Человечество с самого начала своего возникновения живет среди наночастиц, которые присутствуют в окружающей среде, в продуктах питания и т.д. Наши клетки содержат большое количество молекулярных машин – органелл клеток, наши кости построены из наночастиц гидроксилапатита… Тем не менее, с увеличением объемов промышленного производства концентрация и «ассортимент» наночастиц вокруг нас все больше и больше увеличивается и остро начинает вставать вопрос о безопасности наноматериалов и нанообъектов. Предположите, какие физико-химические свойства наноматериалов являются наиболее важными при оценке их токсичности для человека? Обоснуйте свой ответ. (до 5 баллов).
Размер (и удельная площадь поверхности) (менее 50-100 нм – проникновение через физиологические барьеры, свободная циркуляция в крови и лимфе, нечувствительность клетками иммунной системы; менее 5-10 нм – возникающая из-за высокой кривизны поверхности повышенная химическая активность, резкое изменение физических свойств и т.п.), растворимость в воде и биологических жидкостях (чем меньше – тем выше токсичность, т.к. токсичность растворимых наночастиц не отличается от токсичности обычных молекулярных растворов их компонентов), заряд (чем выше заряд – тем выше токсичность, т.к. повышается химическая активность наночастиц и уменьшается способность к агломерации наночастиц), способность генерировать свободные радикалы (свободные радикалы вызывают повреждение клеток и тканей).
Каков механизм повреждения культивируемых in vitro живых клеток млекопитающих следующими техногенными наночастицами: а) оксида железа (III) (2 балла), б) диоксида кремния (1 балл), в) золота (2 балла), г) диоксида титана (2 балла), д) оксида алюминия (1 балл) (все наночастицы имеют примерно одинаковый размер: 20-40 нм). В каких условиях возможно повреждение клеток этими наночастицами (до 5 баллов).
а) за счет химического повреждения липидов и белков самими наночастицами и сгенерированными ими свободными радикалами, за счет денатурации белков при разогреве под воздействием переменного магнитного поля; б) за счет химического повреждения липидов и белков самими наночастицами и сгенерированными ими свободными радикалами; в) за счет химического повреждения липидов и белков самими наночастицами и за счет денатурации белков при разогреве под воздействием электромагнитного излучения; г) за счет химического повреждения липидов и белков самими наночастицами и сгенерированными ими свободными радикалами, за счет повреждения свободными радикалами белков и липидов при их генерации под воздействием электромагнитного излучения; д) за счет химического повреждения липидов и белков самими наночастицами и сгенерированными ими свободными радикалами.
Повреждения возможны а) в темноте в стандартных условиях (наночастицы оксида железа, диоксида кремния, золота, диоксида титана, оксида аллюминия); б) под воздействием электромагнитного излучения (наночастицы золота и диоксида титана; в) под воздействием переменного магнитного поля (наночастицы оксида железа).
Перечислите возможные пути попадания в организм человека наночастиц, используемых в промышленности и медицине? (до 5 баллов). При каком из этих путей попадания в организм, например, техногенных наночастиц диоксида кремния, они наиболее токсичны для человека (2 балла)?
Основными путями поступления наночастиц в организм человека являются: ингаляционный, пероральный и перкутанный (через кожу). Возможно также поступление наночастиц в организм человека с парентерально вводимыми лекарствами и миграция из протезного материала.
Наночастицы диоксида кремния наиболее токсичны для человека при ингалляционном и парентеральном (внутривенном) введении, т.к. в обоих случаях вероятность аккумуляции наночастиц в токсичных концентрациях в жизненно-важных органах наиболее высока. Сравнить токсичность при ингалляционном и внутривенном введении проблематично, т.к. в первом случае используется сухой нанопорошок, а во втором случае – водная суспензия наночастиц.
В каких органах аккумулируются наночастицы при их внутривенном введении лабораторным мышам? (до 5 баллов).
Наночастицы (на примере наночастиц оксида титана) внутривенном введении аккумулируются в наибольшей степени в печени, в меньшей степени: в легких, почках, селезенке, сердце, половых железах, в наименьшей степени – в мозгу. В зависимости от типа наночастиц профиль их распределения в различных органах может сильно изменяться. Эта проблема находится в стадии изучения и в настоящее время еще недостаточно данных для точного ответа на этот вопрос. Однако, основная функция печени - обезвреживание и удаление из организма различных чужеродных веществ делает этот орган основным фильтром для наночастиц (несмотря на то, что некоторая часть наночастиц благодаря своим размерам может проникать и накапливаться в других органах). Важной функцией легких также является неспецифическая защита организма от чужеродных веществ, которая осуществляется альвеолярными макрофагами, поэтому часть наночастиц задерживается в легких. Аналогичные функции выполняет селезенка - удаляет из крови бактерии, форменные элементы крови и инородные частицы, поэтому во многих работах показано значительное накопление наночастиц в селезенке. Несмотря на способность к прохождению через гематоэнцефалический барьер для значительной части наночастиц он может служить препятствием для попадания из кровотока в мозг, поэтому в мозгу, как правило, аккумулируется наименьшее количество наночастиц. Возможны и другие предположения.