекс небезпеки, який характеризує їх небезпеку у порівнянні з нативною речовиною.

Ще одним тестом на токсичність є вимір активності ферменту лактатдегідрогенази в середовищі клітинної культури. Цей фермент локалізований в цитоплазмі живої клітини і виділяється в інкубаційне середовище в результаті порушення або руйнування мембран клітин. Загальну оцінку токсичності дають на підставі визначення кількості виділеного в середовище ферменту. Даний тест може проводитися в реальному часі і дозволяє встановити залежність величини токсичного впливу НЧ від часу експозиції.

Цитотоксичність можна визначати за забарвленням окремих клітин у колонії. Методика полягає в тому, що в живильне середовище вносять клітини в низькій концентрації, в результаті чого окремі клітини утворюють окремі колонії. Обробку НЧ проводять або перед внесенням клітин в інкубаційне середовище, або після утворення колоній. Колонії забарвлюють барвником і характеризують кількісно і за розміром [29].

Оцінку токсичності in vitro проводять не тільки на культурах клітин, але і на зрізах культур високої точності, які отримують з однорідних тканин в стерильних умовах. Такі системи мають ряд переваг у порівнянні з культурами однорідних клітин. У зрізах культур присутні всі види клітин досліджуваного органу, крім цього зберігається система міжклітинної комунікації, яка дозволяє дати оцінку ступеня впливу НЧ на конкретні клітини. Істотним недоліком зрізів культур високої точності є їх швидка дегенерація. Термін життя таких систем становить не більше 24 годин.

Для подолання перелічених вище складнощів постійно робляться спроби розробки нових методів тестування. Оскільки НЧ можуть викликати різні ефекти через різні механізми, був запропонований метод багатопараметричної оцінки токсичності [12, 13]. Цей метод включає визначення цілого ряду параметрів різними способами і з використанням декількох типів клітин з різних організмів, що істотно збільшує ефективність і достовірність результатів досліджень токсичного ефекту НЧ [30]. Як параметри оцінки були обрані: гостра токсичність, індукція активних форм кисню, морфологічні зміни, генотоксичність, деградація НЧ [11, 30].

Як і при роботі з іншими техногенними матеріалами, для оцінки токсичності НЧ повинні бути проведені експерименти in vitro і in vivo [31]. Вважається, що досліди in vitro можуть бути основою для передбачення можливої токсичності наночастинок і зниження числа використаних тварин [32]. Багато моделей in vitro перевершують методи вивчення токсичності, засновані на використанні тварин, які традиційно застосовувалися в області токсикології. Моделі з використанням тварин не тільки негуманні, але часто недостатньо надійні з точки зору прогнозування ефектів у людини.

Згідно з літературними даними [20, 33, 34, 35, 36], у дослідженнях, присвячених вивченню токсичності ряду наноматеріалів, в реакціях in vitro зазвичай використовувалися відкриті системи і органели, наприклад, пригнічення активності мітохондрій, активності лактатдегідрогенази (для CdO, Ag, MoO3, MnO2, Fe3O4, Al, W); гальмування росту бактерій V. Fischeri при дії TiO2, ZnO, CuO. Цитотоксична дія Fe3O4, Cs, Si, As, CdTe, CdSe / ZnS точок, покритих полімером поліакрилової кислоти, вивчалася на клітинах епітелію легенів, клітинних культурах BRL 3A (ATCC, CRL-1442), клітинах печінки щурів, попередників альвеолярних макрофагів, бластомерах Xenopus. Дослідження, проведені на гідробіонтах (ракоподібні, риби), для фулеренів виявили летальні ефекти для Daphnia magna, t. Platyurus Micropterus salmoides. А гальмування росту Pseudo-kirchneriella subcapitata для TiO 2, ZnO, CuO вивчалося на мікроводоростях.

Одним із шляхів інтенсифікації випробувань і зниження їхньої собівартості може бути застосування прискорених токсикологічних досліджень на простих біологічних системах. У зв'язку з цим розробка і впровадження альтернативних методів in vitro стали одним з провідних напрямків токсикологічних досліджень НМ [5].

Необхідно відзначити, що використання in vitro систем для оцінки токсичності НЧ схвалено Європейським центром валідації альтернативних методів ЄС [37]. Запропоновані методи in vitro-діагностики охоплюють різні сфери: репродуктивну токсичність, оцінку потенційної канцерогенності, трансфер через різні бар'єри (шкіра, епітелій судин, гематоенцефалічний бар'єр та ін.). Виділяють декілька модельних систем для оцінки токсичності НМ in vitro: клітинні лінії, експресія генів, окислювальний стрес, пошкодження мітохондрій, ДНК, клітинні дисфункції, поглинання. Системи in vitro дозволяють контролювати такі параметри цитотоксичності як морфологія клітин, їх життєздатність, проліферація, запальні процеси, окислювальний стрес. У дослідженнях in vitro показана залежність токсичності від розміру, форми і концентрації НЧ [38], а також встановлено деякі механізми токсичної дії (окислювальний стрес, апоптоз) [39]. У цілому, за результатами досліджень виявлено високу чутливість альтернативних моделей та їх здатність в гострому експерименті встановлювати токсичний ефект доз, що викликають подібний ефект у тварин лише в умовах тривалих експериментів. Цей факт є надзвичайно важливим, оскільки використання альтернативних підходів дозволить отримати скринінгову оцінку токсичності досліджуваних НЧ або нанопродукції, що дуже актуально в умовах наростаючих обсягів їх виробництва та застосування.

Вважається, що традиційних підходів для вивчення токсичності хімічних речовин недостатньо для дослідження об'єктів в нанодіапазоні [40]. Проведення оцінки небезпеки наноматеріалів та нанопродукції звичайними класичними токсикологічними методами також ускладнено через значні обсяги досліджень.

Також характеристики поглинання, розподілу, депонування та акумуляції наночастинок і наноматеріалів в організмі можливі тільки при використанні досліджень in vivo. За розробленими системами після синтезу і вивчення фізико-хімічних властивостей нового наноматеріалу рекомендується проводити оцінку гострої та хронічної токсичності, кумулятивності, гено- і цитотоксичності, імунотоксичності, канцерогенних властивостей, вивчення метаболізму в організмі, а також біотрансформацію в навколишньому середовищі. При цьому основною проблемою токсикології нанооб´єктів є дозометрія, яка залежить від часу введення та концентрації використаних препаратів, кількості наночастинок та їх морфологічних параметрів (розміру, форми, щільності, стану агломерації, а також заряду поверхні) [41].

Складність вибору відповідної моделі для тестування полягає в правильності вибору клітинної лінії. Також in vitro моделі не можуть забезпечити оцінку ризиків застосування наночасток для наступних поколінь клітин або організмів.

До основних in vitro методів оцінки нанотоксичності відносяться [42, 43, 44, 45]:

1. Оцінка життєздатності клітин за дихальною активністю мітохондрій, окислювально-відновним потенціалом клітин, проліферацією клітин.

2. Апоптоз клітин – за морфологічними змінами клітин, ушкодженнями ДНК, аналізом каспаз, виявленням апоптотичних клітин.

3. Некроз клітин за поглинанням барвників нейтрального червоного, трипанового синього, за активністю лактатдегідрогенази.

4. Аналіз запалення за визначенням антитіл або антигенів.

5. Характеристика окисного стресу – за ПОЛ, ОМБ, визначенням активних форм кисню, ферменту супероксиддисмутази і кількості глутатіону.

Більшість дослідників стверджують, що методи in vitro відрізняються високою специфічністю, не вимагають значних витрат на реактиви та прилади, дозволяють виключити з модельної системи сторонні чинники, які можуть впливати на досліджувальні процеси, дають можливість кількісної оцінки ефектів і одночасного скринінгу великої кількості досліджуваних об’єктів [46].

Тест-об'єктами досліджень токсичності in vitro можуть бути клітинні лінії, мікроорганізми, біохімічні процеси з встановленням цитотоксичні, поглинання, біокінетики, внутрішньоклітинного транспорту, системної токсичності, генотоксичности, оксидативного стресу, сенсибілізації, репродуктивної токсичності, метаболізму [6].

Фактично альтернативні експериментальним дослідженням на тваринах методи оцінки токсичності хімічних речовин почали використовуватись з 50-60 років минулого століття. Відповідно до Європейської законодавчої програми REACH з Реєстрації, експертизи та авторизації хімічних речовин, що почала діяти на території Європи з 2007 року, за схемою експертизи токсичності та управління ризиком хімічних сполук обов’язковою є оцінка токсичності речовин in vitro, яка передує дослідам на тваринах та може бути проведена на культурах клітин та інших альтернативних об’єктах.

Для скорочення обсягів і прискорення досліджень наноматеріалів пропонується використовувати шкалу пріоритетів їх ступеня небезпеки, за якою вони поділяються на низько-, середньо- та високонебезпечні [47]. Вона встановлюється за результатами попередньої оцінки ступеня небезпеки наноматеріалів: на основі масиву наукової інформації враховуються всі відомі на даний час властивості, що впливають на потенційну небезпеку наноматеріалів, а саме: геометричні характеристики, фізико-хімічні властивості, взаємодія з біомакромолекулами, вплив на клітини, організм, екологічні характеристики за даними скринінгових тестів на клітинних культурах, бактеріальних культурах, рослинах і гідробіонтах.

Так, для об'єктів з низьким ступенем небезпеки рекомендується проведення тільки певних, критично важливих тестових досліджень, в подальшому можуть бути використані ті ж критерії та підходи, що й для «традиційних» аналогів, отриманих без застосування нанотехнологій. Наприклад, оцінка небезпеки наноматеріалів без використання тварин може проводитися на основі моделювання за допомогою методів Монте Карло [27].

При оцінці небезпеки наноматеріалів в першу чергу потрібно встановлювати їх вплив на такі біологічні характеристики як проникність біомембран, генотоксичність, активність окислювально-відновних процесів, включаючи перекисне окислення ліпідів, біотрансформацію та елімінацію з організму [26, 48]. При цьому потрібно враховувати [3], що:

- токсичність наноматеріалів не може бути виведена в порівнянні з аналогами в макродисперсній формі або у вигляді суцільних фаз, тому що їхні токсикологічні властивості є результатом не тільки хімічного складу, але й розмаїття інших особливостей, таких як поверхневі характеристики, розмір, форма, склад, хімічна реактивність та ін.;

- наявні токсикологічні методології засновані на визначенні токсичності речовин щодо масової концентрації, що не є прийнятним для наноматеріалів (для яких основними визначальними властивостями можуть бути величина площі поверхні);

- відсутні стандартизовані індикатори токсичності наноматеріалів, які повинні обов'язково враховувати внесок таких характеристик як поверхневі властивості, розмір, форма, склад сполук, хімічна реактивність складових їх частинок;

- відсутні переконливі дані щодо органів-мішеней дії конкретних наноматеріалів;

- методи виявлення, ідентифікації та кількісного визначення наноматеріалів в об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах та біосередовищах, які могли б достовірно відрізнити їх від хімічних аналогів в макродисперсній формі, слабо відпрацьовані.

Вважається, що моделі оцінки цитотоксичності речовин in vivo не дозволяють детально вивчити ті можливі реакції клітин, тканин і органів організму ссавця, які повинні бути відомі при використанні НЧ в якості компонентів ліків і в інших біотехнологічних областях. З цієї причини вкрай важливо мати способи вивчення токсичних властивостей НЧ in vitro, в яких в якості моделей будуть виступати саме ті клітини, які повинні контактувати з досліджуваними НЧ. У той же час дослідження in vivo не дозволяють, або ускладнюють оцінку реакцій на НЧ окремих клітин і тканин і таких параметрів, як вплив НЧ на клітинну проліферацію, репродуктивний потенціал, оцінку канцерогенних властивостей, здатність до поглинання НЧ різними типами клітин і визначення шляхів поглинання. Крім цього, їх проведення дорожче, вимагає більше часу і часто суперечить біоетичним вимогам. Тому при аналізі цитотоксичних властивостей НЧ як з економічної точки зору, з позиції біоетики та наукового підходу видається доцільним використання клітинних культур та інших об’єктів для in vitro досліджень на перших етапах скринінгу.

Основними перевагами застосування систем in vitro є те, що вони дозволяють отримувати науково-обґрунтовані результати, які можуть застосовуватися не тільки на практиці, але і в розвитку фундаментальних основ [6].

Хоча експерименти in vitro не можуть замінити повноцінних досліджень на тваринах, їх застосування є основою для оцінки небезпеки наночастинок техногенної природи. Такий підхід має значення, беручи до уваги унікальні властивості НЧ: велика площа поверхні, велике співвідношення площа/маса, малі розміри, які можуть сприяти їх проникненню через мембрани клітин, епітеліальні або ендотеліальні бар'єри і досягати внутрішніх органів.

Таким чином, токсичні ефекти наноматеріалів залежать від багатьох вихідних станів як самих НЧ (від їх розмірів та структурної організації, від фізичної природи, способу отримання та способу модифікації поверхні), так і від біологічної моделі, на якій проводяться випробування і наступних інтерфейсів «нано-біо» після проникнення в тканини і кров, тому вони не передбачувані, а органи-мішені і механізми розвитку токсичного ефекту - можуть бути різноманітними.

Незважаючи на більш ніж п'ятнадцятирічні дослідження у всьому світі, існуючі дані не дозволяють зробити остаточних висновків щодо залежності прояву біологічних ефектів не тільки від структури та рівнів дії, а й від змін характеристик і властивостей НМ, які виникають у процедурах використання та у стандартних токсикологічних дослідженнях.

Потрібно зазначити, що альтернативні моделі in vitro продемонстрували високу чутливість та здатність виявляти токсичний ефект доз, що викликають подібні зміни у тварин лише в умовах тривалих експериментів і потребують використання високочутливого спеціального обладнання. Цей факт є надзвичайно важливим, оскільки альтернативні методи дозволяють отримати скринінгову оцінку токсичності досліджуваних НМ або нанопродукції, що є актуальним в умовах наростаючих обсягів виробництва.

Сучасний розвиток нанотехнологій випереджає розробку підходів до оцінки токсичності та небезпеки НЧ та НМ. Через високий рівень складності та невизначеності багатьох аспектів в цій області, оцінка ризику та наукове обґрунтування відповідних стратегій і правил пов'язані з певними перешкодами. Одним зі шляхів інтенсифікації випробувань і зниження їхньої собівартості може бути застосування прискорених токсикологічних досліджень на простих біологічних системах (моделях). У зв'язку з цим розробка і впровадження альтернативних методів in vitro стала одним з провідних напрямків токсикологічних досліджень НМ. Пропонуються до використання різні модельні тест-системи, такі як найпростіші, мікроорганізми, клітинні лінії та субклітинні структури (мітохондрії, мікросоми, ДНК), гідробіонти, рослини, комахи, сперма великої рогатої худоби, судини хоріоалантоісної оболонки (ХАО) курячого ембріона та інші.

Слід зазначити, що альтернативні методи токсикологічних досліджень на міжнародному рівні розвиваються завдяки об'єднаним зусиллям різних організацій, зокрема, організацією економічного співробітництва і розвитку (ОЕСР) була створена база даних з наукових досліджень в області безпеки наноматеріалів. Рекомендовані методи оцінки токсичності передбачають використання різних моделей для досліджень крім ссавців. У той же час наголошується, що серед існуючих методик і тест-систем необхідно обирати такі, які були б найбільш інформативними, стандартизованими, мали об'єктивну цифрову оцінку результатів і добре корелювали з даними, отриманими на тваринах[36].

Незважаючи на численність запропонованих тест-систем для скринінгової оцінки впливу нанорозмірних об’єктів, гостро стоїть питання вибору з них найбільш чутливих, в залежності від цілей і завдань дослідження [49, 50]. А токсичність НМ має неоднозначну залежність від їхніх розмірів та може бути обумовлена як фізико-хімічними властивостями та розміром НЧ, так і несучою фазою та стабілізаторами. При цьому не існує загальних закономірностей щодо їхнього впливу на токсичні властивості НЧ, тому ці взаємозв’язки слід встановлювати окремо в кожному індивідуальному випадку. В той же час, інформація, одержана в експериментах in vitro, може бути використана для скринінгу токсичності НМ як «вектор» щодо проведення поглиблених експериментальних досліджень in vivo.

 

Висновок

В умовах збільшення виробництва наноматеріалів оцінка їхньої небезпеки звичайними класичними токсикологічними методами ускладнюється через неоднозначність отриманих результатів та значні обсяги досліджень. Значною проблемою щодо оцінки дії нанопродукціі є нестабільність наночастинок та непередбачуваність змін їхніх параметрів, характеристик і властивостей, отже, і виражених структурно-дозових біологічних ефектів. Тому існує нагальна необхідність вдосконалення наукових підходів до оцінки токсичності та небезпеки наноматеріалів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Shang L , Nienhaus K , Nienhaus GU. Engineered nanoparticles interacting with cells: size matters.// J. Nanobiotechnology. – 2014. – Feb 3;12:5. doi: 10.1186/1477-3155-12-5.

2. Трофимова С. А. Методологические подходы к оценке биологического действия наноматериалов // Journal of Biomedical Technologies. – 2015. – № 1. – С. 38–44. DOI: 10.15393/j6.art.2015.3283 .

3. Леоненко Н.С., Демецька О.В., Леоненко О.Б. Особливості фізико-хімічних властивостей та токсичної дії наноматеріалів – до проблеми оцінки небезпечного впливу їх на живі організми (огляд літератури) // Сучасні проблеми токсикології. -2016.- 14.- С. 64-76.

4. Красочко П.А. Оценка взаимодействия наночастиц серебра с перевиваемыми клетками МДБК / П.А. Красочко, С.А.Чижик, А.Л. Худолей, А.Э. Станкуть, Е.С. Дрозд // Ветеринарная биотехнология.- 2012.- №21. - С. 261-265.

5. Леоненко Н.С., Демецька О.В., Леоненко О.Б. Методочні підходи до оцінки токсичності та небезпеки наноматеріалівю //Environment and Health. 2017.- №3.- С.9-13.

6. Sabbioni Enrico, Salvador Fortaner , Massimo Farina , Riccardo Del Torchio [et al] Cytotoxicity and morphological transforming potential of cobalt nanoparticles, microparticles and ions in Balb/3T3 mouse fibroblasts: an in vitro model. // Nanotoxicology. - 2014. -8(4). - Р. 455-64. https://doi.org/10.3109/17435390.2013.796538

7. Моргалёв Ю.Н., Моргалёва Т.Г., Хоч Н.С., Моргалёв С.Ю.. Основы безопасности при обращении с наноматериалами. Курс лекций. – Томск. – 2010. – 136 с.

8. Казак А.А., Степанов Е.Г., Гмошинский И.В., Хотимченко С.А. Сравнительный анализ современных подходов к оценке рисков, создаваемых искусственными наночастицами и наноматериалами. // Вопросы питания. - 2012. - № 4. - С. 11-17.

9. Куцан, А.Т., Романько М.Е., Оробченко А.Л. Оценка безопасности и токсичности наночастиц металлов, как прототипов ветеринарного нанонутрицевтика, по определению системных биомаркеров в экспериментах in vitro и in vivo. // Materiály VIII mezinárodní vědecko-praktická konference «Moderní vymoženosti vědy - 2012». - Díl 22. Biologické vědy. Zvěrolékařství: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o- P. 84-87.

10. Cho . E. C, Zhang Q., Xia Y., The effect of sedimentation and diffusion on cellular uptake of gold nanoparticles. // Nat. Nanotechnol.- 2011.- 6.- Р. 385–391.

11. Soenen S. J., Rivera- P.Gil, Montenegro J. M., Parak W. J., De Smedt S. C. and Braeckmans K., Cellular toxicity of inorganic nanoparticles: common aspects and guidelines for improved nanotoxicity evaluation. //Nano Today.- 2011. – 6.- Р. 446–465. doi: 10.1038/nnano.2011.58.

12. S. George, S. Pokhrel, T. Xia, B. Gilbert, Z. Ji, M. Schowalter, A. Rosenauer, R. Damoiseaux, K. A. Bradle y, L. Madler and A. E. Nel, Use of a rapid cytotoxicity screening approa.- 2010.- 4.- Р. 15–29

13. Nel A, Xia T, Meng H, Wang X, Lin S, Ji Z, Zhang H. Nanomaterial toxicity testing in the 21st century: use of a predictive toxicological approach and high-throughput screening. // Acc Chem Res. - 2013.- Mar 19;46(3).- Р. 607-621. doi: 10.1021/ar300022h.Epub 2012 Jun 7.

14. A. Nel, T. Xia, L. Madler and N. Li, Toxic potential of materials at the nanolevel. //Science.- 2006.- 311.- Р. 622–627. DOI: 10.1126/science.1114397

15. R. Duffin, L. Tran, D. Brown, V. Stone, K. Donaldson, Proinflammogenic effects of low-toxicity and metal nanoparticles in vivo and in vitro: highlighting the role of particle surface area and surface reactivity. //Inhalation Toxicol.- 2007.- 19.- Р. 849–856. DOI: 10.1080/08958370701479323

16. Z. E. Allouni, M. R. Cimpan, P. J. Hol, T. Skodvin and N. R. Gjerdet, Agglomeration and sedimentation of TiO2 nanoparticles in cell culture medium. //Colloids Surf., B,- 2009.- 68.- Р. 83 – 87. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2008.09.014

17. Otmar Schmid, Flemming R. Cassee. On the pivotal role of dose for particle toxicology and risk assessment: exposure is a poor surrogate for delivered dose. // Part Fibre Toxicol . -2017.- 14.- 52 р. Particle and Fibre Toxicology, 14 (2017), pp. 1-5. DOI: 10.1186/s12989-017-0233-1 Published online 2017 Dec 8. doi: 10.1186/s12989-017-0233-1.

18. P. Rivera - Gil, D. Jimenez De Aberasturi, V. Wulf, B. Pelaz, P. Del Pino, Y. Zhao, J.M. De La Fuente, I. Ruiz De Larramendi, T. Rojo, X. J . Liang and W. J. Parak, The Challenge To Relate the Physicochemical Properties of Colloidal Nanoparticles to Their Cytotoxicity . //Acc. Chem. Res., 2013, 46, 743 – 749. https://doi.org/10.1021/ar300039.

19. E. K. Rushton, J. Jiang, S. S. Leonard, S. Eberly, V. Castranova, P. Biswas, A. Elder, X. Han, R. Gelein, J. Finkelstein and G. Oberdorster, Concept of Assessing Nanoparticle Hazards Considering Nanoparticle Dosemetric and Chemical/Biological Response Metrics. //J. Toxicol. Environ. Health, Part A.- 2010.- 73.- р., 445 –461. DOI: 10.1080/15287390903489422

20. G. Oberdorster, A. Maynard, K. Donaldson, V. Castranova, J. Fitzpatrick, K. Ausman, J. Carter, B. Karn, W. Kreyling, D. Lai, S. Olin, N. Monteiro - Riviere, D. Warheit and H. Yang, Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy. Part. //Fibre Toxicol. – 2005.- 2, 8. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2008.09.014.

21. H. F. Krug and P. Wick, Nanotoxicology: An Interdisciplinary Challenge Angew. //Chem., Int. Ed. – 2011.- 50.- Р., 1260–1278. https://doi.org/10.1002/anie.201001037 .

22. J. G. Teeguarden, P. M. Hinderliter, G. Orr, B. D. Thrall and J. G. Pounds, Particokinetics in vitro: dosimetry considerations for in vitro nanoparticle toxicity assessments. //Toxicol. Sci.- 2007.- 95.- Р. 300– 312. DOI: 10.1093/toxsci/kfl165 .

23. M. Horie, K. Nishio, K. Fujita, H. Kato, S. Endoh, M. Suzuk i, A. Nakamura, A. Miyauchi, S. Kinugasa, K. Yamamoto, H. Iwahashi, H. Murayama, E. Niki and Y. Yoshida, Cellular responses by stable and uniform ultrafine titanium dioxide particles in culture-medium dispersions when secondary particle size was 100 nm or less. //Toxicol. In Vitro.- 2010.- 24.- Р. 1629 – 1638. DOI: 10.1016/j.tiv.2010.06.003

24. Крысанов Е.Ю. Наночастицы в живой природе, что нам об этом известно?/ Е.Ю. Крысанов, Д.С. Павлов, Т.Б. Демидова, Ю.Ю.Дгебуадзе// Российские нанотехнологии.- 2009.- Т. 4, №7-8.- С.24-25.

25. Леоненко Н.С., Леоненко О.Б., Демецька О.В., Ткаченко Т.Ю., Гродзюк Г.Я. Дослідження цитотоксичності наночастинок сульфіду кадмію та сульфіду свинцю, стабілізованих органічними сполуками. // Сучасні проблеми токсикології, харчової та хімічної безпеки.- 2015.- № 3.- С. 56-60.

26. Методика классифицирования нанотехнологий и продукции наноиндустрии по степени их потенциальной опасности : методические рекомендации МР 1.2.0016-10. Москва; 2010 : 32 с.

27. Соседова Л.М. Роль биомоделирования в оценке воздействия химических факторов окружающей среды на организм человека.// Токсикология. -2015.- 16.- С. 393-401.

28. Жолдакова З.И. Общие и специфические аспекты токсических свойств наночастиц и других химических веществ с позиций классической токсикологи/ З.И.Жолдакова, О.О. Синицына, Н.В. Харчевникова // Гигиена и санитария. -2008.- 6.- С. 12–16.

29. Hillegass J.M., Shukla A., S.A. Lathrop, M.B. Macpherson, N.K. Fukagawa, B.T. Mossman, Assessing nanotoxicity in cells in vitro.Wiley Interdiscip. // Rev. Nanomed Nanobiotechnol.- 2010.- 2.- Р. 219-231. https://doi.org/10.1002/wnan.54.

30. A. Astashkina, B. Mann and D. W. Grainger, A critical evaluation of in vitro cell culture models for high-throughput drug screening and toxicity. //Pharmacol. Ther. – 2012.- 134.- Р. 82–106. DOI: 10.1016/j.pharmthera.2012.01.001.

31. Леоненко Н.С. Біотестування наноматеріалів в дослідах in vitro./ Леоненко Н.С., Леоненко О.Б., Демецька О.В., Гроздюк Г.Я. // Тези доповідей Третього міжнародного семінару «Етика нанотехнологій та нанобезпека», 10 жовтня 2014 р., Київ 2014, С. 38-40.

32. Н.Н.Каркищенко. Нанобезопасность: новые подходы к оценке рисков и токсичности наноматериалов // Биомедицина.- 2009.- №1.- С. 5-27.

33. Jaffe R.L. 2005. The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. Massachusetts Institute of Technology. – Cambridge: MIT–CTP. – 2005. – Vol. 1. – P. 9.

34. Liu W. K., Karpov E. G. and Park H. S. Nano Mechanics and Materials: Theory, Multiscale Methods and Applications. // England: John Wiley & Sons, Ltd. – 2006. – 337 p.

35. Мелихов И.В. Тенденции развития нанохимии. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева). – 2002. – T. XLVI, №5. – C. 7–14.

36. J. Kasper, M. I. Hermanns, C. Bantz, S. Utech, O. Koshkina, M. Maskos, C. Brochhausen, C. Pohl, S. Fuchs, R. E. Unger, C. James Kirkpatrick, Eur. //J. Pharm. Biopharm.- 2013.- 84.- Р. 275–287

37. Hartung, T., Bremer S., Casati S., Coecke S., Corvi R., Fortaner S., Gribaldo L., Halder M., Roi A.J., Prieto P., Sabbioni E., Worth A., Zuang V. ECVAM's response to the changing political environment for alternatives: consequences of the European Union chemicals and cosmetics policies. Altern Lab Anim. 2003. 31(5): Р. 473-481.

38. Leonenko N. S., Demetska O.V., Tkachenko T.Yu., Leonenko O. B. Geometry of nanoparticles as a determinant of their cytotoxicity. //Український журнал з проблем медицини праці. - 2014 ; 1.- Р. 18-22.

39. Braydich-Stolle L., Hussain S., Schlager J. Cytotoxicity of nanoparticles of silver in mammalian cells. //Toxicological Sciences.- 2005 ; 3 (2).- Р. 38-42.

40. Проданчук Н.Г., Балан Г.М. Наночастицы диоксида титана и их потенциальный риск для здоровья и окружающей среды. //Современные проблемы токсикологии. -2011.- 4.- С. 11–27.

41. Казак А.А., Степанов Е.Г., Гмошинский И.В. Сравнительный анализ современных подходов к оценке рисков, создаваемых искусственными наночастицами и наноматериалами. //Вопросы питания. - 2012.- 4.- С. 11-17.

42. Sahu S.C. and Casciano D.A. Nanotoxicity: From In Vivo and In Vitro +Models to Health Risks.- 2009: Wiley. 630 p.

43. Kroll A, Pillukat MH, Hahn D, Schnekenburger J. Current in vitro methods in nanoparticle risk assessment: Limitations and challenges. // European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics.- 2009.- 72(2): Р. 370-377. doi: 10.1016/j.ejpb.2008.08.009.

44. Al-Nasiry S, Geusens N, Hanssens M, Luyten C, Pijnenborg R. The use of Alamar Blue assay for quantitative analysis of viability, migration and invasion of choriocarcinoma cells. //Hum Reprod.- 2007. -22(5): Р. 1304-1309. DOI: 10.1093/humrep/dem011

45. Robledo, R.F., , Sylke A. Buder-Hoffmann, Andrew B. Cummins, Eric S. Walsh, Douglas J. Taatjes, and Brooke T. Mossman. Increased Phosphorylated Extracellular Signal-Regulated Kinase Immunoreactivity Associated with Proliferative and Morphologic Lung Alterations after Chrysotile Asbestos Inhalation in Mice. //The American Journal of Pathology. - 2000. -156(4): Р. 1307-1316. doi: 10.1016/S0002-9440(10)65001-8

46. Савченко Д. С. Изучение антиоксидантных свойств нанокомпозита высокодисперсного кремнезема с наночастицами серебра. // Медицина и образование Сибири. - 2013. - № 6. – С. 10-14.

47. Соседова Л.М. Роль биомоделирования в оценке воздействия химических факторов окружающей среды на организм человека. // Токсикология. -2015.- 16.- С. 393-401.

48. Медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов : методические указания 1.2.2635-10. Москва.- С. 2010.- 123 с.

49. Manzoor Ahmad Gatoo, Sufia Naseem, Mir Yasir Arfat, Ayaz Mahmood Dar, Khusro Qasim, and Swaleha Zubair // Physicochemical Properties of Nanomaterials: Implication in Associated Toxic Manifestations. // BioMed Research International, V. – 2014.– Article ID 498420, 8 pages. DOI: 10.1155/2014/498420.

50. Трофимова С. А. Методологические подходы к оценке биологического действия наноматериалов // Journal of Biomedical Technologies. 2015. № 1. С. 38–44. DOI: 10.15393/j6.art.2015.3283.

 

Received 02/07/2020