Особенности бионакопления и токсического действия наночастиц оксида меди (II) при многократной ингаляционной экспозиции

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

Участие авторов:

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

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

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

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

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

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

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

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

1. Ishakova E., Ishakov O. World market for n nanomaterials: structure and trends. MATEC Web Conf. 2017; 129: 1-5. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712902013

2. Allied 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-market

3. Sukhanova 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-x

4. Ameh 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.2019.103220

5. Azonano. Copper Oxide (CuO) nanoparticles - Properties, Applications. Available at: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3395

6. Hou 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.2016.11.066

7. Sarkar 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.2011.09.086

8. Zhang 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.2018.01.048

9. Privalova 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/ijms150712379

10. Perreault 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.2012.09.065

11. Naz 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.2019.0176

12. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир; 1984

13. 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.

14. 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/10.3109/17435390.2016.1172678

15. 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.

16. 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.S241922

17. Khatami 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.0000143699.91156.21

18. Abboud H.E. Mesangial cell biology. Exp. Cell Res. 2012; 318(9): 979-58. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2012.02.025

19. Назаренко Г.И., Кишкун А.А. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований. М.: Медицина; 2006

20. Goldklang M., Stockley R. Pathophysiology of Emphysema and Implications. Chronic. Obstr. Pulm. Dis. 2016; 3(1): 454-8. https://doi.org/10.15326/jcopdf.3.1.2015.0175

21. Anreddy 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