Изменение интегральных показателей функционального состояния экспериментальных животных при длительном введении хлорида кадмия и наночастиц сульфида кадмия разного размера

  • Авторы: Е.Л. Апыхтина
Скачать вложения:

ГУ«Институт медицины труда имени Ю.И. Кундиева НАМН Украины», г. Киев, Украина

Резюме. Целью исследования была сравнительная оценка интегральных показателей функционального состояния экспериментальных животных в условиях длительной экспозиции хлоридом кадмия и НЧ сульфида кадмия разного размера.
Материалы и методы. Исследования проводились на крысах-самцах половозрелого возраста линии Вистар весом 160–180, которым внутрибрюшинно вводили хлорид кадмия (CdCl2) и наночастицы сульфида кадмия (НЧ CdS) размером 4–6 нм и 9–11 нм в дозе 0,08 мг/кг/сутки в пересчете на кадмий. Массу тела измеряли еженедельно, вес внутренних органов и мышечную выносливость по длительности удержания на шесте оценивали после 30 введений (1,5 месяца), 60 введений (3 месяца) и через 1,5 месяца после прекращения введения.
Результаты. CdCl2 и НЧ CdS вызывали снижение средней массы тела и прироста массы тела по сравнению с контрольными животными. НЧ CdS вызывали снижение раньше, чем CdCl2, но при воздействии CdCl2 эти изменения были более выраженными. У животных после введения соединений кадмия наблюдалось повышение относительной массы головного мозга, печени, селезенки, тимуса, снижение массы легких, а также повышение относительной массы сердца и почек после 30 и 60 введений и снижение в постэкспозиционном периоде. Наибольшие изменения массы органов вызывал CdCl2, наименьшие НЧ CdS размером 9–11 нм. Снижение мышечной выносливости крыс после 30 введений было наиболее выражено при воздействии НЧ CdS размером 4–6 нм, а после 60 введений и в постэкспозиционном периоде при воздействии CdCl2.
Ключевые слова: кадмий, наночастицы, сульфид кадмия, хлорид кадмия, интегральные показатели, вес тела, вес внутренних органов, мышечная выносливость.

Серед глобальних забруднювачів довкілля важливу роль відіграють сполуки кадмію [1]. Вплив кадмію на людину відбувається головним чином при вдиханні аерозолів, що його містять, або при надходженні у ШКТ разом із продуктами харчування. У разі надлишкового надходження до організму в умовах гострої експозиції кадмій спричиняє ураження легень, нирок, печінки, репродуктивних органів, а в умовах хронічної експозиції проявляє переважно нефротоксичну, імунотоксичну та остеотоксичну дію [2, 3]. Загалом, сполуки кадмію належать до високотоксичних речовин, характеризуються мутагенною та генотоксичною дією, мають високі кумулятивні властивості. Кадмій віднесено до канцерогенів [4, 5].

Із розвитком нанотехнологій почалися наукові дослідження щодо синтезу та токсичної дії наночастинок (НЧ) сполук важких металів, зокрема сполук кадмію, їх застосування у різних галузях промисловості [6]. Кадмійвмісні наноматеріали широко використовуються в оптичних та електронних пристроях [7]. Сульфід кадмію як напівпровідник р-типу застосовується в електроніці, зокрема є активним середовищем у напівпровідникових лазерах, матеріалом для виготовлення фотоелементів, сонячних батарей, фото- і світлодіодів. Квантові точки на основі сполук кадмію можна використовувати у якості біологічних міток (маркерів), поєднуючи їх з певними білками. Завдяки своїм оптичним властивостям квантові точки на основі халькогенідів кадмію перспективні для надчутливої багатокольорової реєстрації біологічних об’єктів, медичної діагностики, цитометрії, у дослідженнях методами оптичної та електронної мікроскопії та флуоресцентного аналізу [8]. Впровадження НЧ сполук кадмію обумовлює необхідність вивчення механізму їхньої дії як на клітинному рівні, так і на рівні органів і систем, визначення біомаркерів їх впливу, особливо у порівнянні із іонною формою.

Мета дослідження. Порівняльна оцінка інтегральних показників функціонального стану експериментальних тварин за умов тривалої експозиції хлоридом кадмію та НЧ сульфіду кадмію різного розміру.

Матеріали та методи дослідження. У роботі були використані сполуки кадмію у наноформі: НЧ сульфіду кадмію (НЧ CdS) середнім розміром 4–6 нм та 9–11 нм та в іонній формі: хлорид кадмію (CdCl2), який добре розчинний у воді. НЧ CdS отримували методом хімічного синтезу із використанням стабілізатора поліфосфату натрію (NaPO3)n. Розміри НЧ були встановлені методом електронної мікроскопії.

Дослідження проводили на щурах-самцях статевозрілого віку лінії Вістар вагою 160–180 г. Утримувались тварини в умовах віварію на стандартизованому харчовому раціоні із вільним доступом до питної водогінної води. Щури були розподілені на 3 дослідні групи та контрольну. 1-й дослідній групі вводили НЧ CdS розміром 46 нм, 2-й — НЧ CdS розміром 9–11 нм, 3-й — CdCl2; контрольній групі вводили фізіологічний розчин. Досліджувані речовини вводили внутрішньоочеревинно щоденно 5 разів на тиждень (моделювання робочого тижня) у дозі 0,08 мг/кг у перерахунку на кадмій. Токсичні ефекти оцінювали після 30 введень (1,5 місяці), 60 введень (3 місяці) та через 1,5 місяці після припинення експозиції. Тварин зважували один раз на тиждень натще упродовж тривалості експерименту. М’язову витривалість оцінювали за часом утримання тварини на дроті на висоті 1,5 м над опорою. По закінченні дослідного періоду тварин знеживлювали методом декапітації із дотриманням вимог щодо гуманного поводження. Одразу після взяття крові видаляли внутрішні органи та зважували. Всі маніпуляції з тваринами проводили відповідно до положень «Європейської конвенції захисту хребетних тварин, які використовуються з експерименментальною та іншою науковою метою» (Страсбург, 1985).

Статистичну обробку первинних даних проводили за допомогою програми Microsoft Excel 2003 та SPSS 21.0. Достовірність відмінностей між показниками оцінювали за U-критерієм Манна-Уітні.

Дослідження виконували в рамках НДР ДУ «Інститут медицини праці НАМН України» «Наукове обґрунтування принципів, методів і показників експериментальної оцінки токсичності наночастинок і наноматеріалів (на прикладі наночастинок металів)» (№ д.р. 0113U001447) та «Дослідження особливостей токсичної дії нано-частинок важких металів, пошук та обґрунтування засобів профілактики» (№ д.р. 0116U00497).

Результати досліджень. Динаміка зміни маси тіла експериментальних тварин під час експозиції відображає стан організму та загальної (неспецифічної) реакції на інтоксикацію. Це дозволяє у процесі експерименту швидко та неінвазивно оцінити стан організму тварин, рівень розвитку інтоксикації, а також скорегувати за необхідності хід експерименту. Завдяки своїй простоті і неінвазивності цей метод надзвичайно привабливий і важливий особливо щодо токсикологічних експериментів.

Результати проведених досліджень свідчать, що середня маса тіла та її приріст у щурів першої та другої дослідної груп, експонованих НЧ CdS, були статистично достовірно нижчими за відповідні показники контрольної групи тварин, починаючи із третього тижня експерименту. Середня маса тіла та її приріст у щурів, експонованих CdCl2, були статистично достовірно меншими за показники маси контрольної групи тварин починаючи із четвертого тижня (табл. 1). Статистично достовірних відмінностей величин середньої маси тіла тварин, експонованих НЧ CdS розміром 4–6 нм та 9–11 нм, не було виявлено. Проте приріст маси тіла тварин першої дослідної групи порівняно із приростом маси тіла щурів другої дослідної групи був статистично достовірно нижчим на п'ятому та шостому тижнях експозиції, а на сьомому та восьмому тижнях був достовірно більшим. Це свідчить, що у тварин, експонованих НЧ CdS меншого розміру, зменшувався приріст маси раніше, ніж у тварин, експонованих НЧ сульфіду кадмію більшого розміру.

Таблиця 1. Середня маса тіла та приріст маси тіла дослідних тварин (М±m, n=10)

Середня маса тіла тварин першої дослідної групи (НЧ CdS4–6 нм) була нижчою за масу тіла тварин третьої дослідної групи (CdCl2), починаючи із третього по сьомий тижні експерименту, а середня маса тварин другої дослідної групи (НЧ CdS9–11 нм) була нижчою за масу тіла тварин третьої дослідної групи (CdCl2), починаючи із четвертого по дев'ятий тиждень. Приріст маси тіла щурів, експонованих хлоридом кадмію, зменшувався порівняно із приростом тіла тварин першої та другої дослідних груп, починаючи із восьмого по дванадцятий тиждень експерименту.

Таким чином, маса тіла тварин усіх трьох дослідних груп та приріст маси тіла були статистично достовірно меншими за відповідні показники контрольної групи тварин. Зменшення середньої маси тіла щурів, експонованих НЧ CdS обох розмірів, наставали раніше порівняно із показниками маси тіла тварин, експонованих хлоридом кадмію, проте за дії хлориду кадмію ці зміни були більш вираженими. Це може свідчити, що розвиток інтоксикації у тварин при уведенні НЧ CdS настає раніше, порівняно із іонною формою кадмію. Коливання приросту маси тіла були більш вираженими у тварин, яким вводили НЧ CdS більшого розміру.

Відносна маса внутрішніх органів дослідних тварин, яким вводили НЧ CdS та CdCl2, істотно відрізнялась від відповідних показників тварин контрольної групи (табл. 2). У щурів, яким вводили НЧ CdS розміром 4–6 нм, спостерігалося статистично достовірне зростання відносної маси серця після 30 та 60 введень, а у постекспозиційному періоді — її зниження порівняно із показником контрольної групи. У тварин, яким вводили НЧ CdS розміром 9–11 нм, статистично достовірне зростання маси відносної маси серця реєструвалося після 60 введень та у постекспозиційному періоді. CdCl2 викликав зростання відносної маси серця після 30 введень та її зниження у постекспозиційному.

Таблиця 2. Відносна маса внутрішніх органів дослідних тварин (М±m)

Відносна маса легень у тварин, експонованих НЧ CdS, змінювалась мало: лише після 30 введень реєструвалося статистично достовірне її зростання. Введення НЧ CdS розміром 9–11 нм призводило до зниження відносної маси легень після 60 введень та у постекспозиційному періоді. У тварин, експонованих CdCl2, реєструвалося статистично достовірне зниження відносної маси легень в усіх періодах досліджень, особливо через місяць після припинення експозиції.

У щурів усіх трьох дослідних груп реєструвалося статистично достовірне зростання відносної маси нирок після 30 та 60 введень. У постекспозиційному періоді у тварин, яким вводили НЧ CdS розміром 9–11 нм та хлорид кадмію, реєструвалося зниження відносної маси нирок порівняно із показником контрольної групи тварин.

Відносна маса тимуса статистично достовірно зростала у групах тварин, яким вводили НЧ CdS розміром 4–6 нм та хлорид кадмію, після 60 введень та у постекспозиційному періоді. У тварин, яким вводили НЧ CdS розміром 9–11 нм, спостерігалось зростання відносної маси тимуса після 30 та 60 введень та її зниження у постекспозиційному періоді.

Відносна маса селезінки статистично достовірно зростала у тварин усіх трьох дослідних груп після 30 та 60 введень сполук кадмію порівняно із показником контрольної групи тварин. У постекспозицій-ному періоді вона статистично зростала у щурів, яким вводили НЧ CdS розміром 9–11 нм та хлорид кадмію.

Відносна маса головного мозку статистично достовірно зростала у щурів усіх дослідних груп в усіх періодах досліджень, особливо істотні зміни реєструвалися після 60 введень хлориду кадмію та НЧ CdS розміром 9–11 нм.

Таким чином, узагальнюючи наведені вище зміни відносної маси внутрішніх органів, можна зробити наступні висновки. У тварин дослідних груп спостерігалось істотне зростання відносної маси головного мозку, печінки та селезінки. Загалом, НЧ CdS розміром 9–11 нм викликали більші зміни, ніж НЧ CdS розміром 4–6 нм. Відносна маса внутрішніх органів є досить чутливим показником, що відображає морфо-функціональні зміни у внутрішніх органах та характеризує ступінь розвитку інтоксикації.

Показник м’язової витривалості за часом утримання щурів на дроті є інтегральним показником, який свідчить про загальний стан організму та рівень розвитку інтоксикації. Проведені дослідження показали статистично значиме зниження часу тривалості утримання щурів на дроті, експонованих сполуками кадмію, як у першому, так і у другому періоді досліджень (рис. 1). Причому, у першому періоді спостерігалось зниження часу утримання на дроті у 2,8 раза у тварин, експонованих НЧ CdS розміром 4–6 нм, у 2,3 раза — експонованих НЧ CdS розміром 9–11 нм, у 1,9 раза — експонованих CdCl2.

Рис. 1. Зміна м’язової витривалості щурів, експонованих сполуками кадмію (за часом утриманні на дроті, секунди).
Примітка: * — статистично достовірні відмінності показників тварин дослідних груп від показників контрольної групи; # — статистично достовірні відмінності між показниками груп тварин, експонованих НЧ CdS різного розміру; ~ — статистично достовірні відмінності між показниками груп тварин, експонованих НЧ CdS та CdCl2; р<0,05.

У другому періоді досліджень найбільше зниження м’язової витривалості спостерігалось у тварин, які були експоновані хлоридом кадмію, — у 3,7 раза. Зниження часу утримання на дроті у тварин за дії НЧ CdS кадмію меншого розміру — у 2,6 раза, а за дії НЧ CdS більшого розміру — у 2,5 раза. У постекспозиційному періоді спостерігається зростання часу тривалості утримання на дроті порівняно із другим періодом, проте статистично достовірним було лише у тварин, експонованих НЧ CdS більшого розміру.

Таким чином, представлені вище дані свідчать, що у тварин, експонованих сполуками кадмію, спостерігається суттєве зниження показника м’язової витривалості, причому найбільш виражене у першому періоді за дії НЧ CdS розміром 4–6 нм, а у другому та у постекспозиційному періоді — за дії CdCl2.

Узагальнюючи представлені вище результати дослідження, можна зробити наступні висновки:

1. Інтегральні показники, такі як загальний стан тварин, маса тіла, динаміка приросту маси тіла, відносна маса внутрішніх органів, м’язова витривалість, відображають загальний функціональний стан експериментальних тварин, дають змогу оцінити наявність та ступінь інтоксикації, час її настання тощо.

2. CdCl2 та НЧ CdS при тривалому введенні спричиняли зниження середньої маси тіла тварин та її приросту порівняно із контрольним тваринами. Зменшення середньої маси тіла щурів, експонованих НЧ CdS обох розмірів, наставали раніше порівняно із показниками маси тіла тварин, експонованих CdCl2, проте за дії CdCl2 ці зміни були більш вираженими. Це може свідчити, що розвиток інтоксикації у тварин при введенні НЧ CdS настає раніше, порівняно із іонною формою кадмію.

3. Відносна маса внутрішніх органів є досить чутливим показником, що відображає морфо-функціональні зміни у внутрішніх органах та характеризує ступінь розвитку інтоксикації. У тварин дослідних груп спостерігалось істотне зростання відносної маси головного мозку, печінки та селезінки. Загалом, НЧ CdS розміром 9–11 нм викликали більші зміни, ніж НЧ CdS розміром 4–6 нм.

4. У тварин, експонованих сполуками кадмію, спостерігається істотне зниження показника м’язової витривалості, причому найбільш виражене у першому періоді за дії НЧ CdS розміром 4–6 нм, а у другому та у постекспозиційному періоді — за дії CdCl2.

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Non-renal effects and the risk assessment of environmental cadmium exposure / A. Ekesson, L. Barregard, I.A. Bergdahl [et al.] // Environmental Health Perspectives. —2014. —V. 122 (5). —P. 431–438.

2. The toxicity of cadmium and resulting hazards for human health / J. Godt, F. Scheidig, C. Grosse-Siestrup [et al.] // Journal of Occupational Medicine and Toxicology. —2006. —V. 1. —P. 22–28.

3. Health effects of cadmium exposure — a review of the literature and a risk estimate / L. Jarup, M. Berglund, C. Elinder [et al.] // Scandinavian Journal of Work, Environment&Health. —1998. —V. 1. —P. 1–52.

4. Cadmium-induced Cancers in Animals and in Humans / J. Huff, R.M. Lunn, M.P. Waalkes [et al.] // International Journal of Occupational and Environmental Health. —2007. —V. 13 (2). —Р. 202–212.

5. Joseph P. Mechanisms of cadmium carcinogenesis / P. Joseph // Toxicology and Applied Pharmacology. —2009. —V. 238 (3). —P. 272–279.

6. Наночастинки і наноматеріали: будова, фізико-хімічні властивості, вплив на організм працівників / О.П. Яворовський, В.С. Ткачишин, О.М. Арустамян [та ін.] // Довкілля та здоров’я. —2016. —№ 3 (79). —С. 29–36.

7. Genotoxicity and Cytotoxicity of Cadmium Sulfide Nanomaterials to Mice: Comparison Between Nanorods and Nanodots / Liu L., Sun M., Li Q. [et al.] // Environmental Engineering Science. —2014. —V. 31 (7). —P. 373–380.

8. Cadmium sulfide nanoparticles prepared by chemical bath deposition / N.S. Kozhevnikova, A.S. Vorokh, A.A. Uritskaya // Russian Chemical Reviews. —2015. —V. 84 (3). —P. 225–250.

 

REFERENCES

1. Ekesson A., Barregard L., Bergdahl I.A.[et al] Non-renal effects and the risk assessment of environmental cadmium exposure, Environmental Health Perspectives. 2014; 122 (5): 431–438.

2. Godt J., Scheidig F., Grosse-Siestrup C., Esche V., Brandenburg P., Reich A., Groneberg D.A. The toxicity of cadmium and resulting hazards for human health, Journal of Occupational Medicine and Toxicology. 2006; 1: 22–28.

3. Jarup L., Berglund M., Elinder C., Nordberg G., Vahteram M. Health effects of cadmium exposure — a review of the literature and a risk estimate, Scandinavian Journal of Work, Environment&Health. 1998; 1: 1–52.

4. Huff J., Lunn R.M., Waalkes M.P., Tomatis L., Infante P.F. Cadmium-induced Cancers in Animals and in Humans, International Journal of Occupational and Environmental Health. 2007; 13 (2): 202–212.

5. Joseph P. Mechanisms of cadmium carcinogenesis, Toxicology and Applied Pharmacology. 2009; 238(3): рр. 272–279.

6. YavorovskY O.P., Tkachyshyn V.S., Arustamian O.M., Kostuchenko A.M., Soloha N.V Nanomaterials and nanoparticules: structure, physic-chemical and toxico-logical properties, impact on the organism of the workers, Environmental and heath. 2016; vol. 3(79): 29–36.

7. Liu L., Sun M., Li Q., Zhang H., Alvarez PJ., Liu H., Chen W. Genotoxicity and Cytotoxicity of Cadmium Sulfide Nanomaterials to Mice: Comparison Between Nanorods and Nanodots, Environmental Engineering Science. 2014; vol. 31(7): 373–380.

8. Kozhevnikova N.S., Vorokh A.S., Uritskaya A.A. Cadmium sulfide nanoparticles prepared by chemical bath deposition, Russian Chemical Reviews, 2015; vol. 84 (3): 225–250.

 

Надійшла до редакції 01.08.2017 р.