Все сейчас как минимум слышали о гормонах: веществах вырабатываемых в организме в очень малых количествах, но имеющих колоссальное и довольно сложное воздействие на физиологические системы. Гормоны могут быть как сложной природы, типа инсулина, так и простой, такие как адреналин. Гормоны используют все сложные организмы, имеющие разнообразные специализированные системы. У одноклеточных организмов аналогом гормонов являются промоторы, непосредственно активирующие ДНК и запускающие биосинтез белка.
Речь с статье, разумеется, пойдёт о наночастицах и их биологическом действии. Наночастицы изучаются уже много десятилетий и уже больше полувека широко применяются в медицинской практике (коллоиды серебра и золота, разумеется – гораздо дольше). Есть масса до конца не решённых вопросов и в нанотоксикологии – негативном действии наночастиц. В одном мнении различные группы сходятся: наночастицы физиологически активны.
Немного о токсичности.
Мы исследовали довольно широкий спектр различных наночастиц: хромиты, ферриты кобальта, марганца и цинка, оксиды железа, сульфид меди, селениды меди и железа, оксид марганца, оксид молибдена, элементарные селен, серу и серебро. Ещё некоторое количество было забраковано по причине низкой устойчивости их водных дисперсий (например – весьма интересные системы борофосфатных стёкол, сульфид селена, элементарная медь). Впрочем, даже исследованный список показывал схожие результаты: в 10-20 раз сниженную острую и подострую токсичность в сравнении с солевыми формами. Токсичность была ниже и в сравнении с хелатированными формами ионов металлов.
Первый подводный камень в наших исследованиях появился, когда метаболические процессы в организмах (поросят) привели к чрезмерно быстрому разрушению стабилизирующей полимерной оболочки наночастиц. Оболочка была сформирована из модифицированных крахмалов, которые расщеплялись в организме и в итоге высвобождали минеральное “ядро” частицы. При их замене на декстраны, гораздо более устойчивые к ферментам гидролиза, проблема снялась. Тем не менее, это был важный момент: на токсичность влияет не только состав наночастицы, но и её оболочка (либо её отсутствие)
“Антирезультат” проявился на наночастицах серебра, стабилизированных пектином, водный раствор которых заплесневел. То есть устойчивая оболочка и полное отсутствие свободных ионов серебра в растворе привели к полной утрате бактерицидных (и фунгицидных) свойств.
Второй раз высокий токсический эффект проявился, когда были синтезированы наночастицы минимально возможного в нашей серии размера. Наночастицы селена, синтезированные в присутствии ПАВ показали токсичность сравнимую с раствором селенита натрия. Впрочем, не исключён и синергетический эффект ПАВ, который являлся сильным эмульгатором, хотя и малотоксичным и разрешённым к медицинскому применению.
Тем не менее, результат повторился на наночастицах селенида меди, размеры которых были исключительно малы. ПАВ в этом синтезе не было, более того, наночастицы были тщательно очищены ионным обменом и диализом от посторонних примесей.
Расширенные опыты по фармакокинетике селена показали, что слишком мелкие частицы организм воспринимает как селенит натрия, а вот “средние” размеры – благотворно растягивают воздействие на неделю. “Крупные” коллоиды (более 150 нм), понятное дело, недопустимы, так как воспринимаются как посторонняя примесь и индуцируют воспалительный процесс.
Вопрос токсичности стал более-менее понятен (для наших систем) и управляем. Во всяком случае были выпущены и реализованы сотни литров нанопрепаратов для ветеринарии, и их применение не вызвало проблем.
Немного об активности.
Препараты для ветеринарии обычно монокомпонентны и имеют высокую концентрацию. Скажем, наиболее массовые препараты коллоидного гидроксида железа имеют концентрацию 75-100 г/кг по элементарному железу. (Одна из закрепившихся традиций в этой области – расчёт по содержанию элемента, так как при анализе методом титрования или ААС проводят минерализацию и форма нахождения элемента нивелируется). Их введение приводит к росту гемоглобина, на синтез которого требуется и расходуется весьма много железа. В их конкретном случае вряд ли исследовался нижний порог действия, так как препараты в любом случае применяются в значительных количествах и важнее тщательно проверить их токсичность в больших дозах.
Нанопрепараты для растениеводства наоборот – многокомпонентны и имеют очень низкую рабочую концентрацию и расходы. Гектарная доза наночастиц составляет лишь 0,5-0,6 г в расчёте на элементы. И даже это малое количество, разведённое в 300 л рабочего раствора и равномерно распылённое на площадь в 1 га (10000 м2) даёт уверенно фиксируемый отклик растений. 50 мкг на метр квадратный! Растение получает менее микрограмма наночастиц, и тем не менее это даёт отклик больший, чем использование сотен граммов/га хелатных микроудобрений. Баланс выноса микроэлементов показывает, что в общем выносе с урожаем микроэлементов с поля, который составляет единицы килограммов по чистым металлам/га, доля привносимая наночастицами исчезающе мала.
Первое проявление действия наночастиц на растение можно зафиксировать уже через 6-10 часов после опрыскивания листьев. Заметно усиливается синтез белка и затем растут концентрации микроэлементов в растении. Растут уровни и растительных гормонов, причём в значительно большей степени, чем при применении брассинолидов (препараты типа “
Эпин”), Результатом является усиленный прирост корневой системы и биомассы растения в целом. Опыты проводились в сравнении с контролем, получавшим точно такое же сбалансированное полноценное минеральное питание, но не получавшем наночастиц и разница прироста биомассы за вегетацию достигала сотен процентов. Урожайность росла примерно на 20-22%, значительно росла засухоустойчивость.
Схожие опыты потом были проведены на животных (крысы, поросята) и птице (цыплята). Действие наночастиц, подаваемых в выпаиваемой воде, начало проявляться при количествах 30-40 мкг/л. С учётом расходов воды цыплёнок в сутки получал единицы микрограмм наночастиц. Тем не менее, этого было достаточно для усиления метаболизма и усвоения компонентов комбикорма вплоть до токсикозов. (Промышленные комбикорма откорма бройлеров содержат весьма высокие концентрации минеральных солей тяжёлых металлов, типа меди, железа, цинка. Их состав рассчитан из наблюдений, что усваивается не более трети введённых солей, остальные уходят в помёт.) Откорм чистыми модельными кормами (без внесения минеральных солей) давал заметный прирост массы в сравнении с контролем. Применение промышленных кормов приводило к токсикозам и угнетению.
У поросят менялся состав тканей: накапливалось больше белка, меньше жира, были и заметные приросты массы. Угнетения не наблюдалось, что мы связываем в первую очередь с гораздо более щадящими по микроэлементам промышленными кормами.
Испытания на крысах в условиях стрессовой нагрузки показали хорошие результаты, наночастицы проявили себя как адаптоген.
А вот испытания на дрожжах оказались провалом. Никаких значимых результатов не наблюдалось, хотя анализ дрожжевой биомассы и сбросных вод показал высокое усвоение наночастиц и вовлечение их в метаболизм. Для обработки использовались наночастицы хромита цинка, и большая часть цинка была обнаружена в дрожжевой биомассе, а хрома – в сбросовых водах, что указывает на “переваривание” и распад наночастиц.
Биохимическая активность дрожжей в тесте с подъёмом теста изменялась незначительно.
Схожие невпечатляющие результаты были получены и при культивации водорослей, за исключением использования препаратов железа. Впрочем, тут скорее проявилось не действие частиц как таковых, а просто насыщение водорослей ионами железа (обычно они испытывают жёсткий дефицит этого микроэлемента ввиду его малой подвижности в природной воде)
Испытания наночастиц в сочетании с другими сильнодействующими агентами (была проведена короткая тестовая серия сравнения токсичности действия противоопухолевых препаратов на крысах) показали возрастание активности препаратов, при одновременном снижении их селективности.
Испытания показали общий итог: сложные организмы имеют сильный и разнообразный отклик на попадание наночастиц, а вот простейшие – достаточно равнодушны.
Немного о причинах и механизмах.
Точные причины и механизмы действия ещё предстоит установить будущим нобелевским лауреатам. Тема обширная и очень сложная. Пока можно лишь с уверенностью сказать, что простейшие организмы воспринимают наночастицы лишь как очередную форму металлов (наряду с хелатированными ионами или просто солями), и вовлекают её в метаболизм по своему усмотрению. Пограничные количества действующих веществ на сложных организмах: растениях, животных более всего напоминают действие гормонов. Но у природы не должно быть активных к наночастицам рецепторов! Возможная причина кроется в размерах частиц и составах и структуре их оболочек. Мы использовали в качестве стабилизаторов модифицированные полисахариды, и совершенно не исключено, что часть частиц получала поверхностные функциональные группы глюкозы, имитирующие структуру гормона и вызывающие отклик соответствующего рецептора. Так как частиц даже в микрограмме практически бесконечно много, возможна активация целого спектра рецепторов и сильный биологический ответ. В чём-то это похоже на действие препарата “Актовегин” и его аналогов, где действие налицо, а конкретное действующее вещество выделить невозможно.
При длительном постоянном применении растворов наночастиц отклик растений и животных снижался, что похоже на эффект истощения, наблюдаемый при длительной гормональной терапии.
Косвенные наблюдения (прямых пока ещё не проводилось) указывают на восстановление восприимчивости при введении перерыва между обработками.
Немного о проблемах и перспективах.
Со временем, думаю, будет установлен точный механизм действия наночастиц и выявлена связь между их формой, составом и структурой и откликом организма. Опять же повторюсь – тема очень сложная как в теоретическом плане, так и в экспериментальном. Анализ микроколичеств наночастиц в организме на текущий момент возможен, пожалуй, лишь при использовании радиоизотопных меток. В плане теории – сложно предсказать отклик организма при одновременной массовой активации большого количества различных систем. Отклик как минимум сильно зависит и от прочих факторов (скажем, отклики при белковом дефиците и нормальном питании животных будут совершенно разными) Анализ поверхностной структуры можно проводить с использованием антител к рецепторам, по анализу степени их специфического связывания.
Но на этом сложности ещё не заканчиваются, так как материалы поверхности наночастиц (в первую очередь полимерные стабилизаторы) способны реагировать с белками плазмы крови, меняя свою структуру и состав.
Перспективы у этого направления широкие.
Это и адаптогены для терапии истощения, либо стрессовых условий; имитаторы гормонов; поливалентные синтетические вакцины, либо препараты противовирусной терапии (связывающиеся с поверхностью вируса и блокирующие его механизмы заражения клетки). Прямое использование в сельском хозяйстве возможно уже сейчас, что приведёт к росту продуктивности при одновременном снижении затрат (так как полнее усваиваются и корма животными и минеральные удобрения растениями). Допинг. Ну, тут вопрос ограничен лишь моральными нормами, так как отследить такой тип допинга невозможно. Разве что снимать карты метаболома, но это и очень дорого и не очень понятно на самом деле, так как их рисунок зависит от слишком большого числа параметров и сам по себе. Важным уже сейчас направлением является исследование синергизма действия наночастиц с прочими химическими, физическими и биологическими факторами. Тестовые опыты показали, что даже микроскопические количества наночастиц способны сильно менять отклик организма на терапию лекарственными препаратами. Кстати говоря, не исключено, что токсические эффекты наночастиц обусловлены совсем не ими, а сочетанием факторов, в которых наночастицы выступают лишь спусковым крючком разрушительных процессов.
Одно можно сказать с уверенностью: в этом направлении нас ждёт ещё много интересных исследований и открытий.
