Лекция №9. Перенос нанообъектов в организме человека и окружающей среде

9.1 Источники поступления НЧ в ОС

     НЧ в ОС – явление не новое. К настоящему времени кроме естественных источников поступления НЧ, существует множество источников ненамеренного антропогенного загрязнения ОС. С началом эры НТ к ним добавляется целый ряд намеренно созданных источников поступления НО в различные природные среды (таблица 3). Схема миграции НЧ в окружающей среде представлена на рисунке 8 [37,60,66].
     В атмосфере НЧ с линейным размером менее 100 нм ведут себя в соответствии с газовыми законами [36,115]. Скорость их диффузии обратно пропорциональна размеру, а скорость гравитационного осаждения – пропорциональна размеру.

Таблица 3

Источники поступления НЧ в ОС [97]

Рисунок 8. Пути миграции НЧ, подтвержденные экспериментально (сплошная линия), и предполагаемые (точки). Возможные источники и причины деградации обозначены курсивом.

9.2 Пути поступления НО в организм человека

     Как и для широко изученных загрязняющих веществ, миграция НЧ в ОС и последующее воздействие на живые организмы связано

• с ингаляцией, то есть поступлением с вдыхаемым воздухом через легкие;
• поступлением с водой и пищей через ЖКТ;
• поступлением через кожные покровы и слизистые оболочки;
• воздействием со стороны загрязненных поверхностей;
• поступлением через жабры в кровеносную систему водных организмов.

Однако, большинство НО нельзя однозначно отнести к «загрязняющим» веществам, они могут поступать в организм человека

• за счет намеренного воздействия при инъекциях или иных медицинских, косметических или оздоровительных процедурах;

• из-за постоянного контакта с бытовыми предметами и материалами, выполненными с использованием НО.

Если пути миграции в ОС и воздействия на жизнедеятельность организмов достаточно очевидны (кроме последнего), то о миграционных свойствах НЧ в ОС известно крайне мало. В условиях явно недостаточной информации о миграционной способности НО в ОС и организмах крайне привлекательными выглядят попытки использовать накопленные к настоящему времени обширные знания о миграции мезо- и микрочастиц такой же химической природы. Однако такие попытки сразу сталкиваются с серьёзными проблемами, связанными, по-видимому, с высокой удельной поверхностью НЧ по сравнению с удельной поверхностью их аналогов. Следствием этого является не только отмеченная в различных работах значительно повышенная растворимость НЧ, но и их потенциально высокая сорбционная способность и высокая энергия связи с другими молекулами. Это приводит к образованию в растворах сложных и малоизученных комплексов с окружающими молекулами, меняющими миграционные способности НЧ.

Из-за очень большой удельной поверхности НЧ относительная значимость пути проникновения и воздействия на живые организмы через их поверхность может быть более высокой, чем для «обычных» веществ. В то же время исследования размеров НЧ в атмосферном воздухе населенных пунктов и вблизи мест производственной деятельности показывают значительный разброс, как их размеров, так и концентраций (таблица 4).

Таблица 4

Типичные концентрации и размеры аэрозольных НЧ в атмосфере

как результат человеческой деятельности.

Так как миграционные способности НЧ зависят не только от их химической природы, но от их размера и структуры, сильно влияющих на величину их удельной поверхности, неопределённость в оценке их миграционной способности значительна. В настоящее время подходы, основанные на оценке дозы по общей поверхности НЧ в единице объема, полагаются наиболее адекватными, хотя иногда применяются и способы оценки дозы на основе числа частиц или массовой концентрации [61,66,86,88] (таблица 5). Миграционные способности НЧ в водной среде ещё более зависимы от их удельной поверхности, чем в атмосферном воздухе.

Таблица 5

Соотношение между числом НЧ и их поверхностью для разного линейного размера НЧ при концентрации в воздухе 10 мкг/м 3.

9.3 Миграция НО в организме человека

Размер НЧ оказывается существенным фактором при определении их растворимости (следовательно, физико-химической формы их нахождения в растворе), способности поступать внутрь живых организмов и проникать в клетки через клеточные мембраны. А такие способности, как обсуждается ниже, присущи целому ряду НО, которые могут проникать через клеточные мембраны во внутриклеточное пространство, представляя серьёзную угрозу, как метаболизму, так и процессам, связанным с использованием генетического материала клетки (транскрипция, репликация, репарация) [33-48,56,57,60,65,66,68,72,77-79,89,90,97].

Рисунок 9. Пути миграции ингалированных НЧ в организме человека

и их возможное воздействие на организм.

К сожалению, специальных экспериментов или исследований миграции ОНТ в человеческом организме, среди рассмотренной литературы не отмечено, однако ряд работ ставит вопрос о экстраполяции результатов экспериментов с животными (крысы, мыши) и культурами человеческих тканей in situ на организмы in vivo. Все эти работы находятся пока на начальной стадии. Заманчиво адапитровать обширные экспериментальные данные и модели метаболизма различных химических соединений для описания трансформации и переноса НЧ сходной структуры или химических свойств в живых организмах и, таким образом, оценить вероятную токсичность НЧ по токсичности их мезо- и микроаналогов. Фактически, именно такие подходы позволили выработать модели миграции НЧ в организме человека (рисунок 9) и таким образом использовать имеющиеся данные (рисунок 10) для предварительного анализа и оценки риска [60,65-66,100-102].

В целом, имеющийся набор данных о миграции НО в живых организмах позволяет утверждать:

• разовое поступление НО в организм животного вызывает воспалительный эффект, величина которого зависит от дозы НО;

• НО накапливаются в органах и тканях;

• проникая и накапливаясь в костном мозге и нервных клетках центральной (ЦНС) и перифирической нервной системы ПНС), НО оказывают негативное воздействие на функционирование ЦНС и ПНС, приводя к хроническим воспалениям и нарушениям сердечно-сосудистой деятельности;

• НО накапливаются в лимфоузлах, костном мозге, легких, печени, почках.

Рисунок 10. Зависимость осаждаемости НЧ в дыхательном тракте от их линейного размера

Одновременно следует иметь ввиду, что

• отсутствуют данные по долговременному воздействию НО на организм человека;

• отсутствуют данные по долговременному воздействию НО на организм животных;

• имеющиеся данные в основном получены на лабораторных мышах и крысах in vitro, данные in vivo практически полностью отсутствуют.

9.4 Механизмы проникновения НО внутрь живой клетки

Проведенные к настоящему времени эксперименты позволяют утверждать, что

• НО способны воздействовать на метаболизм живой клетки, нарушая его естественный ход, в том числе за счет образования свободных радикалов;

• на клеточном уровне НО способны проникать внутрь митохондрий и блокировать митохондриальную активность;

• НО способны вызывать повреждение ДНК в экспериментах с изолированными клетками, в том числе за счет блокирования рибосомной активности.

Установленные механизмы проникновения НО внутрь живых клеток через биобарьеры приведены на рисунке 11 [81,138]. Очевидно, что проникновение НО через поверхностные клетки легких человека (эффективная площадь около 140 м 2) и ЖКТ ( 200 м 2) более значимо, чем через неповрежденную поверхность кожи ( 1.5 м 2).

а)

б)

Рисунок 11. Экспериментально установленные механизмы проникновения НО:

(а) внутрь живых клеток, преодоления клеточных барьеров;

(б) модельные механизмы их проникновения в клетку и поведения внутри.