medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2023-102-3-292-298medlit-2997Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONБиологические эффекты воздействия наночастиц меди: маркёры экспозицииBiological effects of exposure to copper nanoparticles: markers of exposurehttps://orcid.org/0000-0002-8902-0416РузаковВадим ОлеговичRuzakovVadim O.

Помощник директора ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, 620014, Екатеринбург.

e-mail: ruzakov@ymrc.ru

Assistant Director, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers of the Federal Service for Surveillance in the Sphere of Consumer Protection and Human Welfare, Yekaterinburg, 620014, Russian Federation.

e-mail: ruzakov@ymrc.ru 

ruzakov@ymrc.ruФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человекаРоссияYekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers of the Federal Service for Surveillance in the Sphere of Consumer Protection and Human WelfareRussian Federation2023240420231023292298Copyright © Рузаков В.О., 20232023Рузаков В.О.Ruzakov V.O.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/2997Введение

Введение. Наночастицы, содержащиеся в воздушных аэрозолях на действующих металлургических предприятиях, являются требующим изучения значимым фактором риска.

Цель работы — изучение биологических эффектов воздействия наночастиц меди в сравнении с микрочастицами, выявление возможных маркёров экспозиции.

Материалы и методы

Материалы и методы. Оценка в субхроническом эксперименте по внутрибрюшинной затравке на крысах (3 группы сравнения по 12 животных, экспонированных к наночастицам, микрочастицам, и контроль с водой), изменения биохимических показателей и изменения со стороны тканей и органов. Выявление при периодических медицинских осмотрах работников, экспонированных к медьсодержащим аэрозолям различного дисперсного состава. Определение возможных эффектов воздействия по изменению биохимических показателей с проведением дополнительных лабораторно-инструментальных исследований.

Результаты

Результаты. В эксперименте на животных выявлено более существенное воздействие наночастиц (НЧ), проявившееся в печени угнетением репарационного деления гепатоцитов (отражаемое числом двуядерных клеток) и повышением числа клеток Купфера (тканевых макрофагов), а в почках — более выраженной потерей щёточной каёмки эпителия извитых канальцев. В головном мозге обнаружены патологические изменения нейронов ганглиозного слоя коры и базальных ядер, возникшие под влиянием НЧ и МЧ. Показано, что в условиях воздействия аэрозолей меди с повышением доли наночастиц в общей массе аэрозоля у работников основных профессий металлургического производства отмечается достоверное нарастание концентрации церулоплазмина в крови.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Были проведены оценка результатов воздействия наночастиц меди в составе аэрозоля на здоровье 224 работников предприятия по переработке меди и эксперимент по воздействию наночастиц меди на 36 животных, что представляет собой достаточную референтную выборку. 

Заключение

Заключение. Особенности воздействия наночастиц требуют пересмотра подходов к нормированию аэрозолей с учётом их дисперсного состава.

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФБУН «ЕМНЦ ПОЗРПП» Роспотребнадзора, проведено в соответствии с положениями Хельсинкской декларации Всемирной медицинской ассоциации «Рекомендации для врачей, занимающихся биомедицинскими исследованиями с участием людей»; Национальным стандартом РФ ГОСТ Р 52379–2005. Надлежащая клиническая практика (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 сентября 2005 г. № 232-ст); Стандартом отрасли ОСТ 42–511–99 «Правила проведения качественных клинических испытаний в Российской Федерации» от 29.12.1998 г.; Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS № 123); директивой Европейского Парламента и Совета Европейского союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей. Исследование соответствует всем действующим нормативно-правовым документам, регламентирующим проведение биомедицинских исследований с участием человека и животных.

Благодарности

Благодарности. Автор выражает благодарность Кацнельсону Б.А., доктору мед. наук, профессору; Сутунковой М.П., доктору мед. наук, директору ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора; Гурвичу В.Б., доктору мед. наук, науч. рук. ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора; Логиновой Н.В., науч. сотр. отд. токсикологии и биопрофилактики; Минигалиевой И.А., доктору биол. наук, зав. отд. токсикологии и биопрофилактики ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора; Шуру В.Я., доктору. физ.-мат. наук, директору УЦКП СН; Гребенкиной С.В., начальнику отд. контроля качества ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила

Поступила: 16.02.2023 / Принята к печати: 24.03.2023 / Опубликована: 20.04.2023

Introduction

Introduction. Aerosol nanoparticles at operating metallurgical plants are potent of the significant risk factor that needs to be studied.

The purpose of the work was to study biological effects of exposure to copper nanoparticles compared to microparticles and identify potential markers of the exposure.

Materials and methods

Materials and methods. Two experimental groups of rats, twelve animals each, were subchronically exposed to copper-containing nanoparticles and microparticles injected intraperitoneally. Changes in their biochemical parameters, tissues, and organs were then compared to those in the control rats administered with deionized water. During periodic medical examinations of workers occupationally exposed to copper-containing aerosols with different particle size distribution, additional laboratory and instrumental methods of testing were used to identify possible exposure effects to health manifested by changes in biochemical parameters.

Results

Results. The experimental study showed that in liver, the exposure to copper nanoparticles, compared to microparticles, induced a more significant inhibition of replication of hepatocytes in regeneration, as demonstrated by the number of binuclear cells, and an increase in the number of Kupffer cells (tissue macrophages), while in kidney, it caused a more pronounced convoluted tubule brush border loss. The exposure to both micro- and nano-sized copper particles was found to induce pathological changes in neurons of the ganglionic layer of the cortex and basal nuclei. Test results showed a significant increase in the blood concentration of ceruloplasmin in the core personnel of the metallurgical plant following the exposure to copper aerosols rich in nanoparticles.

Limitations

Limitations. The assessment of the results of the impact of copper nanoparticles in the composition of the aerosol on the health of 224 employees of the enterprise and the results of the experiment obtained on 36 animals corresponded to the current social and ethical standards and norms.

Conclusion

Conclusion. Specifics of the exposure to nanoparticles require a revision of approaches to regulating aerosols with account for particle size distribution.

Compliance with ethical standards. The study was approved by the Local Ethics Committee of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers and conducted in compliance with the World Medical Association Declaration of Helsinki, Recommendations Guiding Physicians Involved in Biomedical Research Involving Human Subjects (National Standard of the Russian Federation GOST R 52379-2005, Good Clinical Practice (GCP), approved by Order Vo. 232-st of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology on September 27, 2005; Industry Standard OST 42-511-99, Rules for Conducting High-Quality Clinical Trials in the Russian Federation, dated December 29, 1998); the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals used for Experimental or other Scientific Purposes (ETS No. 123), Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of the European Union of September 22, 2010 on the Protection of Animals Used for Scientific Purposes, and other legal documents regulating the conduct of biomedical research involving human and animals.

Acknowledgements

Acknowledgements. The author would like to express his sincere gratitude to Prof. Boris A. Katsnelson; Marina P. Sutunkova, DSci. (Med.), Director of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers; Vladimir B. Gurvich, Dr. Sci. (Med.), Scientific Director of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers; Nadezhda V. Loginova, Researcher, Department of Toxicology and Bioprophylaxis; Ilzira A. Minigalieva, Dr. Sci. (Biol.), Head of the Department of Toxicology and Bioprophylaxis, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers; Dr. Vladimir Ya. Shur, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Director of the Ural Center for Shared Use “Modern Nanotechnologies”, and Svetlana V. Grebenkina, Head of the Quality Control Department, Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers.

Conflict of interest

Conflict of interest. The author declares no conflict of interest. 

Financing

Financing. The study had no sponsorship.

Received

Received: February 6, 2022 / Accepted: March 24, 2023 / Published: April 20, 2023

наночастицымедьцерулоплазминаэрозолиnanoparticlescopperceruloplasminaerosolsReferencesKatsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D., Soloboyeva J.I. Biological prophylaxis of adverse health effects caused by environmental and occupational impacts – theoretical premises, experimental and field testing, practical realization. Central. Eur. J. Occup. Envir. Med. 2009; 15(1–2): 35–51. https://www.nnk.gov.hu/cejoem/Volume15/Vol15No1-2/CE09_1-2-03.htmlKatsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D., Soloboyeva J.I. Biological prophylaxis of adverse health effects caused by environmental and occupational impacts – theoretical premises, experimental and field testing, practical realization. Central. Eur. J. Occup. Envir. Med. 2009; 15(1–2): 35–51. https://www.nnk.gov.hu/cejoem/Volume15/Vol15No1-2/CE09_1-2-03.htmlФатхутдинова Л.М., Халиуллин Т.О., Залялов Р.Р. Токсичность искусственных наночастиц. Казанский медицинский журнал. 2009; 90(4): 578–84. https://www.elibrary.ru/kzljcrFatkhutdinova L.M., Khaliullin T.O., Zalyalov R.R. Toxicity of synthetic nanoparticles. Kazanskiy meditsinskiy zhurnal. 2009; 90(4): 578–84. https://www.elibrary.ru/kzljcr (in Russian)Сопова Е.А., Ганковская О.А., Баранов В.И., Лавров В.Ф., Зверев В.В. Наноразмерные соединения и перспективы ускоренного определения их цитотоксических свойств с целью гигиенического нормирования. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2010; (2): 41–4.Sopova E.A., Gankovskaya O.A., Baranov V.I., Lavrov V.F., Zverev V.V. Nano-dimensional compounds and the prospects of rapid determination of their cytotoxic characteristics with the purpose of hygienic standardization. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya – ZNiSO. 2010; (2): 41–4. (in Russian)Ковалева Н.Ю., Раевская Е.Г., Рощин А.В. Проблемы безопасности наноматериалов: нанобезопасность, нанотоксикология, наноинформатика. Химическая безопасность. 2017. 1(2): 44–87. https://doi.org/10.25514/CHS.2017.2.10982 https://www.elibrary.ru/ymwmknKovaleva N.Yu., Raevskaya E.G., Roshchin A.V. Aspects of nanomaterial safety: nanosafety, nanotoxicology, nanoinformatics. Khimicheskaya bezopasnost’. 2017. 1(2): 44–87. https://doi.org/10.25514/CHS.2017.2.10982 https://www.elibrary.ru/ymwmkn (in Russian)Тутельян В.А., Хотимченко С.А., Гмошинский И.В., Шумакова А.А., Распопов Р.В. Комплексная медико-биологическая оценка безопасности наноматериалов: информационно-аналитическая и экспериментальная составляющие. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2011; (5): 15–8. https://www.elibrary.ru/ntjvglTutel’yan V.A., Khotimchenko S.A., Gmoshinskiy I.V., Shumakova A.A., Raspopov R.V. Comprehensive medical-biological evaluation of nanomaterials safety: communicatory-analytical and experimental constituents. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya – ZNiSO. 2011; (5): 15–8. https://www.elibrary.ru/ntjvgl (in Russian)Глушкова А.В., Радилов А.С., Дулов С.А., Хлебникова Н.С. Сравнительные подходы к оценке риска и гигиенического регламентирования наноматериалов в России и Евросоюзе (на примере Норвегии). Токсикологический вестник. 2016; (6): 31–5. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2016-6-31-35 https://www.elibrary.ru/xcsjqvGlushkova A.V., Radilov A.S., Dulov S.A., Khlebnikova N.S. Comparative approaches to risk assessment and hygienic regulation of nanomaterials in Russia and in the European Union (on example of Norway). Toksikologicheskiy vestnik. 2016; (6): 31–5. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2016-6-31-35 https://www.elibrary.ru/xcsjqv (in Russian)Хамидулина Х.Х., Давыдова Ю.О. Международные подходы к оценке токсичности и опасности наночастиц и наноматериалов. Токсикологический вестник. 2011; (6): 53–7.Khamidulina Kh.Kh., Davydova Yu.O. International approaches to assessing the toxicity and danger of nanoparticles and nanomaterials. Toksikologicheskiy vestnik. 2011; (6): 53–7. (in Russian)Леоненко Н.С. Сравнительный анализ токсичности и опасности химических соединений различной размерности (обзор литературы). Украинский журнал современных проблем токсикологии. 2016; (2): 48–61.Leonenko N.S. Comparative analysis of toxicity and danger of chemical compounds of various dimensions (literature review). Ukrainskiy zhurnal sovremennykh problem toksikologii. 2016; (2): 48–61. (in Russian)Pokharkar V., Dhar S., Bhumkar D., Mali V., Bodhankar S., Prasad B.L.V. Acute and subacute toxicity studies of chitosan reduced gold nanoparticles: a novel carrier for therapeutic agents. J. Biomed. Nanotechnol. 2009; 5(3): 233–9. https://doi.org/10.1166/jbn.2009.1027Pokharkar V., Dhar S., Bhumkar D., Mali V., Bodhankar S., Prasad B.L.V. Acute and subacute toxicity studies of chitosan reduced gold nanoparticles: a novel carrier for therapeutic agents. J. Biomed. Nanotechnol. 2009; 5(3): 233–9. https://doi.org/10.1166/jbn.2009.1027Wen H., Dan M., Yang Y., Lyu J., Shao A., Cheng X., et al. Acute toxicity and genotoxicity of silver nanoparticle in rats. PLoS One. 2017; 12(9): e0185554. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0185554Wen H., Dan M., Yang Y., Lyu J., Shao A., Cheng X., et al. Acute toxicity and genotoxicity of silver nanoparticle in rats. PLoS One. 2017; 12(9): e0185554. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0185554Zhu M.T., Feng W.Y., Wang B., Wang T.C., Gu Y.Q., Wang M., et al. Comparative study of pulmonary responses to nano- and submicron ferric oxide in rats. Toxicology. 2008; 247(2–3): 102–11. https://doi.org/10.1016/j.tox.2008.02.011Zhu M.T., Feng W.Y., Wang B., Wang T.C., Gu Y.Q., Wang M., et al. Comparative study of pulmonary responses to nano- and submicron ferric oxide in rats. Toxicology. 2008; 247(2–3): 102–11. https://doi.org/10.1016/j.tox.2008.02.011Chen Z., Meng H., Xing G., Chen C., Zhao Y., Jia G., et al. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. Toxicol. Lett. 2006; 163(2): 109–20. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2005.10.003Chen Z., Meng H., Xing G., Chen C., Zhao Y., Jia G., et al. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo. Toxicol. Lett. 2006; 163(2): 109–20. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2005.10.003Klarsson H.L., Cronholm P., Gustafsson J., Möller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chem. Res. Toxicol. 2008; 21(9): 1726–32. https://doi.org/10.1021/tx800064jKlarsson H.L., Cronholm P., Gustafsson J., Möller L. Copper oxide nanoparticles are highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes. Chem. Res. Toxicol. 2008; 21(9): 1726–32. https://doi.org/10.1021/tx800064jSokol R.J., Devereaux M.W., Traber M.G., Shikes R.H. Copper toxicity and lipid peroxidation in isolated rat hepatocytes: effect of vitamin E. Pediatr. Res. 1989; 25(1): 55–62. https://doi.org/10.1203/00006450-198901000-00014Sokol R.J., Devereaux M.W., Traber M.G., Shikes R.H. Copper toxicity and lipid peroxidation in isolated rat hepatocytes: effect of vitamin E. Pediatr. Res. 1989; 25(1): 55–62. https://doi.org/10.1203/00006450-198901000-00014Alarifi S., Ali D., Verma A., Alakhtani S., Ali B.A. Cytotoxicity and genotoxicity of copper oxide nanoparticles in human skin keratinocytes cells. Int. J. Toxicol. 2013; 32(4): 296–307. https://doi.org/10.1177/1091581813487563Alarifi S., Ali D., Verma A., Alakhtani S., Ali B.A. Cytotoxicity and genotoxicity of copper oxide nanoparticles in human skin keratinocytes cells. Int. J. Toxicol. 2013; 32(4): 296–307. https://doi.org/10.1177/1091581813487563Cuillel M., Chevallet M., Charbonnier P., Fauquant C., Pignot-Paintrand I., Arnaud J., et al. Interference of CuO nanoparticles with metal homeostasis in hepatocytes under sub-toxic conditions. Nanoscale. 2014; 16(3): 1707–15. https://doi.org/10.1039/c3nr05041fCuillel M., Chevallet M., Charbonnier P., Fauquant C., Pignot-Paintrand I., Arnaud J., et al. Interference of CuO nanoparticles with metal homeostasis in hepatocytes under sub-toxic conditions. Nanoscale. 2014; 16(3): 1707–15. https://doi.org/10.1039/c3nr05041fМинигалиева И.А., Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Сутункова М.П., Гурвич В.Б., Шур В.Я. и др. Сравнительная и комбинированная токсичность наночастиц оксидов алюминия, титана и кремния и её ослабление комплексом биопротекторов. Токсикологический вестник. 2018; (2): 18–27. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2018-2-18-27 https://www.elibrary.ru/yxbefuMinigalieva I.A., Katsnel’son B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Ya., et al. Comparative and combined toxicity of aluminum, titanium and silicon oxides nanoparticles and its alleviation with the complex of bioprotectors. Toksikologicheskiy vestnik. 2018; (2): 18–27. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2018-2-18-27 https://www.elibrary.ru/yxbefu (in Russian)Вяткина П., ред. Анализы. Полный медицинский справочник. М.: Эксмо; 2013.Vyatkina P., ed. Analyses: A Complete Medical Handbook [Analizy. Polnyy meditsinskiy spravochnik]. Moscow: Eksmo; 2013 (in Russian)Хиггинс К. Расшифровка клинических лабораторных анализов. Пер. с англ. М.: БИНОМ; 2011.Higgins C. Understanding Laboratory Investigations: A Guide for Nurses, Midwives and Healthcare Professionals. Wiley-Blackwell; 2007. (in Russian)Lee T.Y., Liu M.S., Huang L.J., Lue S.I., Lin L.C., Kwan A.L., et al. Bioenergetic failure correlates with autophagy and apoptosis in rat liver following silver nanoparticle intraperitoneally administration. Part. Fibre Toxicol. 2013; 10: 40. https://doi.org/10.1186/1743-8977-10-40Lee T.Y., Liu M.S., Huang L.J., Lue S.I., Lin L.C., Kwan A.L., et al. Bioenergetic failure correlates with autophagy and apoptosis in rat liver following silver nanoparticle intraperitoneally administration. Part. Fibre Toxicol. 2013; 10: 40. https://doi.org/10.1186/1743-8977-10-40Рослый О.Ф., Рослая Н.А., Слышкина Т.В., Федорук А.А. Медицина труда при производстве и обработке сплавов цветных металлов. Екатеринбург; 2012. https://www.elibrary.ru/tjggbxRoslyy O.F., Roslaya N.A., Slyshkina T.V., Fedoruk A.A. Occupational Medicine in the Production and Processing of Non-Ferrous Metal Alloys [Meditsina truda pri proizvodstve i obrabotke splavov tsvetnykh metallov]. Ekaterinburg; 2012. https://www.elibrary.ru/tjggbx

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