Экспериментальное исследование механизма действия и сравнительная оценка токсичности цинксодержащих нано- и микрочастиц при подострой ингаляционной экспозиции

Введение. Крупнотоннажное производство цинксодержащих наночастиц в виде оксидов, сплавов с медью (латунь), алюминием, магнием и другими металлами и широкое применение этих материалов повышают вероятность экспозиции населения, что увеличивает риск развития новых или более выраженных негативных эффектов по сравнению с микрочастицами.

Цель работы – исследование особенностей механизма действия и сравнительная оценка токсичности цинксодержащих нано- и микрочастиц при подострой ингаляционной экспозиции в эксперименте на примере ZnO.

Материалы и методы. Проведена сравнительная оценка химических и физических свойств наночастиц (НЧ) и микрочастиц (МЧ) ZnO, особенностей их биораспределения, накопления и токсического действия при подострой ингаляционной экспозиции в концентрации 0.5 мг/м³ в эксперименте на крысах.

Результаты. При сходном химическом составе НЧ ZnO отличаются от МЧ (до 1 млн раз) по физическим показателям, поэтому уровень их накопления выше (до 1,3 раза), а перечень органов, подверженных накоплению, – шире. НЧ вызывают более выраженное (до 2,5 раза относительно МЧ) изменение биохимических и гематологических показателей крови, патоморфологические изменения в головном мозге, лёгких и печени, нарушения поведенческих реакций (в 1,5 раза относительно МЧ).

Ограничения исследования. Исследование выполнено только при подострой ингаляционной экспозиции на самках крыс линии Wistar.

Заключение. НЧ ZnO обладают отличными от МЧ физическими свойствами, что обусловливает повышенное бионакопление и большее число органов биораспределения. При воздействии НЧ сильнее выражены окислительный стресс, цитолиз, угнетение тромбоцитопоэза, нарушение синтеза мочевины, дисбаланс нейромедиаторов, диспротеинемия, нарушение кровообращения в тканях лёгких и головного мозга, воспалительные изменения паренхимы печени, развитие стрессовой реакции. Полученные результаты позволят повысить эффективность научно обоснованных мер профилактики, направленных на минимизацию рисков для здоровья населения, при аэрогенной экспозиции цинксодержащими наноматериалами.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено в соответствии с Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных или в иных научных целях (ETS № 123) и требованиями этического комитета ФНЦ Медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения (протокол № 3 от 14.02.2023 г.).

Участие авторов:
Зайцева Н.В. – концепция и дизайн исследования; Землянова М.А. – обработка материала, редактирование;
Степанков М.С. – сбор материала, обработка материала, написание текста;
Пустовалова О.В. – сбор и обработка материала;
Николаева А.Е. – сбор и обработка материала.
Все соавторы – утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех её частей.

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

Финансирование. Исследование выполнено за счёт федерального бюджета.

Поступила: 22.07.2025 / Поступила после доработки: 29.08.2025 / Принята к печати: 15.10.2025 / Опубликована: 14.11.2025

1. Pola A., Tocci M., Goodwin F.E. Review of microstructures and properties of zinc alloys. Metals. 2020; 10(2): 253. https://doi.org/10.3390/met10020253

2. Shah T., Surendar S., Singh S. Green synthesis of zinc oxide nanoparticles using ananas comosus extract: preparation, characterization, and antimicrobial efficacy. Cureus. 2023; 15(10): e47535. https://doi.org/10.7759/cureus.47535

3. Adil M., Bashir S., Bashir S., Aslam Z., Ahmad N., Younas T., et al. Zinc oxide nanoparticles improved chlorophyll contents, physical parameters, and wheat yield under salt stress. Front. Plant. Sci. 2022; 13: 932861. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.932861

4. Gauba A., Hari S.K., Ramamoorthy V., Shanmugaiah V., Ganesan G., Arasu M.V. The versatility of green synthesized zinc oxide nanoparticles in sustainable agriculture: A review on metal-microbe interaction that rewards agriculture. Physiol. Mol. Plant Pathol. 2023; 125: 102023. https://doi.org/10.1016/j.pmpp.2023.102023

5. Youn S.M., Choi S.J. Food additive zinc oxide nanoparticles: dissolution, interaction, fate, cytotoxicity, and oral toxicity. Int. J. Mol. Sci. 2022; 23(11): 6074. https://doi.org/10.3390/ijms23116074

6. Espitia P.J.P., Otoni C.G., Soares N.F.F. Zinc oxide nanoparticles for food packaging applications. In: Barros-Velázquez J., ed. Antimicrobial Food Packaging. Elsevier; 2016: 425–31. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800723-5.00034-6

7. Nisansala H.M.D., Rajapaksha G.K.M., Dikella D.G.N.V., Dheerasinghe M., Sirimuthu N.M.S., Patabendige C.N.K. Zinc oxide nanostructures in the textile industry. Indian Journal of Science and Technology. 2021; 14(46): 3370–95. https://doi.org/10.17485/IJST/v14i46.1052

8. Rahman H.S., Othman H.H., Abdullah R., Edin H.Y.A.S., Al-Haj N.A. Beneficial and toxicological aspects of zinc oxide nanoparticles in animals. Vet. Med. Sci. 2022; 8(4): 1769–79. https://doi.org/10.1002/vms3.814

9. Fernández-Bertólez N., Alba-González A., Touzani A., Ramos-Pan L., Méndez J., Reis A.T., et al. Toxicity of zinc oxide nanoparticles: Cellular and behavioural effects. Chemosphere. 2024; 363: 142993. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.142993

10. Singh R., Cheng S., Singh S. Oxidative stress-mediated genotoxic effect of zinc oxide nanoparticles on Deinococcus radiodurans. 3 Biotech. 2020; 10(2): 66. https://doi.org/10.1007/s13205-020-2054-4

11. Aude-Garcia C., Dalzon B., Ravanat J.L., Collin-Faure V., Diemer H., Strub J.M., et al. A combined proteomic and targeted analysis unravels new toxic mechanisms for zinc oxide nanoparticles in macrophages. J. Proteomics. 2016; 134: 174–85. https://doi.org/10.1016/j.jprot.2015.12.013

12. Pinho A.R., Martins F., Costa M.E.V., Senos A.M.R., Silva O.A.B.D.C.E., Pereira M.L., et al. In vitro cytotoxicity effects of zinc oxide nanoparticles on spermatogonia cells. Cells. 2020; 9(5): 1081. https://doi.org/10.3390/cells9051081

13. Almansour M.I., Alferah M.A., Shraideh Z.A., Jarrar B.M. Zinc oxide nanoparticles hepatotoxicity: Histological and histochemical study. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2017; 51: 124–30. https://doi.org/10.1016/j.etap.2017.02.015

14. Tian L., Lin B., Wu L., Li K., Liu H., Yan J., et al. Neurotoxicity induced by zinc oxide nanoparticles: age-related differences and interaction. Sci. Rep. 2015; 5: 16117. https://doi.org/10.1038/srep16117

15. Землянова М.А., Степанков М.С. Особенности токсического действия, обусловленного биораспределением и бионакоплением нано- и микрочастиц оксида меди (II). Гигиена и санитария. 2024; 103(5): 477–82. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2024-103-5-477-482 https://elibrary.ru/pndofm

16. Zemlyanova M.A., Zaitseva N.V., Stepankov M.S., Ignatova A.M. Sub-acute inhalation exposure to aluminum oxide nanoparticles and its effects on wistar rats as opposed to the micro-sized chemical analog. Pharm. Nanotechnol. 2024; 12(5): 438–48. https://doi.org/10.2174/0122117385258822230926043845

17. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. Пер. с англ. М.: Мир; 1984. https://elibrary.ru/ztyaxd

18. 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.

19. Chithrani B.D., Ghazani A.A., Chan W.C.W. Determining the size and shape dependence of gold nanoparticle uptake into mammalian cells. Nano Lett. 2006; 6(4): 662–8. https://doi.org/10.1021/nl052396o

20. Liu Z., Lv X., Xu L., Liu X., Zhu X., Song E., et al. Zinc oxide nanoparticles effectively regulate autophagic cell death by activating autophagosome formation and interfering with their maturation. Part. Fibre Toxicol. 2020; 17(1): 46. https://doi.org/10.1186/s12989-020-00379-7

21. Choudhury S.R., Ordaz J., Lo C.L., Damayanti N.P., Zhou F., Irudayaraj J. From the cover: zinc oxide nanoparticles-induced reactive oxygen species promotes multimodal cyto- and epigenetic toxicity. Toxicol. Sci. 2017; 156(1): 261–74. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfw252

22. Jain A.K., Singh D., Dubey K., Maurya R., Pandey A.K. Zinc oxide nanoparticles induced gene mutation at the HGPRT locus and cell cycle arrest associated with apoptosis in V-79 cells. J. Appl. Toxicol. 2019; 39(5): 735–50. https://doi.org/10.1002/jat.3763

23. Sharma V., Anderson D., Dhawan A. Zinc oxide nanoparticles induce oxidative DNA damage and ROS-triggered mitochondria mediated apoptosis in human liver cells (HepG2). Apoptosis. 2012; 17(8): 852–70. https://doi.org/10.1007/s10495-012-0705-6

24. Czyżowska A., Barbasz A., Rudolphi-Szydło E., Dyba B. The cell membrane as the barrier in the defense against nanoxenobiotics: Zinc oxide nanoparticles interactions with native and model membrane of melanoma cells. J. Appl. Toxicol. 2022; 42(2): 334–41. https://doi.org/10.1002/jat.4216

25. Khan M., Naqvi A.H., Ahmad M. Comparative study of the cytotoxic and genotoxic potentials of zinc oxide and titanium dioxide nanoparticles. Toxicol. Rep. 2015; 2: 765–74. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2015.02.004

26. Mendoza-Milla C., Macías Macías F.I., Velázquez Delgado K.A., Herrera Rodríguez M.A., Colín-Val Z., Ramos-Godinez M.D.P., et al. Zinc oxide nanoparticles induce toxicity in H9c2 rat cardiomyoblasts. Int. J. Mol. Sci. 2022; 23(21): 12940. https://doi.org/10.3390/ijms232112940

27. Wang L., Wang L., Ding W., Zhang F. Acute toxicity of ferric oxide and zinc oxide nanoparticles in rats. J. Nanosci. Nanotechnol. 2010; 10(12): 8617–24. https://doi.org/10.1166/jnn.2010.2483

28. Zhuo L.B., Liu Y.M., Jiang Y., Yan Z. Zinc oxide nanoparticles induce acute lung injury via oxidative stress-mediated mitochondrial damage and NLRP3 inflammasome activation: In vitro and in vivo studies. Environ. Pollut. 2024; 341: 122950. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122950

29. Alhoqail W.A., Alothaim A.S., Suhail M., Iqbal D., Kamal M., Asmari M.M., et al. Husk-like zinc oxide nanoparticles induce apoptosis through ROS generation in epidermoid carcinoma cells: effect of incubation period on sol-gel synthesis and anti-cancerous properties. Biomedicines. 2023; 11(2): 320. https://doi.org/10.3390/biomedicines11020320

30. Thakur S., Kumar V., Das R., Sharma V., Mehta D.K. Biomarkers of hepatic toxicity: an overview. Curr. Ther. Res. Clin. Exp. 2024; 100: 100737. https://doi.org/10.1016/j.curtheres.2024.100737

31. Karakas D., Xu M., Ni H. GPIbα is the driving force of hepatic thrombopoietin generation. Res. Pract. Thromb. Haemost. 2021; 5(4): e12506. https://doi.org/10.1002/rth2.12506

32. Thomsen K.L., Grønbæk H., Glavind E., Hebbard L., Jessen N., Clouston A., et al. Experimental nonalcoholic steatohepatitis compromises ureagenesis, an essential hepatic metabolic function. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2014; 307(3): G295–301. https://doi.org/10.1152/ajpgi.00036.2014

33. De Chiara F., Heebøll S., Marrone G., Montoliu C., Hamilton-Dutoit S., Ferrandez A., et al. Urea cycle dysregulation in non-alcoholic fatty liver disease. J. Hepatol. 2018; 69(4): 905–15. https://doi.org/10.1016/j.jhep.2018.06.023

34. De Chiara F., Thomsen K.L., Habtesion A., Jones H., Davies N., Gracia-Sancho J., et al. Ammonia scavenging prevents progression of fibrosis in experimental nonalcoholic fatty liver disease. Hepatology. 2020; 71(3): 874–92. https://doi.org/10.1002/hep.30890

35. Albano G.D., Gagliardo R.P., Montalbano A.M., Profita M. Overview of the mechanisms of oxidative stress: impact in inflammation of the airway diseases. Antioxidants (Basel). 2022; 11(11): 2237. https://doi.org/10.3390/antiox11112237

36. Aschner M., Skalny A.V., Lu R., Martins A.C., Tsatsakis A., Miroshnikov S.A., et al. Molecular mechanisms of zinc oxide nanoparticles neurotoxicity. Chem. Biol. Interact. 2024; 403: 111245. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2024.111245

37. Chen D., Lou Q., Song X.J., Kang F., Liu A., Zheng C., et al. Microglia govern the extinction of acute stress-induced anxiety-like behaviors in male mice. Nat. Commun. 2024; 15(1): 449. https://doi.org/10.1038/s41467-024-44704-6

38. Ghit A., Assal D., Al-Shami A.S., Hussein D.E.E. GABAA receptors: structure, function, pharmacology, and related disorders. J. Genet. Eng. Biotechnol. 2021; 19(1): 123. https://doi.org/10.1186/s43141-021-00224-0

39. Balint B., Jepchumba V.K., Guéant J.L., Guéant-Rodriguez R.M. Mechanisms of homocysteine-induced damage to the endothelial, medial and adventitial layers of the arterial wall. Biochimie. 2020; 173: 100–6. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2020.02.012

40. Peng J., Zhu G., Xiao S., Liu S. Elevated homocysteine levels predict hospital-acquired pneumonia and poor functional outcomes in primary intracerebral hemorrhage. Front. Neurol. 2022; 13: 926963. https://doi.org/10.3389/fneur.2022.926963

41. Wu Q., Liu J., Wang Y., Cheng Y., Liu M. Higher serum homocysteine levels are associated with an increased risk of hemorrhagic transformation in patients with acute ischemic stroke. BMC Neurol. 2023; 23(1): 103. https://doi.org/10.1186/s12883-023-03137-2

42. Zhou Z., Liang Y., Qu H., Zhao M., Guo F., Zhao C., et al. Plasma homocysteine concentrations and risk of intracerebral hemorrhage: a systematic review and meta-analysis. Sci. Rep. 2018; 8(1): 2568. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21019-3