Оценка реакции дыхательных путей на однократное интратрахеальное введение нано- и микроразмерных частиц оксида алюминия

Введение. Широкое распространение наноматериалов в науке и различных отраслях промышленности обусловливает актуальность гигиенических исследований, направленных на оценку воздействия ультрадисперсных частиц, обладающих канцерогенными свойствами, на организм человека.

Материал и методы. Эксперимент выполнен на половозрелых крысах-самцах линии Wistar (n = 27, по 9 особей в каждой группе), которых подвергали однократной интратрахеальной экспозиции суспензиями наноразмерного и микроразмерного оксида алюминия в концентрации действующего вещества 80,0 ± 0,09 мг/мл. Контрольной группе животных вводили чистую основу суспензии (стерильный изотонический физиологический раствор). Для количественной характеристики клеточной реакции дыхательных путей использовали цифровые изображения оптической иммерсионной микроскопии мазков, полученные на поляризационном микроскопе.

Результаты. Цитологическая оценка бронхоальвеолярного лаважа (БАЛ) in vitro показала, что при воздействии наночастиц оксида алюминия развивается клеточная реакция по эозинофильному типу, а при воздействии микрочастиц оксида алюминия - по нейтрофильному типу. На основании предложенной модели зависимости количества эозинофилов и нейтрофильных лейкоцитов (НЛ) в БАЛ от площади поверхности частиц оксида алюминия установлена триггерная величина, превышение которой характеризуется эозинофильной реакцией, а снижение - лимфоцитарной реакцией. Показано, что воздействие нано- и микроразмерных частиц оксида алюминия приводит к повреждению поверхности альвеолярных макрофагов (АМ), степень выраженности которого зависит от удельной площади поверхности частиц. Полученные данные расширяют теоретические знания в области нанотоксикологии и позволяют разрабатывать этиопатогенетически обоснованные профилактические мероприятия для работников в сфере производства наноматериалов и населения, подвергающегося воздействию наноразмерных частиц оксида алюминия.

Обсуждение. Обобщение результатов показало, что степень токсического воздействия частиц оксида алюминия зависит от их дисперсности. Следствием этого может являться увеличение их токсических свойств, характеризующих качественные и количественные цитологические изменения в биологических субстратах, в том числе в БАЛ.

Выводы. Однократное интратрахеальное введение крысам линии Wistar водной суспензии оксида алюминия вызывает клеточную реакцию со стороны дыхательных путей и повреждение альвеолярных макрофагов (АМ). Характер и степень выраженности изменений зависят от общей удельной площади поверхности воздействующих частиц.

1. Shi H., Magaye R., Castranova V., Zhao J. Titanium dioxide nanoparticles: A review of current toxicological data. Part. Fibre Toxicol. 2013; 10: 15.

2. Kelleher P., Pacheco K., Newman L.S., Inorganic dust pneumonias: the metal-related parenchymal disorders. Environ Health Perspect. 2000; 108(4): 685-96.

3. Рахманин Ю.А., Михайлова Р.И. Окружающая среда и здоровье: Приоритеты профилактической медицины. Гигиена и санитария. 2014; 5: 5-10

4. Kisin E.R., Murray AR, Keane M.J., Shi X.C., Schwegler-Berry D., Gorelik O., Arepalli S, Castranova V., Wallace W.E., Kagan VE, Shvedova A.A. Single-walled carbon nanotubes: geno- and cytotoxic effects in lung fibroblast V79 cells. J. Toxicol Environ Health. 2007; 70: 2071-9.

5. Robertson TA, Sanchez WY, Roberts MS: Are commercially available nanoparticles safe when applied to the skin? J Biomed Nanotechnol. 2010; 6: 452-68.

6. Antonini J.M., Lewis A.B., Roberts J.R., Whaley D.A., Pulmonaryeffects of welding fumes: review of worker and experimental animalstudies. Am. J. Ind Med. 2003; 43: 350-60.

7. Ruth Magaye JZ, Linda B, Min D: Genotoxicity and carcinogenicity of cobalt-, nickel- and copper-based nanoparticles (Review). Exp Ther Med. 2012; 4: 551-61.

8. Анциферова И. В. Источники поступления наночастиц в окружающую среду. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2012; 14 (2): 54-66

9. Santos R.J., Vieira M.T. Assessment of airborne nanoparticles present in industry of aluminum surface treatments. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2017; 14 (3): D29-D36. PMID: 27801631.

10. Krewski D., Yokel R. A., Nieboer E., Borchelt D., et al. Human Health Risk Assessment for Aluminium, Aluminium Oxide, and Aluminium Hydroxide. Journal of Toxicology Environmental Health. Part B. 2007; 10(1): 1-269.

11. Friberg L., Nordberg G.F., Kessler E., Vouk V.B., et al. Handbook of the Toxicology of Metals. 2nd ed. Vols I, II: Amsterdam: Elsevier Science Publishers B.V., 1986: 126.

12. Baer D., Munusamy P., Karakoti A., Thevuthasan S., et al. Ceriananoparticles: Environmental impacts on particle structure and chemistry. In Bulletin of the American Physical Society. APS March Meeting: Boston, MA, USA. 2012: 57.

13. Baer D.R., Engelhard M.H., Johnson G.E., Laskin J. et al. Surface characterization of nanomaterials and nanoparticles: Important needs and challenging opportunities. Journal of Vacuum Science & Technology. 2013; 31 (5): 50820. PMID: 24482557

14. Weibel E. R. Fractal geometry: a design principle for living organisms. American Journal of Physiology. 1991; 261: 361-9.

15. Li B., Ze Y., Sun Q., et al. Molecular mechanisms of nanosized titanium dioxide-induced pulmonary injury in mice. Public Library of Science. 2013; 8(2): рр. e55563. PMID: 23409001

16. AshaRani P.V., Mun G.L.K., Hande M.P., Valiyaveettil S. Cytotoxicity and Ggenotoxicity of silver nanoparticles in human cells. Acs Nano. 2009; 3: 279-90.

17. Jortner J, Rao CNR Nanostructured advanced materials: perspectives and directions. Pure Appl Chem. 2002; 74(9):1491-506.

18. IARC. Some non-heterocyclic polycyclic aromatic hydrocarbons and some related exposures. IARC Monogr Eval Carcinog Risks Hum, 2010; 92:1-853. PMID: 21141735 PMID: 18756632.

19. Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., Логинова Н.В., и др. Цитологические и биохимические особенности жидкости, получаемой при бронхо-альвеолярном лаваже у крыс после интратрахеального введения наноразмерных меднооксидных частиц. Токсикологический вестник. 2014; 5: 8-15

20. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Kuzmin S.V., Degtyareva T.D. et al. Some peculiarities of pulmonary clearance mechanisms in rats after intratracheal instillation of magnetite (Fe3O4) suspensions with different particle sizes in the nanometer and micrometer ranges: Are we defenseless against nanoparticles? Int. J. Occup. Environ. Health. 2010; 16: 508-24.

21. Xu J., Li Z., Xu P., Xiao L., Yang Z. Nanosized copper oxide induces apoptosis through oxidative stress in podocytes. Arch. Toxicol. 2013; 87: 1067-73.

22. Cassee F.R., Muijser H, Duistermaat E., Freijer J.J., et al. Particle size-dependent total mass deposition in lungs determines inhalation toxicity of cadmium chloride aerosols in rats. Application of a multiple path dosimetry model. Arch Toxicol. 2002; 76 (5-6):277-86.

23. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. 2-е изд. М.: Мир, 1984: 306

24. Mora C.F., Kwan A.Kh., Sphericity, shape factor, and convexity measurement of coarse aggregate for concrete using digital image processing. Cement and Concrete Research. 2000; 30: 351-8

25. Кацнельсон Б.А. Пневмокониозы: патогенез и биологическая профилактика. Екатеринбург, 1995: 327.

26. Гланц С. Медико-биологическая статистика. М.: Практика, 1998: 459.

27. Игнатова А.М., Землянова М.А., Степанков М.С., Игнатов М.Н. Определение морфометрических характеристик микродисперсной системы оксида алюминия методом анализа изображений. Программные системы и вычислительные методы. 2017; 3: 70-85.

28. Черняев А.Л., Самсонова М.В. Патологическая анатомия легких: Атлас. Под ред. А.Г. Чучалина. М.: Издательство «Атмосфера», 2004: 112.

29. Шапиро Н.А. Цитологическая диагностика заболеваний легких: Цветной атлас. 2005: 208.

30. Иванова Л.Г. Биологическое действие пылей бурых углей на бронхолегочную систему и иммунокомпетентные органы (экспериментальное морфологическое исследование). Гигиена труда и профессиональные заболевания. 1990; 2: 21-4.