Пути поступления наночастиц в организм

Как уже отмечалось, в настоящее время все возрастающее внимание во всем мире уделяется перспективам развития нанотехнологий. Наноматериалы уже находят применение в микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической промышленности, научных исследованиях. В этой связи необходимо уделить внимание процессам их поступления и распределения в живых системах.

Основные пути поступления наночастиц, как и других ксенобиотиков, – это желудочно-кишечный тракт, кожа и дыхательные пути. Здесь важно отметить следующее. Для растворимых наночастиц основным путем является желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Для гидрофобных наночастиц (фуллерены, УНТ) преимущественный путь поступления – через органы дыхания в виде аэрозолей.

Отметим интересные данные о проникновении наночастиц через органы дыхания. Это весьма распространенный канал. Частицы аэрозолей могут быть ингалированы, если их аэродинамический диаметр меньше 10 микрон. Частицы, размером один нм, не могут достигнуть легочных альвеол; они депонируются в верхних областях легких. Частицы, размером пять нм, депонируются относительно равномерно в носу и зеве, трахее и бронхиолах и, наконец, в альвеолах. Более 50 % наночастиц, имеющих размеры 20 нм, скапливается в альвеолах.

Волокна – это частицы, соотношение длины которых к диаметру составляет не менее чем 3:1. Их проникновение в легкие также зависит от аэродинамических свойств. Волокна маленького диаметра проникают в легкие глубже, чем более длинные (>>20 мкм), которые, в основном, застревают в более высоких отделах дыхательных путей.

Ингалированные волокна, которые персистируют в альвеолах, могут взаимодействовать с легочными эпителиальными клетками или даже проникать через альвеолярную стенку и попадать в ткань легкого. Далее, волокна могут откладываться внутриклеточно или между клетками, составляющими альвеолярную стенку.

Использование наночастиц оксида титана, оксида цинка и др. в косметических изделиях открывает канал проникновения через кожу.

Наноматериалы, поступающие в почву, грунтовые воды и воды открытых водоемов в результате антропогенной деятельности, могут проникать в ткани несовершенных грибов и водорослей. Наночастицы проникают через клеточные стенки и достигают плазматической мембраны. Следующий за этим эндоцитоз, а также проникновение наночастиц через ионные каналы или с помощью транспортных белков обуславливают попадание наночастиц в цитоплазму и клеточные органеллы. Находящиеся внутри клеток наночастицы способны оказывать влияние на метаболические процессы грибов и водорослей. Поскольку степень токсического воздействия (угнетение фотосинтетических процессов и газообмена, образование свободных радикалов) наночастиц на эти организмы определяется в основном химическим составом и поверхностной реакционной способностью наноматериалов, при контроле их содержания в этих объектах окружающей среды необходимо учитывать прежде всего эти параметры.

Некоторые наночастицы, обладающие антимикробным и противогрибковым действием, могут оказывать влияние на жизнедеятельность свободноживущих азотфиксирующих бактерий и, таким образом, нарушать равновесие в симбиотических взаимодействиях между грибами, бактериями и растениями. Это может привести к существенным нарушениям в экосистеме. Кроме того, попадание наночастиц в такие объекты окружающей среды, как грибы, может отрицательно сказаться на функциях этих организмов при защите растений-хозяев от фитопатогенов и факторов оксидативного стресса. Трофический переход наночастиц обуславливает высокую вероятность их попадания в ткани почвенных животных, основным источником питания которых являются грибы и бактерии. Таким образом, попадание наноматериалов в любой компонент биоценоза может привести к внедрению наночастиц в другие объекты данной системы. При этом контаминация наночастицами водорослей и грибов является информативным индикатором, позволяющим принимать оперативные меры по предотвращению последствий загрязнения. Перечень объектов, в которых проводится контроль на содержание наночастиц:

1. ткани несовершенных грибов (мицелий);

2. ткани водорослей (у крупных макрофитов – слоевище).

3. ткани миксомицетов (плазмодий, плодовые тела)

4. лишайники (слоевище).

Попадание наноматериалов в ткани наземных растений с последующим накоплением и встраиванием наночастиц в пищевые цепи может происходить несколькими путями. Перенос загрязняющих почву и грунтовые воды наночастиц осуществляется с помощью корневой системы растения посредством эндоцитоза; наземная часть растительных организмов подвергается экспозиции наночастицами, содержащихся в атмосферном воздухе. При этом растения с большим индексом площади поверхности листьев аккумулируют большие количества наночастиц, увеличивая приток наноматериалов в пищевые цепи. Преднамеренное использование нанопрепаратов в растениеводстве (при послеуборочной обработке различных сельскохозяйственных культур, хранении овощей и фруктов в регулируемых газовых средах, предпосевной обработке и протравливании семян, в качестве пестицидов, наноудобрений, стимуляторов роста растений, в составе гидропонических растворов и других целях) также обуславливает аккумуляцию наночастиц в тканях растений.Перечень тканей наземных растений, в которых проводится контроль на содержание искусственных наночастиц:

1. листья;

2. корни;

3. плоды.

Попадание наночастиц в ткани наземных животных обусловлено двумя факторами – распространением наночастиц в почвах, грунтовые водах и тканях наземных растений, а также направленным использованием препаратов, содержащих наночастицы, в агропромышленном комплексе – в целях обеззараживания воздуха и различных материалов животноводческих помещений, при стимуляции роста кормовых растений, в ветеринарии, для улучшения качества кормов. Наночастицы металлов включают в состав премиксов для повышения жизнестойкости животных и их продуктивности. Материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами, в виде красок, бесхлорных средств дезинфекции, перевязочных материалов, лака для покрытия катетеров применяются в ветеринарии для борьбы со стафилококковыми и другими инфекциями. Наносеребро может использоваться в доильных аппаратах, в фильтрах систем кондиционирования животноводческих помещений. Поскольку реакционная способность и биологическая активность наночастиц зависит от их состава, размеров, концентрации, заряда, площади поверхности, необходимо учитывать эти параметры при контроле содержания наночастиц в животных организмах. Перечень органов и тканей наземных животных, в которых контролируется содержание наночастиц: органы пищеварительной системы (кишечник, печень); органы дыхательной системы (легкие); органы мочевыделительной системы (почки); органы и ткани кровеносной системы (сердце, кровь); органы нервной системы (мозг); покровные ткани (кожа); экскреты (моча, молоко).

Что касается человека, то можно ограничиться приведенной на рис.7.10. схемы.

Рис. 7.10. Схема путей поступления, распределения и выведения наноматериалов в организме человека [Oberdorster, 2005].

Кинетика веществ в организме – это, по сути, преодоление ими биологических барьеров и распределение между компартментами. В общем случае описание процессов в терминах ксенокинетики заключается в изучении скорости изменения во времени концентрации ксенобиотика. Наиболее доступный и информативный способ получения сведений об абсорбции ксенобиотика – анализ проб, отбираемых во времени с последующим построением зависимости концентрации ксенобиотика в организме от времени. При описании закономерностей накопления и выведения ксенобиотика в организме можно рассматривать как отдельные органы или ткани (однокомпартментная система), так как и на уровне целостного организма (многопартментая система), причем ксенобиотик может поступать одноразово и многоразово.

Однокомпартментная система. Разовая доза. Попадание в организм разовой дозы вещества приводит к появлению определенного количества этого вещества в тканях. В процессах метаболизма и экскреции это вещество выводится из организма с определенной скоростью. Например, была изучена скорость выведения ДДТ из организма человека (рис. 7.11, а, б). Добровольцы проглатывали определенное количество ДДТ, после чего это вещество появлялось в тканях. Концентрационная зависимость ДДТ в жировой ткани, представленная в виде функции от времени, имела экспоненциальный характер.

Рис. 7.11. Концентрация ДДТ в жировой ткани человека при одноразовом его приеме

В этом случае зависимость, представленная в полулогарифмических координатах, выражается прямой линией, наклон которой определяет константу скорости реакции (рис. 7.11, б). Период полувыведения составил 3,7 года.

Многократное дозирование. В природной среде воздействие вещества на организм редко ограничивается разовой дозой. Если в окружающей среде вещество распределено повсеместно, организм подвергается его воздействию непрерывно. Рассмотрим, что произойдет, если организм ежедневно получает дозу в 1 г вещества, период полувыведения которого в этом организме составляет 24 ч (табл. 7.1). Для упрощения предположим, что организм поглощает все вещество и что доза вводится за короткий промежуток времени. В начальный момент (первый день) вещество в организме отсутствует. После введения дозы содержание вещества в организме составляет 1 г. На второй день, спустя 24 ч после приема первой дозы, организм содержит лишь 0,5 г вещества. Введение еще 1 г вещества повышает его общее содержание до 1,5 г. На третий день, перед введением вещества, его содержание снижается вновь наполовину, до 0,75 г, а после введения новой порции составит 1,75 г и т. д.

Таблица 7.1