Оценка потенциальной опасности для здоровья человека наночастиц оксида цинка

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2024-4-11.pdf
УДК: 
613.632.2; 615.916; 661.847.22
DOI: 
10.21668/health.risk/2024.4.11
Авторы: 

М.С. Степанков1, М.А. Землянова1,2

Организация: 

1Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Российская Федерация, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82
2Пермский государственный национальный исследовательский университет, Российская Федерация, 614068, г. Пермь, ул. Букирева, 15

Аннотация: 

Широкое внедрение наноматериалов в различные сферы хозяйственной деятельности и связанное с этим загрязнение объектов среды обитания формируют риски здоровью населения и работающих. Наночастицы обладают отличными от микроразмерных химических аналогов физико-химическими свойствами, что может обусловливать более выраженные негативные эффекты при поступлении в организм. В связи с этим оценка безопасности продукции наноиндустрии является актуальной гигиенической проблемой и основой для разработки рекомендаций, направленных на минимизацию риска здоровью.

Осуществлена оценка потенциальной опасности наноматериала для здоровья человека на примере наночастиц оксида цинка (НЧ ZnO). Потенциальную опасность НЧ ZnO оценивали по комплексу показателей на основе реализации прогнозно-аналитической процедуры в соответствии с МР 1.2.2522-09.

Оцененный комплекс свойств частиц ZnO свидетельствует, что они относятся к частицам наноразмерного диапазона (от 6 до 100 нм). Показано, что при пенетрации клеточной мембраны НЧ ZnO увеличивают продукцию свободных радикалов, вызывающих повреждение надмолекулярных структур. Трансформируют протеомный профиль и метаболические реакции, изменяя экспрессию белков, регулирующих целостность цитоскелета, ядерного матрикса и апоптического процесса, что приводит к гибели клеток. Клеточно-молекулярные изменения отражаются в морфофункциональных нарушениях тканей органов бионакопления (печень, почки и легкие) НЧ. Негативные эффекты проявляются в виде окислительно-восстановительного дисбаланса, цитолиза, нарушения процессов фильтрации, снижения клеточного иммунитета и, как следствие, развития воспалительных, дистрофических и некротических процессов. Реализация прогнозноаналитической процедуры показала, что НЧ ZnO являются потенциально высокоопасными для здоровья человека (по показателю коэффициент опасности D = 2,102).

Высокая степень потенциальной опасности для здоровья человека свидетельствует, что для полноты гигиенической оценки безопасности НЧ ZnO необходимо исследование отдаленных и специфических эффектов действия. Это позволит повысить эффективность разработки мер профилактики, направленных на минимизацию рисков здоровью НЧ ZnO населения и работающих.

Ключевые слова: 
наночастицы, оксид цинка, потенциальная опасность, здоровье человека, критериальный анализ, прогнозно-аналитическая процедура, оценка признаков, токсичность
Степанков М.С., Землянова М.А. Оценка потенциальной опасности для здоровья человека наночастиц оксида цинка // Анализ риска здоровью. – 2024. – № 4. – С. 123–134. DOI: 10.21668/health.risk/2024.4.11
Список литературы: 
  1. Band structure, morphology, functionality, and size- dependent properties of metal nanoparticles / J.A. Adekoya, K.O. Ogunniran, T.O. Siyanbola, E.O. Dare, N. Revaprasadu // In book: Noble and precious metals – properties, nanoscale effects and applications / ed. by M.S. Seehra, A.D. Bristow. – 2018. – P. 15–42. DOI: 10.5772/intechopen.72761
  2. Dependence of nanoparticle toxicity on their physical and chemical properties / A. Sukhanova, S. Bozrova, P. Sokolov, M. Berestovoy, A. Karaulov, I. Nabiev // Nanoscale Res. Lett. – 2018. – Vol. 13, № 1. – P. 44. DOI: 10.1186% 2Fs11671-018-2457-x
  3. Green synthesis of zinc oxide nanoparticles using Hibiscus subdariffa leaf extract: effect of temperature on synthesis, anti-bacterial activity and anti-diabetic activity / N. Bala, S. Saha, M. Chakraborty, M. Maiti, S. Das, R. Basub, P. Nandy // RCS Advances. – 2015. – Vol. 5, № 7. – P. 4993–5003. DOI: 10.1039/C4RA12784F
  4. Zinc oxide nanoparticles improved chlorophyll contents, physical parameters, and wheat yield under salt stress / M. Adil, S. Bashir, S. Bashir, Z. Aslam, N. Ahmad, T. Younas, R.M.A. Asghar, J. Alkahtani [et al.] // Front. Plant. Sci. – 2022. – Vol. 13. – P. 932861. DOI: 10.3389/fpls.2022.932861
  5. The versatility of green synthesized zinc oxide nanoparticles in sustainable agriculture: A review on metal-microbe interaction that rewards agriculture / A. Gauba, S.K. Hari, V. Ramamoorthy, S. Vellasamy, G. Govindan, M.V. Arasu // Physiological and Molecular Plant Pathology. – 2023. – Vol. 125. – P. 102023. DOI: 10.1016/j.pmpp.2023.102023
  6. Youn S.-M., Choi S.-J. Food additive zinc oxide nanoparticles: dissolution, interaction, fate, cytotoxicity, and oral toxicity // Int. J. Mol. Sci. – 2022. – Vol. 23, № 11. – P. 6074. DOI: 10.3390/ijms23116074
  7. Espitia P.J.P., Otoni C.G., Soares N.F.F. Zinc oxide nanoparticles for food packaging applications // In book: Antimicrobial Food Packaging / ed. by J. Barros-Velázquez. – Elsevier, 2016. – P. 425–431. DOI: 10.1016/B978-0-12-800723-5.00034-6
  8. Zinc oxide nanostructures in the textile industry / H.M.D. Nisansala, G.K.M. Rajapaksha, D.G.N.V. Dikella, M.J. Dheerasinghe, N.M.S. Sirimuthu, C.N.K. Patabendige // Indian Journal of Science and Technology. – 2021. – Vol. 14, № 46. – P. 3370–3395. DOI: 10.17485/IJST/v14i46.1052
  9. Beneficial and toxicological aspects of zinc oxide nanoparticles in animals / H.S. Rahman, H.H. Othman, R. Abdullah, H.Y.A.S. Edin, N.A. Al-Haj // Vet. Med. Sci. – 2022. – Vol. 8, № 4. – P. 1769–1779. DOI: 10.1002/vms3.814
  10. Землянова М.А., Зайцева Н.В., Степанков М.С. Исследование и оценка подострой токсичности наночастиц оксида молибдена (VI) при ингаляционном пути поступления в организм крыс линии Wistar в сравнении с микро-размерным химических аналогом // Гигиена и санитария. – 2023. – Т. 102, № 10. – С. 1119–1124. DOI: 10.47470/0016-9900-2023-102-10-1119-1124
  11. 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
  12. Comparative absorption, distribution, and excretion of titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles after repeated oral administration / W.-S. Cho, B.-C. Kang, J.K. Lee, J. Jeong, J.-H. Che, S.H. Seok // Part. Fibre Toxicol. – 2013. – Vol. 10. – P. 9. DOI: 10.1186/1743-8977-10-9
  13. ZnO Interactions with biomatrices: effect of particle size on ZnO-protein corona / J. Yu, H.-J. Kim, M.-R. Go, S.-H. Bae, S.-J. Choi // Nanomaterials (Basel). – 2017. – Vol. 7, № 11. – P. 377. DOI: 10.3390/nano7110377
  14. High adsorption capability and selectivity of ZnO nanoparticles for dye removal / F. Zhang, X. Chen, F. Wu, Y. Ji // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2016. – Vol. 509. – P. 474–483. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2016.09.059
  15. Adsorption behavior and mechanism of methyl blue on zinc oxide nanoparticles / F. Zhang, J. Lan, Y. Yang, T. Wei, R. Tan, W. Song // J. Nanopart. Res. – 2013. – Vol. 15, № 11. – P. 2034. DOI: 10.1007/s11051-013-2034-2
  16. Pharmacokinetics, tissue distribution, and excretion of zinc oxide nanoparticles / M. Baek, H.-E. Chung, J. Yu, J.-A. Lee, T.-H. Kim, J.-M. Oh, W.-J. Lee, S.-M. Paek [et al.] // Int. J. Nanomedicine. – 2012. – Vol. 7. – P. 3081–3097. DOI: 10.2147% 2FIJN.S32593
  17. Acute toxicity of ferric oxide and zinc oxide nanoparticles in rats / L. Wang, L. Wang, W. Ding, F. Zhang // J. Nanosci. Nanotechnol. – 2010. – Vol. 10, № 12. – P. 8617–8624. DOI: 10.1166/jnn.2010.2483
  18. The cell membrane as the barrier in the defense against nanoxenobiotics: Zinc oxide nanoparticles interactions with native and model membrane of melanoma cells / A. Czyzowska, A. Barbasz, E. Rudilphi-Szydlo, B. Dyba // J. Appl. Toxicol. – 2022. – Vol. 42, № 2. – P. 334–341. DOI: 10.1002/jat.4216
  19. Sharma V., Anderson D., Dhawan A. Zinc oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and ROS-triggered mitochondria mediated apoptosis in human liver cells (HepG2) // Apoptosis. – 2012. – Vol. 17, № 8. – P. 852–870. DOI: 10.1007/s10495-012-0705-6
  20. Zinc oxide nanoparticles effectively regulate autophagic cell death by activating autophagosome formation and interfering with their maturation / Z. Liu, X. Lv, L. Xu, X. Liu, X. Zhu, E. Song, Y. Song // Part. Fibre Toxicol. – 2020. – Vol. 17. № 1. – P. 46. DOI: 10.1186/s12989-020-00379-7
  21. From the cover: zinc oxide nanoparticles-induced reactive oxygen species promotes multimodal cyto- and epigenetic toxicity / S.R. Choudhury, J. Ordaz, C.-L. Lo, N.P. Damayanti, F. Zhou, J. Irudayaraj // Toxicol. Sci. – 2017. – Vol. 156, № 1. – P. 261–274. DOI: 10.1093/toxsci/kfw252
  22. Zinc oxide nanoparticles induced gene mutation at the HGPRT locus and cell cycle arrest associated with apoptosis in V-79 cells / A.K. Jain, D. Singh, K. Dubey, R. Maurya, A.K. Pandey // J. Appl. Toxicol. – 2019. – Vol. 39, № 5. – P. 735–750. DOI: 10.1002/jat.3763
  23. Attia H., Nounou H., Shalaby M. Zinc oxide nanoparticles induced oxidative DNA damage, inflammation and apoptosis in rat’s brain after oral exposure // Toxics. – 2018. – Vol. 6, № 2. – P. 29. DOI: 10.3390/toxics6020029
  24. Zinc oxide nanoparticles induce DNA damage in sand dollar Scaphechinus mirabilis sperm / S.P. Kukla, V.P. Chelomin, A.A. Mazur, V.V. Slobodskova // Toxics. – 2022. – Vol. 10, № 7. – P. 348. DOI: 10.3390/toxics10070348
  25. Singh K.P., Dhasmana A., Rahman Q. Elucidation the toxicity mechanism of zinc oxide nanoparticle using molecular docking approach with proteins // Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research. – 2018. – Vol. 11, № 3. – P. 441–446. DOI: 10.22159/ajpcr.2018.v11i3.23384
  26. Singh R., Cheng S., Singh S. Oxidative stress-mediated genotoxic effect of zinc oxide nanoparticles on Deinococcus radiodurans // 3 Biotech. – 2020. – Vol. 10, № 2. – P. 66. DOI: 10.1007/s13205-020-2054-4
  27. Babele P.K. Zinc oxide nanoparticles impose metabolic toxicity by de-regulating proteome and metabolome in Saccharomyces cerevisiae // Toxicol. Rep. – 2019. – Vol. 6. – P. 64–73. DOI: 10.1016/j.toxrep.2018.12.001
  28. Hsiao I.-L., Huang Y.-J. Effects of various physicochemical characteristics on the toxicities of ZnO and TiO nanoparticles toward human lung epithelial cells // Sci. Total Environ. – 2011. – Vol. 409, № 7. – P. 1219–1228. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2010.12.033
  29. In vitro cytotoxicity effects of zinc oxide nanoparticles on spermatogonia cells / A.R. Pinho, F. Martins, M.E.V. Costa, A.M.R. Senos, O.A.B. da Cruz E Silva, M. de Lourdes Pereira, S. Rebelo // Cells. – 2020. – Vol. 9, № 5. – P. 1081. DOI: 10.3390/cells9051081
  30. Zinc oxide nanoparticles hepatotoxicity: histological and histochemical study / M.I. Almansour, M.A. Alferah, Z.A. Shraideh, B.M. Jarrar // Environ. Toxicol. Pharmacol. – 2017. – Vol. 51. – P. 124–130. DOI: 10.1016/j.etap.2017.02.015
  31. Lethality of zinc oxide nanoparticles surpasses conventional zinc oxide via oxidative stress, mitochondrial damage and calcium overload: a comparative hepatotoxicity study / X. Pei, H. Jiang, G. Xu, C. Li, D. Li, S. Tang // Int. J. Mol. Sci. – 2022. – Vol. 23, № 12. – P. 6724. DOI: 10.3390/ijms23126724
  32. Zinc oxide nanoparticles cause nephrotoxicity and kidney metabolism alterations in rats / G. Yan, Y. Huang, Q. Bu, L. Lv, P. Deng, J. Zhou, Y. Wang, Y. Yang [et al.] // J. Environ. Sci. Health A Tox. Hazard. Subst. Environ. Eng. – 2012. – Vol. 47, № 4. – P. 577–588. DOI: 10.1080/10934529.2012.650576
  33. Acute lung inflammation induced by zinc oxide nanoparticles: evolution and intervention via NRF2 activator / T. Guo, X. Fang, Y. Liu, Y. Ruan, Y. Hu, X. Wang, Y. Hu, G. Wang, Y. Xu // Food Chem. Toxicol. – 2022. – Vol. 162. – P. 112898. DOI: 10.1016/j.fct.2022.112898
  34. Immunotoxicity of zinc oxide nanoparticles with different size and electrostatic charge / C.-S. Kim, H.-D. Nguyen, R.M. Ignacio, J.-H. Kim, H.-C. Cho, E.H. Maeng, Y.-R. Kim, M.-K. Kim [et al.] // Int. J. Nanomedicine. – 2014. – Vol. 9, Suppl. 2. – P. 195–205. DOI: 10.2147/ijn.s57935
  35. Fluorescent reconstitution on deposition of PM2.5 in lung and extrapulmonary organs / D. Li, Y. Li, G. Li, Y. Zhang, J. Li, H. Chen // Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 2019. – Vol. 116, № 7. – P. 2488–2493. DOI: 10.1073/pnas.1818134116
Получена: 
07.10.2024
Одобрена: 
05.11.2024
Принята к публикации: 
17.12.2024

Вы здесь

Главная