Оценка особенностей бионакопления и токсического действия наночастиц оксида меди (ii) на органы дыхания при ингаляционном поступлении в организм в сравнении с микроразмерным химическим аналогом для задач профилактики

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2023-4-12.pdf
УДК: 
613.632.2; 546.562; 615.916
DOI: 
10.21668/health.risk/2023.4.12
Авторы: 

М.С. Степанков

Организация: 

Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Российская Федерация, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82

Аннотация: 

В настоящее время актуальным является уточнение параметров и особенностей негативных эффектов дей-ствия наночастиц оксида меди (НЧ CuO) на органы дыхания при ингаляционном пути поступления в организм для разработки эффективных профилактических мер.

Осуществлена оценка особенностей бионакопления и характера токсического действия НЧ CuO на органы дыхания в сравнении с микроразмерным химическим аналогом при экспериментальном моделировании ингаляционной экспозиции для задач профилактики.

Определены значения физических параметров тестируемых материалов. Экспериментальное исследование проведено на крысах линии Wistar. Животных подвергали однократной ингаляционной экспозиции в течение 4 ч в концентрации ~4 мг/м3; субхронической ингаляционной экспозиции в концентрации 1,2–1,4 мг/м3; однократной интратрахеальной экспозиции в дозе 0,005 г на крысу. Изучены особенности бионакопления НЧ, их влияния на состав клеточной популяции жидкости бронхоальвеолярного лаважа (БАЛЖ), развития патоморфологических нарушений в тканях и массу легких в сравнении с микрочастицами (МЧ). НЧ CuO в сравнении с МЧ обладают меньшим размером, гидродинамическим диаметром, большей удельной площадью поверхности и суммарным объемом пор, что обусловливает большую проникающую способность НЧ. Бионакопление в легких при однократной ингаляционной экспозиции сопоставимо между НЧ и МЧ. При многократной экспозиции НЧ проявляют большую степень бионакопления. Однократное интратрахеальное воздействие вызывает более выраженные изменения состава клеточной популяции в жидкости БАЛЖ. При экспозиции НЧ в легких наблюдается эмфизема, отек и экссудация эритроцитов, не выявленные при экспозиции МЧ.

Таким образом, НЧ CuO при однократной интратрахеальной (0,005 г на крысу) и субхронической ингаляционной экспозиции (1,2 мг/м3) обладают большей степенью бионакопления и токсического действия на органы дыхания (легкие) в сравнении с микроразмерным химическим аналогом. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке мер, направленных на профилактику развития негативных эффектов со стороны органов дыхания при ингаляционной экспозиции изучаемым наноматериалом.

Ключевые слова: 
оксид меди (II), наночастицы, микрочастицы, ингаляционная экспозиция, бионакопление, негативные эффекты, клеточно-фагоцитарная активность, крысы линии Wistar
Степанков М.С. Оценка особенностей бионакопления и токсического действия наночастиц оксида меди (II) на органы дыхания при ингаляционном поступлении в организм в сравнении с микроразмерным химическим аналогом для задач профилактики // Анализ риска здоровью. – 2023. – № 4. – С. 124–133. DOI: 10.21668/health.risk/2023.4.12
Список литературы: 
  1. Mobasser S., Firoozi A.A. Review of nanotechnology applications in science and engineering // J. Civil Eng. Urban. – 2017. – Vol. 6, № 4. – P. 84–93.
  2. Khan I., Saeed K., Khan I. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities // Arabian Journal of Chemistry. – 2019. – Vol. 12, № 7. – P. 908–931. DOI: 10.1016/j.arabjc.2017.05.011
  3. Зайцева Н.В., Землянова М.А. Гигиеническая индикация последствий для здоровья при внешнесредовой экспозиции химических факторов: монография / под ред. Г.Г. Онищенко. – Пермь: Книжный формат, 2011. – 532 с.
  4. Золина Л.И., Грачёва К.О. Физико-химические и биохимические свойства металлических наночастиц и их применение // Industrial Processes and Technologies. – 2022. – Т. 2, № 1. – С. 29–38. DOI: 10.37816/2713-0789-2022-2-1-29-38
  5. Ковалёва Н.Ю., Раевская Е.Г., Рощин А.В. Проблемы безопасности наноматериалов: нанобезопасность, нанотоксикология, наноинформатика // Химическая безопасность. – 2017. – Т. 1, № 2. – С. 44–87. DOI: 10.25514/CHS.2017.2.10982
  6. Global nano copper oxide market report 2022 to 2027: industry trends, share, size, growth, opportunities and forecasts [Электронный ресурс] // Research and Markets. – URL: https://www.globenewswire.com/news-release/2022/12/23/2579082/0/
    en/Global-Nano-Copper-Oxide-Market-Report-2022-to-2027-Industry-Trends-Share-Size-Growth-Opportunities-and-Forecasts.html (дата обращения: 30.08.2023).
  7. Synthesis, biomedical applications, and toxicity of CuO nanoparticles / S. Naz, A. Gul, M. Zia, R. Javed // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2023. – Vol. 107. – P. 1039–1061. DOI: 10.1007/s00253-023-12364-z
  8. Vats M., Bhardwaj S., Chhabra A. Green synthesis of copper oxide nanoparticles using Cucumis sativus (Cucumber) extracts and their bio-physical and biochemical characterization for cosmetic and dermatologic applications // Endocrine, Metabolic & Immune Disorders Drug Targets. – 2021. – Vol. 21, № 4. – P. 726–733. DOI: 10.2174/1871530320666200705212107
  9. Copper oxide nanoparticle effects on root growth and hydraulic conductivity of two vegetable crops / A.J. Margenot, D.A. Rippner, M.R. Dumlao, S. Nezami, P.G. Green, S.J. Parikh, A.J. McElrone // Plant Soil. – 2018. – Vol. 431. – P. 333–345. DOI: 10.1007/s11104-018-3741-3
  10. Larvicidal and antifeedant effects of copper nano-pesticides against Spodoptera frugiperda (J.E. Smith) and its immunological response / A. Rahman, S. Pittarate, V. Perumal, J. Rajula, M. Thungrabeab, S. Mekchay, P. Krutmuang // Insects. – 2022. – Vol. 13, № 11. – P. 1030. DOI: 10.3390/insects13111030
  11. Nano-sized copper oxide enhancing the combustion of aluminum/kerosene-based nanofluid fuel droplets / W. Chen, B. Zhu, Y. Sun, P. Guo, J. Liu // Combustion and Flame. – 2022. – Vol. 240. – P. 112028. DOI: 10.1016/j.combustflame.2022.112028
  12. Rita A., Sivakumar A., Martin Britto Dhas S.A. Influence of shock waves on structural and morphological properties of copper oxide NPs for aerospace applications // J. Nanostruct. Chem. – 2019. – Vol. 9. – P. 225–230. DOI: 10.1007/s40097-019-00313-0
  13. Nano-copper induces oxidative stress and apoptosis in kidney via both extrinsic and intrinsic pathways / A. Sarkar, J. Das, P. Manna, P.C. Sil // Toxicology. – 2011. – Vol. 290, № 2–3. – P. 208–217. DOI: 10.1016/j.tox.2011.09.086
  14. SILAC-based quantitative proteomic analysis of human lung cell response to copper oxide nanoparticles / M.J. Edelmann, L.A. Shack, C.D. Naske, K.B. Walters, B. Nanduri // PLoS One. – 2014. – Vol. 9, № 12. – P. e114390. DOI: 10.1371/journal.pone.0114390
  15. Copper oxide nanoparticles: In vitro and in vivo toxicity, mechanisms of action and factors influencing their toxicology / H. Sajjad, A. Sajjad, R.T. Haya, M.M. Khan, M. Zia // Comp. Biochem. Physiol. C Toxicol. Pharmacol. – 2023. – Vol. 271. – P. 109682. DOI: 10.1016/j.cbpc.2023.109682
  16. Transformation of CuO nanoparticles in the aquatic environment: influence of pH, electrolytes and natural organic matter / C. Peng, C. Shen, S. Zheng, W. Yang, H. Hu, J. Liu, J. Shi // Nanomaterials (Basel). – 2017. – Vol. 7, № 10. – P. 326. DOI: 10.3390/nano7100326
  17. Time course of pulmonary inflammation and trace element biodistribution during and after sub-acute inhalation exposure to copper oxide nanoparticles in a murine model / S. Areecheewakul, A. Adamcakova-Dodd, E. Haque, X. Jing, D.K. Meyerholz, P.T. O’Shaughnessy, P.S. Thorne, A.K. Salem // Part. Fibre Toxicol. – 2022. – Vol. 19, № 1. – P. 40. DOI: 10.1186/s12989-022-00480-z
  18. Oberdoster G., Oberdoster E., Oberdoster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles // Environ. Health Perspect. – 2005. – Vol. 113, № 7. – P. 823–839. DOI: 10.1289/ehp.7339
  19. Назаренко Г.И, Кишкун А.А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. – М.: Медицина, 2006. – 544 с.
  20. Stanzel F. Bronchoalveolar Lavage // In book: Principles and Practice of Interventional Pulmonology / ed. by A. Ernst, F.J.F. Herth. – New York: Springer, 2013. – P. 165–176. DOI: 10.1007/978-1-4614-4292-9_16
  21. Anreddy R.N.R. Copper oxide nanoparticles induces oxidative stress and liver toxicity in rats following oral exposure // Toxicol. Rep. – 2018. – Vol. 5. – P. 903–904. DOI: 10.1016/j.toxrep.2018.08.022
  22. Hormesis Effects of Nano- and Micro-sized Copper Oxide / M. Keshavarzi, F. Khodaei, A. Siavashpour, A. Saeedi, A. Mohammadi-Bardbori // Iran. J. Pharm. Res. – 2019. – Vol. 18, № 4. – P. 2042–2054. DOI: 10.22037/ijpr.2019.13971.12030
  23. Mitochondrial reactive oxygen species promote production of proinflammatory cytokines and are elevated in TNFR1-associated periodic syndrome (TRAPS) / A.C. Bulua, A. Simon, R. Maddipati, M. Pelletier, H. Park, K.-Y. Kim, M.N. Sack, D.L. Kastner, R.M. Siegel // J. Exp. Med. – 2011. – Vol. 208, № 3. – P. 519–533. DOI: 10.1084/jem.20102049
  24. Khatami M. Developmental phases of inflammation-induced massive lymphoid hyperplasia and extensive changes in epithelium is an experimental model of allergy: implications for a direct link between inflammation and carcinogenesis // Am. J. Ther. – 2005. – Vol. 12. № 2. – P. 117–126. DOI: 10.1097/01.mjt.0000143699.91156.21
  25. Самсонова М.В., Черняев А.Л. Первичные лимфоидные поражения лёгких // Практическая пульмонология. – 2016. – № 3. – С. 71–75.
  26. Organ burden and pulmonary toxicity of nano-sized copper (II) oxide particles after short-term inhalation exposure / I. Gosens, F.R. Cassee, M. Zanella, L. Manodori, A. Brunelli, A.L. Costa, B.G.H. Bokkers, W.H. de Jong [et al.] // Nanotoxico-logy. – 2016. – Vol. 10, № 8. – P. 1084–1095. DOI: 10.3109/17435390.2016.1172678
  27. Goldklang M., Stockley R. Pathophysiology of Emphysema and Implications // Chronic Obstr. Pulm. Dis. – 2016. – Vol. 3, № 1. – P. 454–458. DOI: 10.15326/jcopdf.3.1.2015.0175
  28. Understanding the role of neutrophils in chronic inflammatory airway disease / A.E. Jasper, W.J. Mclver, E. Sapey, G.M. Walton // F1000 Res. – 2019. – Vol. 8. – P. 557. DOI: 10.12688/f1000research.18411.1
  29. Pulmonary infarction in acute pulmonary embolism / F.H.J. Kaptein, L.J.M. Kroft, G. Hammerschlag, M.K. Ninamber, M.P. Bauer, M.V. Huisman, F.A. Klok // Thromb. Res. – 2021. – Vol. 202. – P. 162–169. DOI: 10.1016/j.thromres.2021.03.022
  30. Pulmonary vascular dysfunction in metabolic syndrome / C. Willson, M. Watanabe, A. Tsuji-Hosokawa, A. Makino // J. Physiol. – 2019. – Vol. 597, № 4. – P. 1121–1141. DOI: 10.1113/JP275856
  31. Features of Bioaccumulation and Toxic Effects of Copper (II) Oxide Nanoparticles Under Repeated Oral Exposure in Rats / M.S. Stepankov, M.A. Zemlyanova, N.V. Zaitseva, A.M. Ignatova, A.E. Nikolaeva // Pharm. Nanotechnol. – 2021. – Vol. 9, № 4. – P. 288–297. DOI: 10.2174/2211738509666210728163901
Получена: 
20.08.2023
Одобрена: 
23.10.2023
Принята к публикации: 
20.12.2023

Вы здесь

Главная