medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2021-100-10-1139-1144medlit-1789Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONОсобенности бионакопления и токсического действия наночастиц оксида меди (II) при многократной ингаляционной экспозицииFeatures of bioaccumulation and toxic effects of copper (II) oxide nanoparticles under repeated inhalation exposure in ratshttps://orcid.org/0000-0003-2356-1145ЗайцеваН. В.ZaitsevaNina V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8013-9613ЗемляноваМарина АлександровнаZemlyanovaMarina A.

Доктор мед. наук, профессор, зав. отд. биохимических и цитогенетических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь.

e-mail: zem@fcrisk.ru

MD, PhD, DSci., Professor, Head of Biochemical and Cytogenetic Diagnostic Techniques Department, Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies, Perm, 614045, Russian Federation.

e-mail: zem@fcrisk.ru

zem@fcrisk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7226-7682СтепанковМ. С.StepankovMark S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9075-3257ИгнатоваА. М.IgnatovaAnna M.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3119-3477НиколаеваА. Е.NikolaevaAlena E.noemail@neicon.ruФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человекаРоссияFederal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management TechnologiesRussian FederationФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»; ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»РоссияFederal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State National Research University; Perm National Research Polytechnic UniversityRussian FederationФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»РоссияFederal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State National Research UniversityRussian FederationФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»РоссияFederal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation2021101120211001011391144Copyright © Зайцева Н.В., Землянова М.А., Степанков М.С., Игнатова А.М., Николаева А.Е., 20212021Зайцева Н.В., Землянова М.А., Степанков М.С., Игнатова А.М., Николаева А.Е.Zaitseva N.V., Zemlyanova M.A., Stepankov M.S., Ignatova A.M., Nikolaeva A.E.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/1789Введение

Введение. Активное использование в различных сферах хозяйственной деятельности, крупнотоннажный характер производства и наличие данных о токсичности обусловливают актуальность изучения эффектов наночастиц оксида меди (II) (НЧ CuO) на организм при ингаляционном воздействии.

Материалы и методы

Материалы и методы. Установлены размер, площадь поверхности и объём пор НЧ CuO. Проведены изучение и оценка биохимических и гематологических параметров крови, степень бионакопления наноматериала, патоморфологических изменений органов крыс, экспонированных НЧ CuO. Исследования проведены в сравнении с микроразмерным аналогом (МЧ CuO).

Результаты

Результаты. Размер НЧ CuO в составе нативного порошка меньше, чем у МЧ CuO, в 305 раз. Площадь поверхности и объём пор больше в 9,61 и 9,33 раза соответственно. После экспозиции НЧ CuO в крови крыс относительно контроля увеличены уровни активности аланинаминотрансферазы (АЛТ), аспартатаминотрасферазы (АСТ), щелочной фосфатазы (ЩФ), гамма-глутамилтранспептидазы (γ-ГТ), лактатдегидрогеназы (ЛДГ), амилазы, антиоксидантной активности плазмы (АОА), малонового диальдегида (МДА), концентрация С-реактивного белка (СРБ) в 1,49–2,23 раза, снижено содержание мочевины в 1,41 раза; увеличены относительное число эозинофилов, количество лейкоцитов, относительная ширина распределения эритроцитов (RDW) в 1,31–5,39 раза, снижено относительное число сегментоядерных нейтрофилов в 1,37 и моноцитов в 1,42 раза. Действие НЧ в сравнении с МЧ более выражено по повышению активности АЛТ, АСТ, ЛДГ, МДА, концентрации СРБ в 1,25–1,68 раза и по снижению концентрации мочевины в 1,21 раза; по повышению доли эозинофилов в 2,37 и количества лейкоцитов в 1,61 раза. Концентрация меди при действии НЧ увеличивается относительно контроля в лёгких, печени, желудке, кишечнике и почках в 1,59–6,99 раза. Степень бионакопления наночастиц больше, чем у микрочастиц, в лёгких, печени, желудке, почках в 1,2–2,12 раза. Функциональные и патоморфологические изменения, вызванные НЧ CuO, более выражены в лёгких, желудке, тонком кишечнике в сравнении с микрочастицами.

Заключение

Заключение. Подтверждено, что исследуемые частицы CuO являются наноматериалом. Обладают более выраженным бионакоплением и токсическим действием относительно микродисперсного аналога.

Участие авторов

Участие авторов:

Зайцева Н

Зайцева Н.В. — концепция и дизайн исследования, статистическая обработка материала, редактирование;

Землянова М

Землянова М.А. — концепция и дизайн исследования, обработка материала, написание текста;

Степанков М

Степанков М.С. — сбор материала, написание текста;

Игнатова А

Игнатова А.М., Николаева А.Е. — обработка материала.

Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

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.

Поступила

Поступила: 07.07.2021 / Принята к печати: 28.09.2021 / Опубликована: 31.10.2021

Introduction

Introduction. Active use in various spheres of economic activity, large-scale production and the availability of data on toxicity determine the relevance of studying the effects of copper (II) oxide nanoparticles (CuO NPs) on the body during inhalation exposure.

Material and Methods

Material and Methods. The size, surface area, and pore volume of CuO NPs were determined. The study and assessment of biochemical and hematological parameters of blood, the degree of bioaccumulation of nanomaterial, pathomorphological changes in organs of rats exposed to CuO NPs were carried out. The studies were carried out in comparison with a microsized analogue (CuO MPs).

Results

Results. The size of CuO NPs in the composition of the native powder is 305.00 times less than that of CuO MPs. The surface area and pore volume are 9.61 and 9.33 times larger, respectively. After exposure to CuO NPs in the blood of rats relative to the control, the levels of activity of ALT, AST, ALP, GGT, LDH, amylase, AOA, MDA and the concentration of CRP increased by 1.49-2.23 times, the content of urea decreased by 1.41 times; relative number of eosinophils, leukocyte count, RDW by 1.31-5.39 times increased, relative number of segmented neutrophils decreased by 1.37 and monocytes by 1.42 times. The effect of NPs, in comparison with MPs, is more pronounced in increasing the activity of ALT, AST, LDH, MDA and the concentration of CRP by 1.25-1.68 times and in reducing the concentration of urea by 1.21 times; in increase the relative number of eosinophils by 2.37 and the count of leukocytes by 1.61 times. The concentration of copper under the action of NPs increases relative to the control in the lungs, liver, stomach, intestines and kidneys by 1.59-6.99 times. The degree of bioaccumulation of nanoparticles is 1.20-2.12 times higher than that of microparticles in the lungs, liver, stomach, and kidneys.

Conclusion

Conclusion. Functional and pathomorphological changes caused by CuO NPs are more pronounced in the lungs, stomach, and small intestine in comparison with microparticles. It was confirmed that the studied CuO particles are nanomaterials. They have a more pronounced bioaccumulation and toxic effect relative to the microdispersed analogue.

Contribution

Contribution:

Zaitseva N

Zaitseva N.V. — the concept and design of the study, statistical processing of the material, editing;

Zemlyanova M

Zemlyanova M.A. — the concept and design of the study, processing of the material, writing the text;

Stepankov M

Stepankov M.S. — collection of material, writing the text;

Ignatova A

Ignatova A.M., Nikolaeva A.E. — processing of the material.

All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interest

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

Acknowledgement

Acknowledgement. The study had no sponsorship.

Received

Received: July 7, 2021 / Accepted: September 28, 2021 / Published: October 31, 2021

оксид меди (II)наночастицымикрочастицыбионакоплениеингаляциятоксичностьcopper (II) oxidenanoparticlesmicroparticlesbioaccumulationinhalationtoxicityReferencesIshakova E., Ishakov O. World market for n nanomaterials: structure and trends. MATEC Web Conf. 2017; 129: 1-5. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712902013Ishakova E., Ishakov O. World market for n nanomaterials: structure and trends. MATEC Web Conf. 2017; 129: 1-5. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712902013Allied Market Research. Europe nanomaterials market by type of material, by end user - opportunity analysis and industry forecast, 2014-2022. Available at: https://www.alliedmarketresearch.com/europe-nanomaterials-marketAllied Market Research. Europe nanomaterials market by type of material, by end user - opportunity analysis and industry forecast, 2014-2022. Available at: https://www.alliedmarketresearch.com/europe-nanomaterials-marketSukhanova A., Bozrova S., Sokolov P., Beresovoy M., Karaulov A., Nabiev I. Dependence of nanoparticle toxicity on their physical and chemical properties. Nanoscale Res. Lett. 2018; 13(1): 44. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-xSukhanova A., Bozrova S., Sokolov P., Beresovoy M., Karaulov A., Nabiev I. Dependence of nanoparticle toxicity on their physical and chemical properties. Nanoscale Res. Lett. 2018; 13(1): 44. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-xAmeh T., Sayes C.M. The potential exposure and hazards of copper nanoparticles: A review. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2019; 71: 103220. https://doi.org/10.1016/j.etap.2019.103220Ameh T., Sayes C.M. The potential exposure and hazards of copper nanoparticles: A review. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2019; 71: 103220. https://doi.org/10.1016/j.etap.2019.103220Azonano. Copper Oxide (CuO) nanoparticles - Properties, Applications. Available at: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3395Azonano. Copper Oxide (CuO) nanoparticles - Properties, Applications. Available at: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3395Hou J., Wang X., Hayat T., Wang X. Ecotoxicological effects and mechanism of CuO nanoparticles to individual organisms. Environ. Pollut. 2017; 221: 209-17. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.11.066Hou J., Wang X., Hayat T., Wang X. Ecotoxicological effects and mechanism of CuO nanoparticles to individual organisms. Environ. Pollut. 2017; 221: 209-17. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2016.11.066Sarkar A., Das J., Manna P., Sil P.S. Nano-copper induces oxidative stress and apoptosis in kidney via both extrinsic and intrinsic pathways. Toxicology. 2011; 290(2-3): 208-17. https://doi.org/10.1016/j.tox.2011.09.086Sarkar A., Das J., Manna P., Sil P.S. Nano-copper induces oxidative stress and apoptosis in kidney via both extrinsic and intrinsic pathways. Toxicology. 2011; 290(2-3): 208-17. https://doi.org/10.1016/j.tox.2011.09.086Zhang J., Zou Z., Wang B., Xu G., Wu Q., Zhang Y., et al. Lysosomal deposition of copper oxide nanoparticles triggers HUVEC cells death. Biomaterials. 2018; 161: 228-39. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.01.048Zhang J., Zou Z., Wang B., Xu G., Wu Q., Zhang Y., et al. Lysosomal deposition of copper oxide nanoparticles triggers HUVEC cells death. Biomaterials. 2018; 161: 228-39. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.01.048Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E., et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(7): 12379-406. https://doi.org/10.3390/ijms150712379Privalova L.I., Katsnelson B.A., Loginova N.V., Gurvich V.B., Shur V.Y., Valamina I.E., et al. Subchronic toxicity of copper oxide nanoparticles and its attenuation with the help of a combination of bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2014; 15(7): 12379-406. https://doi.org/10.3390/ijms150712379Perreault F., Pedroso Melegari S., Henning da Costa C., de Oliveira Franco Rossetto A.L., Popovic R., Gerson Matias W. Genotoxic effects of copper oxide nanoparticles in Neuro 2A cell cultures. Sci. Total Environ. 2012; 441: 117-24. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.09.065Perreault F., Pedroso Melegari S., Henning da Costa C., de Oliveira Franco Rossetto A.L., Popovic R., Gerson Matias W. Genotoxic effects of copper oxide nanoparticles in Neuro 2A cell cultures. Sci. Total Environ. 2012; 441: 117-24. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.09.065Naz S., Gul A., Zia M. Toxicity of copper oxide nanoparticles: a review study. IET Nanobiotechnol. 2020; 14(1): 1-13. https://doi.org/10.1049/iet-nbt.2019.0176Naz S., Gul A., Zia M. Toxicity of copper oxide nanoparticles: a review study. IET Nanobiotechnol. 2020; 14(1): 1-13. https://doi.org/10.1049/iet-nbt.2019.0176Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир; 1984Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. London: Academic Press; 1982.Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.P. The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. J. Am. Chem. Soc. 1951; 73: 373-80.Barrett E.P., Joyner L.G., Halenda P.P. The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. J. Am. Chem. Soc. 1951; 73: 373-80.Gosens I., Cassee F.R., Zanella M., Manodori L., Brunelli A., Costa A.L. et al. Organ burden and pulmonary toxicity of nano-sized copper (II) oxide particles after short-term inhalation exposure. Nanotoxicology. 2016; 10(8): 1084-95. https://doi.org/10.3109/17435390.2016.1172678Gosens I., Cassee F.R., Zanella M., Manodori L., Brunelli A., Costa A.L. et al. Organ burden and pulmonary toxicity of nano-sized copper (II) oxide particles after short-term inhalation exposure. Nanotoxicology. 2016; 10(8): 1084-95. https://doi.org/10.3109/17435390.2016.1172678Yahya R.A.M., Attia A.M., El-Banna S.G., El-Trass E.E., Azab A.E., Jbireal J.M., et al. Hematotoxicity induced by copper oxide and/or zinc oxide nanoparticles in male albino rats. J. Biotechnol. 2019; 3(4): 1-7.Yahya R.A.M., Attia A.M., El-Banna S.G., El-Trass E.E., Azab A.E., Jbireal J.M., et al. Hematotoxicity induced by copper oxide and/or zinc oxide nanoparticles in male albino rats. J. Biotechnol. 2019; 3(4): 1-7.El Bialy B.E., Hamouda R.A., Abd Eldaim M.A., El Ballal S.S., Heikal H.S., Khalifa H.K., et al. Comparative toxicological effects of biologically and chemically synthesized copper oxide nanoparticles on mice. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 3827-42. https://doi.org/10.2147/IJN.S241922El Bialy B.E., Hamouda R.A., Abd Eldaim M.A., El Ballal S.S., Heikal H.S., Khalifa H.K., et al. Comparative toxicological effects of biologically and chemically synthesized copper oxide nanoparticles on mice. Int. J. Nanomedicine. 2020; 15: 3827-42. https://doi.org/10.2147/IJN.S241922Khatami 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; 12(2): 117-26. https://doi.org/10.1097/01.mjt.0000143699.91156.21Khatami 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; 12(2): 117-26. https://doi.org/10.1097/01.mjt.0000143699.91156.21Abboud H.E. Mesangial cell biology. Exp. Cell Res. 2012; 318(9): 979-58. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2012.02.025Abboud H.E. Mesangial cell biology. Exp. Cell Res. 2012; 318(9): 979-58. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2012.02.025Назаренко Г.И., Кишкун А.А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. М.: Медицина; 2006Nazarenko G.I., Kishkun A.A. Clinical Evaluation of Laboratory Research Results [Klinicheskaya otsenka rezul’tatov laboratornykh issledovaniy.]. Moscow: Meditsina; 2006Goldklang M., Stockley R. Pathophysiology of Emphysema and Implications. Chronic. Obstr. Pulm. Dis. 2016; 3(1): 454-8. https://doi.org/10.15326/jcopdf.3.1.2015.0175Goldklang M., Stockley R. Pathophysiology of Emphysema and Implications. Chronic. Obstr. Pulm. Dis. 2016; 3(1): 454-8. https://doi.org/10.15326/jcopdf.3.1.2015.0175Anreddy R.N.R. Copper oxide nanoparticles induces oxidative stress and liver toxicity in rats following oral exposure. Toxicol. Rep. 2018; 5: 903-4. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2018.08.022Anreddy R.N.R. Copper oxide nanoparticles induces oxidative stress and liver toxicity in rats following oral exposure. Toxicol. Rep. 2018; 5: 903-4. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2018.08.022

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