medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2021-100-7-704-710medlit-1576Research ArticleМЕДИЦИНА ТРУДАOCCUPATIONAL HEALTHВлияние наночастиц оксида цинка на организм крыс в остром и подостром экспериментахImpact of toxicity effects of zinc oxide nanoparticles in rats within acute and subacute experimentshttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642СутунковаМ. П.SutunkovaMarina P.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0097-7845МинигалиеваИльзира АмировнаMinigalievaIlzira A.

Доктор биол. наук, зав. отд. токсикологии и биопрофилактики ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург.

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru

MD, PhD, Head of the Department of Toxicology and Bioprophylaxis, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, 620014, Yekaterinburg, Russia.

e-mail: ilzira-minigalieva@yandex.ru 

ilzira-minigalieva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1442-6737ПриваловаЛ. И.PrivalovaIuliia V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2677-0479РябоваЮ. В.RyabovaIuliia V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6819-3185МакеевО. Г.MakeyevOleg G.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7827-498XЗубаревИ. В.ZubarevIlia V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2574-7472ШишкинаЕ. В.ShishkinaEkaterina V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5872-2001БушуеваТ. В.BushuevaTatiana N.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8750-9624КацнельсонБ. А.KatsnelsonBoris A.noemail@neicon.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» РоспотребнадзораРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersRussian FederationГБОУ ВПО «Уральский государственный медицинский университет»РоссияUral State Medical UniversityRussian FederationМосковский физико-технический институт; ФБУН «Институт естественных наук и математики» УрФУРоссияMoscow Institute of Physics and Technology; Institute of Natural Sciences and MathematicsRussian FederationФБУН «Институт естественных наук и математики» УрФУРоссияInstitute of Natural Sciences and MathematicsRussian Federation2021230720211007704710Copyright © Сутункова М.П., Минигалиева И.А., Привалова Л.И., Рябова Ю.В., Макеев О.Г., Зубарев И.В., Шишкина Е.В., Бушуева Т.В., Кацнельсон Б.А., 20212021Сутункова М.П., Минигалиева И.А., Привалова Л.И., Рябова Ю.В., Макеев О.Г., Зубарев И.В., Шишкина Е.В., Бушуева Т.В., Кацнельсон Б.А.Sutunkova M.P., Minigalieva I.A., Privalova I.V., Ryabova I.V., Makeyev O.G., Zubarev I.V., Shishkina E.V., Bushueva T.N., Katsnelson B.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/1576Введение

Введение. В медеплавильном производстве, особенно при выплавке латуни и меди, воздух рабочих помещений загрязнен наночастицами оксида цинка. Цинк и его соединения обладают широким спектром токсического действия с многообразной клинической симптоматикой. В основе многих проявлений цинковой интоксикации лежат конкурентные отношения с рядом других металлов – в том числе кальцием, медью, железом. При длительном введении лабораторным грызунам цинка или его соединений проявляется влияние на активность ферментов, углеводный и минеральный обмен.

Материалы и методы

Материалы и методы. Субхроническая интоксикация при повторных внутрибрюшинных введениях и острая реакция глубоких дыхательных путей на однократное интратрахеальное введение наночастиц цинка моделировалась на аутбредных белых крысах-самцах. В обеих экспериментальных моделях использовались водные суспензии наночастиц оксидов цинка диаметром 30–80 нм. По завершении экспозиции состояние организма крыс во всех группах оценивалось по ряду общепризнанных критериев токсического действия. Статистический анализ полученных результатов проводился с использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты

Результаты. Показано развитие умеренной интоксикации в субхроническом эксперименте. Выявлены однородные ультраструктурные изменения ткани селезёнки, наиболее частыми из которых являются повреждение митохондрий с частичной или полной потерей крист. Статистически значимо увеличен коэффициент фрагментации ДНК. При однократном интратрахеальном введении наночастиц оксида цинка показано усиление аттракции способных к их фагоцитозу клеток (особенно нейтрофильных лейкоцитов) в глубокие дыхательные пути, что свидетельствует об их цитотоксическом действии.

Заключение

Заключение. Выявлено общетоксическое и цитотоксическое действие наночастиц оксида цинка на организм крыс.

Участие авторов

Участие авторов:

Сутункова М

Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи;

Минигалиева И

Минигалиева И.А. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи;

Привалова Л

Привалова Л.И. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи;

Рябова Ю

Рябова Ю.В. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка, подготовка рисунков;

Макеев О

Макеев О.Г. — сбор и обработка материала;

Зубарев И

Зубарев И.В. — сбор и обработка материала, подготовка рисунков;

Шишкина Е

Шишкина Е.В. — сбор и обработка материала;

Бушуева Т

Бушуева Т.В. — сбор и обработка материала; Кацнельсон Б.А. – концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Introduction

Introduction. Occupational air is contaminated with zinc oxide nanoparticles in the copper smelting industry, especially in the smelting of brass and copper. A wide range of toxic effects with varied clinical symptomatology is observed in zinc and its compounds. Competitive relations with many other metals, including calcium, copper, and iron, are the foundation of most cases of zinc intoxication. Long-term administration of zinc or its compounds to laboratory rodents affects enzymes, carbohydrates and mineral metabolism.

Materials and methods

Materials and methods. Subchronic intoxication with repeated intraperitoneal injections and acute low respiratory tract reaction to a single intratracheal injection of zinc nanoparticles were simulated in outbred white rats. Water suspensions of zinc oxide nanoparticles with a 30-80 nm diameter were applied in both experimental models. Upon completion of the exposure, the condition of the rats in all groups was evaluated in many generally accepted criteria for toxicity. The student’s t-test was applied for statistical analysis of the obtained data.

Results

Results. Moderate intoxication development in a subchronic experiment is demonstrated. Homogeneous ultrastructural changes in the spleen tissue were revealed. Mitochondrial damage with partial or complete loss of crista is the most common. The fragmentation ratio of DNA was found by a statistically significant increase. A single intratracheal injection of zinc oxide nanoparticles revealed the increase in the attraction of cells capable of their phagocytosis (mainly neutrophils) into the low respiratory tract. This shows their cytotoxicity.

Conclusion

Conclusion. Moderate general toxic and cytotoxic effects of zinc oxide nanoparticles on the rat body were identified.

Contribution

Contribution:

Sutunkova M

Sutunkova M.P. — concept and design of the study, writing the text, editing;

Minigalieva I

Minigalieva I.A. — concept and design of the study, writing the text, editing;

Privalova L

Privalova L.I. — concept and design of the study, writing the text, editing;

Ryabova Iu

Ryabova Iu.V. — concept and design of the study, collection and processing of material, statistical processing, preparation of drawings;

Makeyev O

Makeyev O.G. — collection and processing of material;

Zubarev I

Zubarev I.V. — concept and design of the study, preparation of drawings;

Shishkina E

Shishkina E.V. — collection and processing of material;

Bushueva T

Bushueva T.V. — collection and processing of material;

Katsnelson B

Katsnelson B.A. — concept and design of the study, writing the text, editing.

Approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article – all co-authors.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgement

Acknowledgement. The study had no sponsorship.

цинкнаночастицытоксичностьцитотоксичностьzincnanoparticlestoxicitygenotoxicityReferencesPiccinno F., Gottschalk F., Seeger S., Nowack B. Industrial production quantities and uses of ten engineered nanomaterials for Europe and the world. J. Nanopart. Res. 2012; 14(9): 109-1120. https://doi.org/10.1007/s11051-012-1109-9Piccinno F., Gottschalk F., Seeger S., Nowack B. Industrial production quantities and uses of ten engineered nanomaterials for Europe and the world. J. Nanopart. Res. 2012; 14(9): 109–1120. https://doi.org/10.1007/s11051-012-1109-9Xiao L., Liu C., Chen X., Yang Z. Zinc oxide nanoparticles induce renal toxicity through reactive oxygen species. Food Chem. Toxicol. 2016; 90: 76-83. https://doi.org/10.1016/j.fct.2016.02.002Xiao L., Liu C., Chen X., Yang Z. Zinc oxide nanoparticles induce renal toxicity through reactive oxygen species. Food Chem. Toxicol. 2016; 90: 76–83. https://doi.org/10.1016/j.fct.2016.02.002Holmes A.M., Kempson I.M., Turnbull T., Paterson D., Robertsad M.S. Imaging the penetration and distribution of zinc and zinc species after topical application of zinc pyrithione to human skin. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2018; 343: 40-7. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.02.012Holmes A.M., Kempson I.M., Turnbull T., Paterson D., Robertsad M.S. Imaging the penetration and distribution of zinc and zinc species after topical application of zinc pyrithione to human skin. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2018; 343: 40–7. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.02.012Хантурина Г.Р., Ибраева Л.К., Норцева М.А. Цитогенетические нарушения при интоксикации солями цинка и меди. Современные наукоемкие технологии. 2011; (3): 13-5Khanturina G.R., Ibraeva L.K., Nortseva M.A. Cytogenetic disorders in intoxication with salts of zinc and copper. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2011; (3): 13–5. (in Russian)Subramaniam V.D., Prasad S.V., Banerjee A., Gopinath M., Murugesan R., Marotta F., et al. Health hazards of nanoparticles: understanding the toxicity mechanism of nanosized ZnO in cosmetic products. Drug Chem. Toxicol. 2019; 42(1): 84-93. https://doi.org/10.1080/01480545.2018.1491987Subramaniam V.D., Prasad S.V., Banerjee A., Gopinath M., Murugesan R., Marotta F., et al. Health hazards of nanoparticles: understanding the toxicity mechanism of nanosized ZnO in cosmetic products. Drug Chem. Toxicol. 2019; 42(1): 84–93. https://doi.org/10.1080/01480545.2018.1491987ВОЗ. Цинк: Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Женева; 2001.WHO. Zinc: Hygienic criteria for the state of the environment. Geneva; 2001.Божанова Т.П. Влияние свинца и других тяжелых металлов на здоровье детей. Токсикологический вестник. 1995; (5): 36-8.Bozhanova T.P. Influence of lead and other heavy metals on children’s health. Toksikologicheskiy vestnik. 1995; (5): 36–8. (in Russian)СанПиН 1.2.2353-08. Канцерогенные факторы и основные требования к профилактике канцерогенной опасности. М.; 2008.SanPiN 1.2.2353-08. Carcinogenic factors and basic requirements for the prevention of carcinogenic hazards. Moscow; 2008. (in Russian)Моргалев Ю.Н., Гостева И.А., Моргалева Т.Г., Моргалев С.Ю., Костенко Е.В., Кудрявцев Б.А. Параметры эмбриогенеза рыб Danio repio как индикаторы экологической токсичности наночастиц окиси цинка. Российские нанотехнологии. 2018; 13(5-6): 97-102.Morgalev Yu.N., Gosteva I.A., Morgaleva T.G., Morgalev S.Yu., Kostenko E.V., Kudryavtsev B.A. Parameters of embryogenesis in zebrafish danio rerio as indicators of the ecological toxicity of zinc oxide nanoparticles. Rossiyskie nanotekhnologii. 2018; 13(5–6): 311–6. https://doi.org/10.1134/S1995078018030114 (in Russian)Babele P.K., Thakre P.K, Kumawat R., Tomar R.S. Zinc oxide nanoparticles induce toxicity by affecting cell wall integrity pathway, mitochondrial function and lipid homeostasis in saccharomyces cerevisiae. Chemosphere. 2018; 213: 65-75. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.09.028Babele P.K., Thakre P.K, Kumawat R., Tomar R.S. Zinc oxide nanoparticles induce toxicity by affecting cell wall integrity pathway, mitochondrial function and lipid homeostasis in saccharomyces cerevisiae. Chemosphere. 2018; 213: 65–75. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.09.028Wang С., Cheng K., Zhou L., He J., Zheng X., Zhang L., et al. Evaluation of long-term toxicity of oral zinc oxide nanoparticles and zinc sulfate in mice. Biol. Trace. Elem. Res. 2017; 178(2): 276-82. https://doi.org/10.1007/s12011-017-0934-1Wang С., Cheng K., Zhou L., He J., Zheng X., Zhang L., et al. Evaluation of long-term toxicity of oral zinc oxide nanoparticles and zinc sulfate in mice. Biol. Trace. Elem. Res. 2017; 178(2): 276–82. https://doi.org/10.1007/s12011-017-0934-1Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B., et al. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017; 380: 72-93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B., et al. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017; 380: 72–93. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.02.007Poier N., Hochstöger J., Hackenberg S., Scherzad A., Bregenzer M., Schopper D., et al. Effects of zinc oxide nanoparticles in HUVEC: cyto- and genotoxicity and functional impairment after long-term and repetitive exposure in vitro. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 4441-52. https://doi.org/10.2147/ijn.s246797Poier N., Hochstöger J., Hackenberg S., Scherzad A., Bregenzer M., Schopper D., et al. Effects of zinc oxide nanoparticles in HUVEC: cyto- and genotoxicity and functional impairment after long-term and repetitive exposure in vitro. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 4441–52. https://doi.org/10.2147/ijn.s246797International guiding principles for biomedical research involving animals. The Council for International Organizations of Medical Sciences и the International Council For Laboratory Animal Science; 2012.International guiding principles for biomedical research involving animals. The Council for International Organizations of Medical Sciences и the International Council For Laboratory Animal Science; 2012.Розин М.А. Определение некоторых временных характеристик сгибательного рефлекса задних конечностей животных. Воспроизведение заболеваний у животных для экспериментально-терапевтических исследований. Ленинград; 1954.Rozin M.A. Determination of Some Temporal Characteristics of the Flexion Reflex of the Hind Limbs of Animals. Reproduction of Diseases in Animals for Experimental Therapeutic Research [Opredelenie nekotorykh vremennykh kharakteristik sgibatel’nogo refleksa zadnikh konechnostey zhivotnykh. Vosproizvedenie zabolevaniy u zhivotnykh dlya eksperimental’no-terapevticheskikh issledovaniy]. Leningrad; 1954. (in Russian)Нарциссов Р.П. Применение n-нитротетразолия фиолетового для количественной цитохимии дегидрогеназ лимфоцитов человека. Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1969; 56(5): 85-91.Nartsissov R.P. Application of n-nitrotetrazolium violet for quantitative cytochemistry of human lymphocyte dehydrogenases. Arkhiv anatomii, gistologii i embriologii. 1969; 56(5): 85–91. (in Russian)Меньшиков В.В. Лабораторные методы исследования в клинике: Справочник. М.; 1987.Men’shikov V.V. Laboratory Research Methods in the Clinic: Handbook [Laboratornye metody issledovaniya v klinike: Spravochnik]. Moscow; 1987. (in Russian)Зайцева Н.В., Землянова М.А., Степанков М.С, Игнатова М.А. Оценка токсичности и потенциальной опасности наночастиц оксида алюминия для здоровья человека. Экология человека. 2018; (5): 9-15. https://doi.org/10.33396/1728-0869-2018-5-9-15Zaytseva N.V., Zemlyanova M.A., Stepankov M.S, Ignatova M.A. Scientific forecasting of toxicity and evaluation of hazard potential of aluminum oxide nanoparticles for human health. Ekologiya cheloveka. 2018; (5): 9–15. https://doi.org/10.33396/1728-0869-2018-5-9-15 (in Russian)Date А.A., Hanes J., Ensign L.M. Nanoparticles for oral delivery: design, evaluation and state-of-the-art. J. Control. Release. 2016; 240: 504-26. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.06.016Date А.A., Hanes J., Ensign L.M. Nanoparticles for oral delivery: design, evaluation and state-of-the-art. J. Control. Release. 2016; 240: 504–26. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.06.016Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I. Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Combined subchronic toxicity of aluminum (III), titanium (IV) and silicon (IV) oxide nanoparticles and its alleviation with a complex of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(3): 837. https://doi.org/10.3390/ijms19030837Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I. Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Combined subchronic toxicity of aluminum (III), titanium (IV) and silicon (IV) oxide nanoparticles and its alleviation with a complex of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2018; 19(3): 837. https://doi.org/10.3390/ijms19030837Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Attenuation of combined nickel (II) oxide and manganese (II, III) oxide nanoparticles’ adverse effects with a complex of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2015; 16(9): 2555-83. https://doi.org/10.3390/ijms160922555Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Attenuation of combined nickel (II) oxide and manganese (II, III) oxide nanoparticles’ adverse effects with a complex of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2015; 16(9): 2555–83. https://doi.org/10.3390/ijms160922555Sutunkova M.P., Solovyeva S.N., Chernyshov I.N., Klinova S.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Manifestation of systemic toxicity in rats after a short-time inhalation of lead oxide nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(3): 690. https://doi.org/10.3390/ijms21030690Sutunkova M.P., Solovyeva S.N., Chernyshov I.N., Klinova S.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Manifestation of systemic toxicity in rats after a short-time inhalation of lead oxide nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(3): 690. https://doi.org/10.3390/ijms21030690Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., Beikin Ya.B., et al. Some characteristics of free cell population in the airways of rats after intratracheal instillation of copper-containing nano-scale particles. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(11): 21538-53. https://doi.org/10.3390/ijms151121538Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Ya., Beikin Ya.B., et al. Some characteristics of free cell population in the airways of rats after intratracheal instillation of copper-containing nano-scale particles. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(11): 21538–53. https://doi.org/10.3390/ijms151121538Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Дегтярёва Т.Д., Сутункова М.П., Ерёменко О.С., Ходос М.Я. и соавт. Сравнительная оценка реакции альвеолярного фагоцитоза на интратрахеальное введение частиц магнетита (Fe3O4) нано- и микрометрового диапазонов. Медицина труда и промышленная экология. 2010; (2): 12-6Katsnel’son B.A., Privalova L.I., Degtyareva T.D., Sutunkova M.P., Eremenko O.S., Khodos M.Ya., et al. Comparative evaluation of the reaction of alveolar phagocytosis to the intrastracheal administration of magnetite (Fe3O4) particles in the nano-and micrometer ranges. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2010; (2): 12–6. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.