Сравнительная оценка цитотоксичности медь- и цинксодержащих наночастиц как факторов риска здоровью при изолированной и комбинированной экспозиции in vivo

Файл статьи: 
Иконка PDF health-risk-analysis-2025-4-12.pdf
УДК: 
613.634; 615.916; 691.735; 546.562; 546.47
DOI: 
10.21668/health.risk/2025.4.12
Авторы: 

М.А. Землянова1,2, М.С. Степанков1

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: 

Обеспечение здорового и активного долголетия является одним из критических направлений научно-технологического развития Российской Федерации. В связи с этим гигиеническая оценка опасности для здоровья населения новых материалов, в том числе наноразмерного диапазона, является высокоактуальной. В настоящее время активно расширяется спектр использования материалов, содержащих наночастицы (НЧ) меди и цинка в составе сплава (Cu-Zn) и изолированном состоянии (CuO, ZnO), что приводит к экспозиции населения, формирующей риски здоровью. Предварительная оценка показала высокую степень потенциальной опасности НЧ Cu-Zn, обусловленную в том числе модифицированной цитотоксичностью относительно микрочастиц (МЧ) химического аналога, благодаря наноразмерной фазе, и относительно изолированных НЧ, что связано с взаимодействием элементов при комбинированном поступлении в организм. Это определяет необходимость проведения исследований, направленных на сравнительную оценку и анализ модифицированной цитотоксичности сплава НЧ Cu-Zn относительно МЧ и изолированных НЧ in vivo.

Исследование выполнено на крысах линии Wistar, экспонированных однократно интратрахеально суспензиями в объеме 0,4 см3, содержащими НЧ Cu-Zn, CuO, ZnO или МЧ Cu-Zn в концентрации 0,013 г/см3. Сравнительную оценку цитотоксичности проводили через 24 ч по изменению состава клеточной популяции в жидкости бронхоальвеолярного лаважа.

В результате верификации физических свойств подтверждена принадлежность тестируемых материалов к продукции наноиндустрии. НЧ Cu-Zn отличаются от МЧ по показателям размера, удельной площади поверхности и суммарного объема пор (до 2118 раз). Цитотоксический эффект изолированных НЧ CuO и ZnO выявлен по увеличению содержания альвеолярных макрофагов (в 1,9 раза относительно контрольных данных); уменьшению содержания нейтрофильных лейкоцитов, моноцитов, лимфоцитов и соотношения нейтрофилов с макрофагами (до 3,5 раза). НЧ сплава Cu-Zn обладают большей степенью цитотоксичности относительно МЧ (до 6,1 раза) и относительно изоли-рованных НЧ (до 29 раз), что установлено по увеличению содержания нейтрофильных лейкоцитов и их соотношения к макрофагам; снижению содержания альвеолярных макрофагов, моноцитов и лимфоцитов.

Таким образом, подтверждена высокая степень опасности медь- и цинксодержащих НЧ, проявляющаяся в том числе в виде цитотоксичности при интратрахеальной экспозиции in vivo. В составе наносплава Cu-Zn цитотоксический эффект усиливается относительно МЧ благодаря наноразмерной фазе и относительно изолированных НЧ в результате синергического взаимодействия элементов. Полученные результаты расширяют гигиенические представления о цитотоксичности медь- и цинксодержащих НЧ при изолированной и комбинированной экспозиции in vivo, что позволяет повысить эффективность научного обоснования мер профилактики и снижения риска для здоровья населения в условиях экспозиции.

Ключевые слова: 
наночастицы, микрочастицы, латунь, оксид меди, оксид цинка, экспозиция, цитотоксичность, бронхоальвеолярный лаваж, крысы
Землянова М.А., Степанков М.С. Сравнительная оценка цитотоксичности медь- и цинксодержащих наночастиц как факторов риска здоровью при изолированной и комбинированной экспозиции in vivo // Анализ риска здоровью. – 2025. – № 4. – С. 123–132. DOI: 10.21668/health.risk/2025.4.12
Список литературы: 
  1. Sajid M. Nanomaterials: types, properties, recent advances, and toxicity concerns // Curr. Opin. Environ. Sci. Health. – 2022. – Vol. 25. – P. 100319. DOI: 10.1016/j.coesh.2021.100319
  2. Properties, synthesis, and characterization of Cu-based nanomaterials / V. Molahalli, A. Sharma, K. Bijapur, G. Soman, A. Shetty, B. Sirichandana, B.G. Maya Patel, N. Chattham, G. Hegde // In book: Copper-based nanomaterials in organic transfor-mations / ed. by A. Srivastava, A. Srivastava. – 2024. – Vol. 1466. – Chapter 1. – P. 1–33. DOI: 10.1021/bk-2024-1466.ch001
  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. Basu, P. Nandy // RSC 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 in-teraction that rewards agriculture / A. Gauba, S.K. Hari, V. Ramamoorthy, S. Vellasamy, G. Govindan, M.V. Arasu // Physio-logical and Molecular Plant Pathology. – 2023. – Vol. 125. – P. 102023. DOI: 10.1016/j.pmpp.2023.102023
  6. Investigation on tribological behaviors of biodegradable pure Zn and Zn-X (Li, Cu, Ge) binary alloys / H. Li, J. Huang,
    P. Zhang, Q. Zhang // J. Mater. Sci. Mater. Med. – 2021. – Vol. 32, № 12. – P. 149. DOI: 10.1007/s10856-021-06625-4
  7. 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
  8. Effects of high-dosage copper oxide nanoparticles addition in diesel fuel on engine characteristics / U. Agbulut, S. Saridemir, U. Rajak, F. Polat, A. Afzal, T.N. Verma // Energy. – 2021. – Vol. 229. – P. 120611. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120611
  9. Synthesis, biomedical applications, and toxicity of CuO nanoparticles / S. Naz, A. Gul, M. Zia, R. Javed // Appl. Mi-crobiol. Biotechnol. – 2023. – Vol. 107, № 4. – P. 1039–1061. DOI: 10.1007/s00253-023-12364-z
  10. 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
  11. Copper- and zinc-based coordination polymers toward the development of more efficient agrochemicals /
    S. Morales-Camara, D. Choquesillo-Lazarte, B. Fernandez, A. Rodriguez-Dieguez, P. Salcedo-Abraira, S. Rojas // ACS Omega. – 2025. – Vol. 10, № 11. – P. 11274–11281. DOI: 10.1021/acsomega.4c10977
  12. Научное прогнозирование токсичности и оценка потенциальной опасности наночастиц оксида меди (II) для здоровья человека / Н.В. Зайцева, М.А. Землянова, М.С. Степанков, А.М. Игнатова // Экология человека. – 2021. – Т. 28, № 11. – C. 50–57. DOI: 10.33396/1728-0869-2021-11-50-57
  13. 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
  14. Toxicity of zinc oxide nanoparticles: cellular and behavioral effects / N. Fernandez-Bertolez, A. Alba-Gonzalez, A. Touzani, L. Ramos-Pan, J. Mendez, A.T. Reis, A. Quelle-Regaldie, L. Sanchez [et al.] // Chemosphere. – 2024. – Vol. 363. – P. 142993. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2024.142993
  15. Singh K.P., Dhasmana A., Rahman Q. Elucidation the toxicity mechanism of zinc oxide nanoparticle using molecular docking approach with proteins // Asian J. Pharm. Clin. Res. – 2018. – Vol. 11, № 3. – P. 441–446. DOI: 10.22159/ajpcr.2018.v11i3.23384
  16. Babele P.K. Zinc oxide nanoparticles impose metabolic toxicity by de-regulating proteome and metabolome in Sac-charomyces cerevisiae // Toxicol. Rep. – 2019. – Vol. 6. – P. 64–73. DOI: 10.1016/j.toxrep.2018.12.001
  17. Surface characteristics, copper release, and toxicity of nano- and micrometer-sized copper and copper (II) oxide par-ticles: a cross-disciplinary study / K. Midander, P. Cronholm, H.L. Karlsson, K. Elihn, L. Moller, C. Leygraf, I.O. Wallinder // Small. – 2009. – Vol. 5, № 3. – P. 389–399. DOI: 10.1002/smll.200801220
  18. Strauch B.M., Hubele W., Hartwig A. Impact of endocytosis and lysosomal acidification on the toxicity of copper oxide nano- and microsized particles: uptake and gene expression related to oxidative stress and the DNA damage response // Nanomaterials (Basel). – 2020. – Vol. 10, № 4. – P. 679. DOI: 10.3390/nano10040679
  19. Copper oxide nanoparticles induced mitochondria mediated apoptosis in human hepatocarcinoma cells / M.A. Siddiqui, H.A. Alhadlaq, J. Ahmad, A.A. Al-Khedhairy, J. Musarrat, M. Ahamed // PLoS One. – 2013. – Vol. 8, № 8. – P. e69534. DOI: 10.1371/journal.pone.0069534
  20. 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
  21. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes / H.L. Karlsson, P. Cronholm, J. Gustafsson, L. Moller // Chem. Res. Toxicol. – 2008. – Vol. 21, № 9. – P. 1726–1732. DOI: 10.1021/tx800064j
  22. Evaluation of in vitro cytotoxicity and genotoxicity of copper–zinc alloy nanoparticles in human lung epithelial cells / U. Kumbicak, T. Cavas, N. Cinkilic, Z. Kumbicak, O. Vatan, D. Yilmaz // Food Chem. Toxicol. – 2014. – Vol. 73. – P. 105–112. DOI: 10.1016/j.fct.2014.07.040
  23. Анализ риска здоровью в стратегии государственного социально-экономического развития: монография в 2 т. / Г.Г. Онищенко, Н.В. Зайцева, А.Ю. Попова, И.В. Май, О.Ю. Устинова, П.В. Трусов, Т.Х.Х. Ле, С.В. Клейн [и др.]; под общ. ред. Г.Г. Онищенко, Н.В. Зайцевой. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.; Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2024. – Т. 1. – 580 с.
  24. Методические подходы к оценке дополнительного риска развития заболеваний и потерь ожидаемой продол-жительности жизни в условиях комбинированного воздействия загрязняющих веществ / Н.В. Зайцева, Ю.В. Кольдибе-кова, М.А. Землянова, В.М. Чигвинцев, В.М. Ухабов // Анализ риска здоровью. – 2025. – № 1. – С. 4–15. DOI: 10.21668/health.risk/2025.1.01
  25. Nanoparticle entry into cells; the cell biology weak link / G. Griffiths, J. Gruenberg, M. Marsh, J. Wohlmann, A.T. Jones, R.G. Parton // Adv. Drug Deliv. Rev. – 2022. – Vol. 188. – P. 114403. DOI: 10.1016/j.addr.2022.114403
  26. Comparison of in vitro nanoparticles uptake in various cell lines and in vivo pulmonary cellular transport in intratra-cheally dosed rat model / Y. Lai, P.-C. Chiang, J.D. Blom, N. Li, K. Shevlin, T.G. Brayman, Y. Hu, J.G. Selbo, L.G. Hu // Na-noscale Res. Lett. – 2008. – Vol. 3, № 9. – P. 321–329. DOI: 10.1007/s11671-008-9160-2
  27. Comparative evaluation of acute toxicity of nanoparticles of zinc, copper and their nanosystems using Stylonychia mytilus / E. Rusakova, D. Kosyan, E. Sizova, S. Miroshnikov, O. Sipaylova // Orient. J. Chem. – 2015. – Vol. 31, № 1. – P. 105–112. DOI: 10.13005/ojc/31.Special-Issue1.13
  28. 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
  29. Copper oxide nanoparticles trigger macrophage cell death with misfolding of Cu/Zn superoxide dismutase 1 (SOD1) / G. Gupta, F. Cappellini, L. Farcal, R. Gornati, G. Bernardini, B. Fadeel // Part. Fibre Toxicol. – 2022. – Vol. 19, № 1. – P. 33. DOI: 10.1186/s12989-022-00467-w
  30. Boyadzhiev A., Halappanavar S. Acute toxicity of metal oxide nanoparticles – role of intracellular localization in vitro in lung epithelial cells // Int. J. Mol. Sci. – 2025. – Vol. 26, № 17. – P. 8451. DOI: 10.3390/ijms26178451
  31. Biological mechanism of cell oxidative stress and death during short-term exposure to nano CuO / E. Moschini, G. Colombo, G. Chirico, G. Capitani, I. Dalle-Donne, P. Mantecca // Sci. Rep. – 2023. – Vol. 13, № 1. – P. 2326. DOI: 10.1038/s41598-023-28958-6
  32. Niu Y., Tang M. In vitro review of nanoparticles attacking macrophages: Interaction and cell death // Life Sci. – 2022. – Vol. 307. – P. 120840. DOI: 10.1016/j.lfs.2022.120840
  33. Kaur M., Singh D. Neutrophil chemotaxis caused by chronic obstructive pulmonary disease alveolar macrophages: the role of CXCL8 and the receptors CXCR1/CXCR2 // J. Pharmacol. Exp. Ther. – 2013. – Vol. 347, № 1. – P. 173–180. DOI: 10.1124/jpet.112.201855
  34. Cytotoxicity evaluation of environmentally friendly synthesis Copper/Zinc bimetallic nanoparticles on MCF-7 cancer cells / F.A. Zadeh, D.O. Bokov, O.D. Salahdin, W.K. Abdelbasset, M.A. Jawad, M.M. Kadhim, M.T. Qasim, H.H. Kzar [et al.] // Rend. Lincei Sci. Fis. – 2022. – Vol. 33, № 2. – P. 441–447. DOI: 10.1007/s12210-022-01064-x
  35. Green synthesis of bimetallic ZnO–CuO nanoparticles and their cytotoxicity properties / Y. Cao, H.A. Dhahad, M.A. El-Shorbagy, H.Q. Alijani, M. Zakeri, A. Heydari, E. Bahonar, M. Slouf [et al.] // Sci. Rep. – 2021. – Vol. 11, № 1. – P. 23479. DOI: 10.1038/s41598-021-02937-1
  36. Cell membrane damage and protein interaction induced by copper containing nanoparticles – Importance of the metal release process / H.L. Karlsson, P. Cronholm, Y. Hedberg, M. Tornberg, L. De Battice, S. Svedhem, I.O. Wallinder // Toxicology. – 2013. – Vol. 313, № 1. – P. 59–69. DOI: 10.1016/j.tox.2013.07.012
  37. Zinc-copper bimetallic nanoplatforms trigger photothermal-amplified cuproptosis and cGAS-STING activation for enhancing triple-negative breast cancer immunotherapy / B. Zhou, M. Chen, Z. Hao, L. Li, Y. Zhang, B. Fang, M. Shao, G. Ren [et al.] // J. Nanobiotechnology. – 2025. – Vol. 23, № 1. – P. 137. DOI: 10.1186/s12951-025-03186-4
  38. Evaluation of biologically synthesized Au-CuO and CuO-ZnO nanoparticles against glioma cells and microorganisms / R. Dobrucka, M. Kaczmarek, M. Lagiedo, A. Kielan, J. Dlugaszewska // Saudi Pharm. J. – 2019. – Vol. 27, № 3. – P. 373–383. DOI: 10.1016/j.jsps.2018.12.006
Получена: 
29.10.2025
Одобрена: 
12.11.2025
Принята к публикации: 
26.12.2025

Вы здесь

Главная