Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы. 12
2.1. Общие сведения о наноматериалах 12
2.2. Оценка воздействия нанотехнологий и наноматериалов на биообъекты окружающей среды 18
2.3. Характеристика влияния наноматериалов на животный организм .24
2.3.1. Пути проникновения в организм и основные механизмы действия наночастиц 24
2.3.2. Влияние отдельных наноматериалов на ткани и органы .30
2.3.2.1. Особенности эффектов на организм углеродных наноматериалов 35
2.3.2.2. Воздействие наноматериалов на репродуктивную систему .40
3. Основное содержание работы .46
3.1. Организация работы 46
3.2. Характеристика исследуемого материала .49
3.3. Методы исследования 50
3.4. Методы вариационно-статистического анализа полученных данных .55
4. Результаты Собственных Исследований .56
4.1. Дозозависимые эффекты УНМ «Таунит» на организм самок белых мышей...56
4.2. Анатомо-морфологические изменения у белых мышей при воздействии УНМ «Таунит» 70
4.2.1. Морфометрические показатели тела 70
4.2.2. Гистологическая картина паренхиматозных органов. 73
4.3. Состояние периферической крови и печени мышей при поступлении в организм УНМ «Таунит» 78 Стр.
4.4. Влияние УНМ «Таунит» на поведенческие реакции белых мышей 81
4.5. Особенности репродуктивной функции самок белых мышей при поступлении в организм УНМ «Таунит» 84
4.6. Постнатальное развитие потомства первой генерации белых мышей, подвергшихся воздействию УНМ «Таунит» . 89
4.7. Сравнительная оценка биоэффектов УНМ «Таунит» и углеродного наноматериала другой структуры 96
5. Обсуждение результатов исследований .99
Заключение 112
Практические рекомендации .114
Список сокращений .115
Список литературы
- Оценка воздействия нанотехнологий и наноматериалов на биообъекты окружающей среды
- Влияние отдельных наноматериалов на ткани и органы
- Анатомо-морфологические изменения у белых мышей при воздействии УНМ «Таунит»
- Постнатальное развитие потомства первой генерации белых мышей, подвергшихся воздействию УНМ «Таунит» .
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие нанотехнологий и
создание наноматериалов, являясь важнейшим направлением научно-
технического прогресса будущего, в то же время ставит вопрос взаимодействия
последних с живым организмом. В течение последних десятилетий создано
более 2000 разновидностей наноматериалов, в связи с чем возросла
возможность воздействия наночастиц на животных, человека и окружающую
среду (Powers K.W., Brown S.C., 2006; Гусев А.А., Емельянов А.В., 2008;
Пиотровский Л.Б., 2008). Такие антропогенные источники, как
металлургическая, цементная промышленность; сгорание каменного угля, полимерных соединений, нефти, газа, дизельного топлива и другие процессы значительно увеличили содержание наночастиц в окружающей среде (Sahoo S.K. et al., 2007; Иншаков, О.В., Фесюн А.В., 2009). В процессе производства наноматериалов, их транспортировки, производственных процессах, ремонте, а также утилизации объектов, содержащих наночастицы, все чаще имеет место контакт и воздействие наноматериалов на животный организм.
Общепризнано, что изменения физических свойств вещества при
переходе в форму наночастиц закономерно сопровождаются изменениями его
биологических эффектов. В частности, установлена существенная задержка
наночастиц в легких, поскольку из-за малых размеров этих частиц, механизмы
выведения их респираторной системой организма неэффективны. Показана
способность наночастиц проникать через легкие в другие системы и проходить
кожные барьеры; наличие у них так называемого «воспалительного
потенциала» (Русаков Н.В., 2008; Takeda K. et al., 2011). Небольшие размеры и
разнообразие их форм способствуют связыванию с нуклеиновыми кислотами и
белками; встраиванию в мембраны клеток, изменяя функции биоструктур.
Наличие у многих наноматериалов гидрофобных свойств и электрического
заряда усиливает как процессы адсорбции на них различных веществ, так и
способность проникать через барьеры организма. Важным свойством
наночастиц является высокая способность к аккумуляции, поскольку
вследствие малых размеров эти вещества могут не распознаваться защитными системами организма, и, следовательно, не подвергаться биотрансформации (Сычева Л.П., 2008; Miyawaki J. et al., 2008; Gomes S.I. et al., 2013).
Перечисленное свидетельствует о высокой актуальности изучения влияния наноматериалов, в том числе углеродных, на животный организм с оценкой состояния различных органов и систем, в частности, репродуктивной.
Степень разработанности темы. В настоящее время усилия исследователей сосредоточены преимущественно на изучении начальных этапов процесса взаимодействия животного организма с наночастицами: идентификации и характеристике последних на основе биологических и фармакологических эффектов, полученных на моделях животных. Изучаются пути проникновения наночастиц в организм – респираторный, чрескожный, пероральный; критические органы-мишени (легкие, кожа, сердечно-сосудистая
и нервная системы); оценивается влияние наноматериалов на
физиологическое состояние и исследуются специфические механизмы действия некоторых наночастиц (Радилов А.С. и др., 2009; Lim D. et al., 2012). Ведутся работы по обоснованию и разработке санитарно-гигиенических требований к содержанию наночастиц в воздухе (Малышева А.Г., 2008).
В то же время, превалируют сообщения, посвященные изучению свойств наноматериалов in vitro на уровне молекул (селективная адсорбция высокомолекулярных соединений, стабилизация и изменение с их помощью активности ферментов) и клеточных культур (выявление механизмов взаимодействия с клеточной мембраной, влияние на экспрессию отдельных генов) (Barua S. et al., 2013; Gomes S.I. et al., 2013).
Исследования эффектов различных наноматериалов на организменном уровне единичны и несистематизированы, практически отсутствуют работы по изучению влияния многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) на биосистемы, их фармакокинетике и фармакодинамике; не установлены четко органы-мишени, не описан генез изменений, происходящих при поступлении в организм наночастиц, механизмы развивающихся при этом компенсаторно-приспособительных реакций. В зарубежной научной литературе имеются лишь отдельные сообщения о воздействии МУНТ на репродуктивную функцию организма (Ema M. et al., 2010; Keelan J.A., 2011; Gao G. et al., 2012;), тогда как отечественные работы такого плана вообще отсутствуют.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилась оценка физиологических аспектов влияния углеродного наноструктурного материала (УНМ) «Таунит» (многостенных углеродных нанотрубок) на организм самок белых мышей и их потомство первого поколения при пероральном введении.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Оценить физиологические эффекты самок белых мышей при введении различных доз УНМ «Таунит» (дозозависимый эффект).
-
Изучить структурно-функциональные изменения систем крови, выделительной, пищеварительной, сердечно-сосудистой и иммунной у белых мышей под воздействием многостенных углеродных нанотрубок.
-
Исследовать поведенческие реакции самок белых мышей и их потомства при пероральном поступлении многостенных углеродных нанотрубок.
-
Определить влияние УНМ «Таунит» на репродуктивную функцию самок белых мышей и показатели развития их потомства первой генерации.
-
Сравнить эффекты перорального поступления УНМ «Таунит» и углеродного наноматериала другой структуры.
Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка
физиологических эффектов УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в животный организм. Получены новые данные о состоянии внутренних органов
и систем организма; его функциональных и морфологических изменениях в условиях длительного поступления многостенных углеродных нанотрубок.
Выявлен дозозависимый эффект наноматериала «Таунит» при
поступлении в организм белых мышей, проявлявшийся отклонениями массы внутренних органов; продемонстрированы реактивные изменения иммунной системы.
Впервые получены данные о влиянии УНМ «Таунит» на репродуктивную систему самок мышей, в частности, увеличении массы соответствующих органов (матки с яичниками), а также количества особей в приплоде, их морфометрических показателей; снижении смертности молодняка, числа неродивших самок и доли самцов в потомстве.
Показано отсутствие изменений в гамето- и эмбриогенезе белых мышей, постимплантационной гибели, развитии плодов и потомства первой генерации при поступлении в организм УНМ «Таунит».
Теоретическая и практическая значимость работы. Получены данные
о развитии компенсаторно-приспособительных реакций и
морфофункциональных аспектах взаимодействия наночастиц с органами и тканями белых мышей.
Результаты опытов могут быть использованы для дальнейшего совершенствования нормативной базы по работе с наноматериалами. Они расширяют существующие знания о воздействии на организм нанодисперсных материалов, позволяют совершенствовать подходы к гигиеническому нормированию при использовании этих веществ.
Представленные сведения позволяют разработать стратегию оптимизации действия наноразмерных веществ на животный организм.
По результатам исследования получен грант по проекту № 07-03/2012
«Состояние дисперсной фазы в водных суспензиях нанопорошков для
разработки методик тестирования наноматериалов в физиологических
жидкостях» в рамках проведения III Межвузовского конкурса
исследовательских проектов (15.03.2012-15.11.2012 гг.); проект «Разработка инструкции по безопасному применению углеродного наноструктурного материала в качестве компонента дактилоскопических порошков для судебной медицины и криминалистики» получил поддержку ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «У.М.Н.И.К.» (2011-2013 гг.).
Информации, полученные в результате экспериментального
исследования, используются в учебном процессе на кафедре физиологии ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина» при чтении лекций и проведении семинарских занятий. Разработан
и внедрн факультативный курс лекций «Нанотехнологии и безопасность» в 10 классах МОУ СОШ № 30 г. Тамбова.
Методология и методы исследования. Методология исследования включала оценку физиологического влияния многостенных углеродных нанотрубок на организм самок белых мышей. Эксперименты проведены с соблюдением всех принципов доказательной медицины (рандомизация и формирование групп подопытных животных, обработка результатов методами вариационной статистики). Подробно методики описаны в разделе 3.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в организм мышей вызывает дозозависимые морфофункциональные изменения в сердечнососудистой, пищеварительной, выделительной и иммунной системах.
-
В условиях поступления УНМ «Таунит» в организм самок белой мыши на 14 сутки потенцируются процессы возбуждения, что проявляется в виде снижения порога эмоциональных реакций и увеличения количества локомоций с последующим их восстановлением и угнетением общей двигательной активности к концу 45 суток потребления наноматериала.
-
При пероральном введении УНМ «Таунит» у самок белых мышей изменяется морфофункциональное состояние репродуктивной системы (увеличиваются масса репродуктивных органов (матки с яичниками), количество особей в приплоде, морфометрические показатели потомства; снижаются количество неродивших самок, смертность молодняка и доля самцов в помете). При этом эмбриогенез и постимплантационная гибель плодов не меняются.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов исследований определяется адекватным количеством
биологических объектов, рандомизацией; корректным формированием групп экспериментальных животных и адекватными методами исследования; длительными сроками наблюдения и объективными методами вариационно-статистической обработки результатов экспериментов. Сформулированные выводы, положения и рекомендации аргументированы и логически вытекают из системного анализа результатов выполненной работы.
Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2009); 14-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Пущино, 2010); III-м Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech 2010, (Москва, 2010); 2-й Международной школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина» (Московская обл., 2011); V-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2012); 17-й Международной Пущинской школе – конференции молодых ученых (Пущино, 2013).
По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования РФ.
Оценка воздействия нанотехнологий и наноматериалов на биообъекты окружающей среды
Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка
физиологических эффектов УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в животный организм. Получены новые данные о состоянии внутренних органов и систем организма; его функциональных и морфологических изменениях в условиях длительного поступления многостенных углеродных нанотрубок.
Выявлен дозозависимый эффект наноматериала «Таунит» при поступлении в организм белых мышей, проявлявшийся отклонениями массы внутренних органов; продемонстрированы реактивные изменения иммунной системы.
Впервые получены данные о влиянии УНМ «Таунит» на репродуктивную систему самок мышей, в частности, увеличении массы соответствующих органов (матки с яичниками), а также количества особей в приплоде, их морфометрических показателей; снижении смертности молодняка, числа неродивших самок и доли самцов в потомстве.
Показано отсутствие изменений в гамето- и эмбриогенезе белых мышей, постимплантационной гибели, развитии плодов и потомства первой генерации при поступлении в организм УНМ «Таунит». Теоретическая и практическая значимость работы. Получены данные о развитии компенсаторно-приспособительных реакций и морфофункциональных аспектах взаимодействия наночастиц с органами и тканями белых мышей. Результаты опытов могут быть использованы для дальнейшего совершенствования нормативной базы по работе с наноматериалами. Они расширяют существующие знания о воздействии на организм нанодисперсных материалов, позволяют совершенствовать подходы к гигиеническому нормированию при использовании этих веществ.
Представленные сведения позволяют разработать стратегию оптимизации действия наноразмерных веществ на животный организм. По результатам исследования получен грант по проекту № 07-03/2012 «Состояние дисперсной фазы в водных суспензиях нанопорошков для разработки методик тестирования наноматериалов в физиологических жидкостях» в рамках проведения III Межвузовского конкурса исследовательских проектов (15.03.2012 15.11.2012 гг.); проект «Разработка инструкции по безопасному применению углеродного наноструктурного материала в качестве компонента дактилоскопических порошков для судебной медицины и криминалистики» получил поддержку ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» по программе «У.М.Н.И.К.» (2011-2013 гг.).
Информации, полученные в результате экспериментального исследования, используются в учебном процессе на кафедре физиологии ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина» при чтении лекций и проведении семинарских занятий. Разработан и внедрн факультативный курс лекций «Нанотехнологии и безопасность» в 10 классах МОУ СОШ № 30 г. Тамбова.
Методология и методы исследования. Методология исследования включала оценку физиологического влияния многостенных углеродных нанотрубок на организм самок белых мышей. Эксперименты проведены с соблюдением всех принципов доказательной медицины (рандомизация и формирование групп подопытных животных, обработка результатов методами вариационной статистики). Подробно методики описаны в разделе 3.3.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. УНМ «Таунит» при пероральном поступлении в организм мышей вызывает дозозависимые морфофункциональные изменения в сердечнососудистой, пищеварительной, выделительной и иммунной системах. 2. В условиях поступления УНМ «Таунит» в организм самок белой мыши на 14 сутки потенцируются процессы возбуждения, что проявляется в виде снижения порога эмоциональных реакций и увеличения количества локомоций с последующим их восстановлением и угнетением общей двигательной активности к концу 45 суток потребления наноматериала.
3. При пероральном введении УНМ «Таунит» у самок белых мышей изменяется морфофункциональное состояние репродуктивной системы (увеличиваются масса репродуктивных органов (матки с яичниками), количество особей в приплоде, морфометрические показатели потомства; снижаются количество неродивших самок, смертность молодняка и доля самцов в помете). При этом эмбриогенез и постимплантационная гибель плодов не меняются.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследований определяется адекватным количеством биологических объектов, рандомизацией; корректным формированием групп экспериментальных животных и адекватными методами исследования; длительными сроками наблюдения и объективными методами вариационно-статистической обработки результатов экспериментов. Сформулированные выводы, положения и рекомендации аргументированы и логически вытекают из системного анализа результатов выполненной работы.
Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на:
Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2009); 14-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Пущино, 2010); III-м Международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech 2010, (Москва, 2010); 2-й Международной школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина» (Московская обл., 2011); V-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред» (Тамбов, 2012); 17-й Международной Пущинской школе – конференции молодых ученых (Пущино, 2013).
Влияние отдельных наноматериалов на ткани и органы
В последние годы появились публикации о биологических эффектах наночастиц углерода как при пероральном, так и ингаляционном воздействиях. Атом углерода, в отличие от других элементов, способен образовывать различные типы химической связи за счет гибридизации S- и P-орбиталей. Этим обусловлены его свойства создавать значительное число аллотропов. В настоящее время разработаны и широко используются во многих отраслях промышленности, в том числе в фармакологии, различные углеродные наноматериалы: фуллерены и фуллериты, содержащие пяти- (пентагоны С5) и шестичленные (гексагоны С6) циклы, одно- и многослойные нанотрубки, цилиндры, стенки которых образованы гексагонами С6, графитовые ленты, кристаллообразующие кластеры С16, С24, С60 и т.д., шварциты, шварцаны, тороиды, нанотубулярные кристаллы, наноалмазы и другие наноматериалы (Покропивный, В.В. Новые наноформы углерода и нитрида бора. В.В. Покропивный, А.Л. Ивановский // Успехи химии. - 2008. – Т.77, № 10. - С. 897-992), производство которых в ряде стран составляет сотни и тысячи тонн в год (Кац, Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей / Е.А. Кац. – М.: Изд-во ЛКИ, 2008. – 296 с.; Borm, P.J.A. Toxicological hazards of inhaled nanoparticles potential implications for drug de livery / P.J.A Borm, W. Kreylin // J. Nanosci. Nanotech. - 2004. – Vol. 4, N 6. - P. 1-11).
Площадь поверхности углеродных наноматериалов является наиболее важным критерием в отношении прогнозирования их клеточноопосредованного эффекта (Sayes, C.M. Functionalization density dependence of single walled carbon nanotubes cytotoxicity in vitro / C.M. Sayes, F. Liang, J.L. Hudson // Toxicol. Lett. -2006. - Vol. 161. - P. 135-138; Shvedova, A.A. Cytotoxic and genotoxic effects of single wall carbon nanotube exposure on human keratinocytes and bronchial epithelial cells / A.A. Shvedova, E. Kisin, N. Keshava // 227th American Chemical Society National Meeting. - 2004. - P. 130-135). Наиболее выражен этот эффект при использовании очищенных одностенных УНТ (Jia, G. Cytotoxicity of carbon nanomaterials: single wall nanotube and fullerene / G. Jia, H. Wang, L Yan // Environ. Sci. Technol. - 2005. - Vol. 39. - P. 1378- 1380; Nemmar, A. Ultrafine particles affect experimental thrombosis in an in vivo hamster model / A. Nemmar, M.F. Hoylaerts, P.H. Hoet // Am. J. Respi Crit Care Med. - 2002. - Vol. 166. - P. 998-1004).
Изучены структура и функционирование белков при контакте с углеродными наноматериалами (НЧ, нанопроволокой и УНТ), в том числе при иммобилизации на носителях (Kane Ravi, S. Nanobiotechnology: Protein nanomaterial interactions / Ravi S. Kane, Abraham D. Strook // Biotechnol. Progr. 2007. – Vol. 23, N 2. - P. 316-319). Показана возможность использования таких взаимодействий для создания биосенсоров; диагностической визуализации; сборки наноматериалов с помощью белков и белковых структур; изучения и терапевтического применения взаимодействия клеток с наноматериалами (при доставке лекарств, исследовании фармакокинетики) (Hooper, H.L. Comparative chronic toxicity of nanoparticulate and ionic zinc to the earthworm Eisenia veneta in a soil matrix / L.H. Hooper, K. Jurkschat, A.J. Morgan et al. // Environ. Int. – 2011. – Vol. 37, N 6. – P. 1111-1117). Биологическая эффективность углеродных материалов, обработанных белком, значительно возрастает вследствие повышения их способности проникать в клетки, что, несомненно, должно быть учтено при использовании их в качестве наноносителей (Kane Ravi, S. Nanobiotechnology: Protein - nanomaterial interactions / Ravi S. Kane, Abraham D. Strook // Biotechnol. Progr. - 2007. – Vol. 23, N 2. - P. 316-319; Kashiwada, Shosaku Distribution of nanoparticles in the seethrough medaka / Shosaku Kashiwada // Environ. Health Perspect. - 2006. – Vol. 11. - P. 1697-1702).
В отдельных сообщениях продемонстрированы раздражающие эффекты УНТ на кожу. Предпринята попытка изучения влияния на кожу сажи, содержащей УНТ (Huczko, A. Carbon nanotubes: experimental evidence for a null risk of skin irritation and allergy / A. Huczko, A. Lange // Fullerene Sci. Tech. - 2001. - Vol. 9, N 2. - P. 247-250). У 40 добровольцев проводили аппликационный тест, у 4 кроликов-альбиносов исследовали влияние УНТ на слизистую оболочку глаз. Согласно авторам, сажа, содержащая УНТ неизвестной концентрации, не оказывает раздражающего эффекта.
Проводятся исследования проникновения через интактную кожу НЧ, изготовленных из углеродных и полимерных материалов, которые могут использоваться для трансдермальной доставки лекарственных средств. Методом конфокальной микроскопии при нанесении на кожу эллипсоидных наносфер (4,6х12 нм), покрытых полиэтиленгликолем, продемонстрировано проникновение их через роговой слой и накопление в эпидермисе и дерме через 8 ч (Vallhov, H. Mesoporous silica particles induce size dependent effects on human dendritic cells / H. Vallhov, S. Gabrielsson // Nano Lett. - 2007. - Vol. 7, N 12. - P. 3576-3582).
Исследование in vitro биосовместимости УНТ показало, что культивирование фибробластов и остеобластов в присутствии УНТ не способствовало снижению жизнеспособности клеток. Присутствие УНТ не вызывало секреции интерлейкина-6 и генерации свободных радикалов, однако индуцировало повышенный синтез фибро- и остеобластами коллагена (Chlopek, J. In vitro studies of carbon nanotubes biocompatibility / J. Chlopek, B. Czajkowska // Carbon. - 2006. – Vol. 44, N 6. - P. 1106-1111). Выявлено, что подвергнутая воздействию УНТ кровь проявляет повышенную способность индуцировать миграцию макрофагов (Barlow, P.Y. Serum exposed to nanoparticle carbon black displays increased potential to induce macrophage migration / P.Y. Barlow, K. Donaldson // Toxicol. Lett. - 2005. - Vol. 155, N 3. - P. 397-401).
Анатомо-морфологические изменения у белых мышей при воздействии УНМ «Таунит»
Общепризнано, что наночастицы, наноматериалы и технологии их производства существенно отличаются по комплексу физических, химических и биологических свойств, а также биоэффектам от веществ в форме макроскопических дисперсий и сплошных фаз. Между тем, для большинства наноматериалов до настоящего времени не изученными остаются механизмы поступления в организм, особенности биотрансформации, транслокации в органах и тканях, элиминации, токсичности и патогенеза их воздействия на организм.
В России, США, странах Евросоюза, Канаде, Японии, Китае и других ведутся обширные исследования по оценке биологических эффектов производимых наноматериалов (Rockville, M. Challenge and opportnunity on the critical path to new medical products. The origins and uses of mouse outbread stocks / M. Rockville, R. Chia, F. Achilli et al. // Nature Genetics. – 2005. – Vol. 37. – P. 1181-1186). В нашей стране разработана и в 2007 г. утверждена Постановлением Госсанэпиднадзора «Концепция методов идентификации и количественного определения наноматериалов» (http:// stroy.dbases.ru/Data1/52/52003/index. htm). Однако отсутствие единой шкалы приоритетов для оценки биоэффектов всего многообразия наноматериалов и низкая информативность, а, зачастую, неприменимость традиционных гигиенических характеристик к наноразмерным структурам, делает необходимым поиск и использование новых подходов к их оценке.
Вышеизложенное подтверждает высокую актуальность представленной работы, целью которой явилась оценка степени и характера влияния углеродного наноструктурного материала «Таунит» (МУНТ) на морфофункциональные показатели, поведенческие реакции, состояние репродуктивной функции и потомства первой генерации белых мышей.
На первом этапе исследования были изучены макроскопические показатели при поступлении в организм самок белых мышей УНМ «Таунит» в различных концентрациях. Низкие дозы вещества (УНМ 1,2 мг/кг) оказывают угнетающий эффект, который наиболее выраженно проявляется в снижении массы тела (на 7,7 %) на 28 сутки эксперимента. Увеличение дозы УНМ «Таунит» до 150 мг/кг приводит к скачкообразному возрастанию данного показателя, который на 28 и 63 сутки эксперимента достигает максимальных значений (+6,0… +6,2 %) (р 0,05).
Следует отметить, что 28-и суточная экспозиция является критической, что выражается в достоверном изменении показателей (р 0,05). Возможно к этому сроку УНМ «Таунит» аккумулируется в достаточном количестве в органах и тканях.
Оценка динамики длины тела выявила увеличение показателя, сходное у всех исследуемых самок, при этом только у животных группы № 1 (УНМ «Таунит» 1,2 мг/кг) длина тела была ниже на 0,23-0,34 см (p 0,05), чем в других группах (УНМ 6; 30 и 150 мг/кг), начиная с 28 суток и до окончания эксперимента.
При минимальной (1,2 мг/кг) дозе вещества наблюдается также тенденция к уменьшению массы сердца, с последующим достоверным ростом показателя на 15,6 % (р 0,01) по мере возрастания концентрации УНМ «Таунит» до 150 мг/кг. Возможно, это обусловлено гипертрофией миокарда, что связано с выявленным увеличением массы других внутренних органов (лгкие, желудочно-кишечный тракт, печень, почки, тимус, щитовидная железа).
В условиях поступления в организм УНМ «Таунит» различных концентраций отклонений в массе легких не выявлено (р 0,05), хотя у экспериментальных животных наблюдалась похожая тенденция: снижение показателя под действием низких доз наноматериала (1,2 мг/кг), с последующей нормализацией (УНМ 6 мг/кг) и увеличением значений (УНМ 30 и 150 мг/кг). УНМ в дозировках 30 и 150 мг/кг вызывает повышение массы ЖКТ на 16,5 и 15,9 % соответственно (р 0,05). Очевидно, что влияние многостенных 101 углеродных нанотрубок проявляется в гипертрофии не только тканей ЖКТ, но и других органов, снабженных гладкой мускулатурой.
В группе № 1 (УНМ 1,2 мг/кг) наблюдалось снижение массы печени на 13,9 % по сравнению с контрольной (р 0,05). Более высокие концентрации наноматериала вызывали обратный эффект, что проявлялось тенденцией к увеличению массы данного органа в группах № 2 и 3, соответственно на 1,9 и 2,0 %, однако данные различия не были достоверны. Возможно, некоторое увеличение органа обусловлено преобладанием массы соединительной ткани, либо происходит за счет возрастания ткани паренхимы.
При концентрации УНМ «Таунит» 1,2 мг/кг выявлено также снижение массы почек на 14,0 % (р 0,05). При дозе УНМ 6 и 30 мг/кг отмечается разнонаправленные сдвиги показателей (р 0,05). В первом случае наблюдается тенденция к увеличению массы на 8,05 %, во втором – к снижению на 4,9 %. Максимальная доза (УНМ 150 мг/кг) вещества оказывает стимулирующий эффект, вызывая повышение значений на 10 % (р 0,05).
Основное свойство наноматериалов – это способность к аккумуляции и тропность к различным органам и тканям организма. Так как почки представляют собой основной отдел выделительной системы, возможно, наблюдаемые отличия являются следствием гипо- и гипертрофии, которая в свою очередь развивается за счет изменений в клубочках и извитых канальцах из-за поступления и накопления УНМ «Таунит».
Постнатальное развитие потомства первой генерации белых мышей, подвергшихся воздействию УНМ «Таунит» .
В целом полученные данные свидетельствовали о том, что у мышей экспериментальной группы при поступлении в организм УНМ «Таунит» в дозировке 450 мг/кг наблюдаются умеренные или слабые изменения в виде венозного полнокровия, увеличения объема стромы органов. У всех мышей отмечены реактивные изменения иммунных органов (макрофагальная реакция фолликулов и синусов лимфоузлов, селезенки и коркового слоя тимуса, стертость границ между корковым и мозговым слоями в тимусе, размытость контуров фолликулов селезенки).
Микроскопическое исследование яичников показало отсутствие видимых отличий в их строении у контрольных особей и мышей, получавших наноматериал «Таунит». В корковом веществе яичников выявлены группы примордиальных фолликулов, многочисленные растущие фолликулы, а также единичные граафовы пузырьки и атретические тела. Тека-клетки были крупными, со светлой цитоплазмой, формировали скопления с нечеткими очертаниями. Таким образом, поступление наноматериала в организм подопытных животных не влияло на гаметогенез.
На следующем этапе работы изучалось влияние наноматериала «Таунит» на репродуктивную функцию самок мышей и развитие потомства первого поколения.
Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что под воздействием УНМ «Таунит» у белых мышей уменьшается количество неродивших самок на 7 %, снижается смертность молодняка (в течение первых 21 суток) на 12 % (р 0,05), также возрастает количество особей в приплоде на 34 % (р 0,05), их весоростовые показатели. Кроме того, возможно, влияние УНМ «Таунит» на репродуктивную функцию мышей, проявляющееся увеличением в потомстве доли самок на 19 % (р 0,05), является индикатором воздействия среды обитания (Геодакян, В. А. Дифференциальная смертность и норма реакции мужского и женского пола / В.А. Геодакян // Журн. общ. Биологии. - 1974. - Т. 35. - № 3 – С. 376-385). УНМ «Таунит» не влияет на эмбриогенез, не вызывает постимплантационной гибели, задержки развития плодов, анатомических изменений, в том числе костной системы. Наблюдения за физическим развитием потомства мышей обеих групп в течение 21 суток позволило заключить, что по числу живых и мертвых новорожденных, срокам отлипания ушей, прорезывания резцов, открытия глаз и появления первичного волосяного покрова достоверных различий между экспериментальной и контрольной группами не наблюдалось.
Поступление УНМ «Таунит» в организм самок белых мышей во время беременности и в период молочного вскармливания приплода не повлияло отрицательно на сроки созревания сенсорно-двигательных рефлексов и эмоционально-двигательное поведение потомства первой генерации.
В то же время, можно отметить, что масса тела мышат экспериментальной группы с 5 по 23 сутки постнатального развития превышала аналогичный показатель в контроле (р 0,05). Возможно, присутствие в среде наноматериала влияет на развитие белой мыши на ранних этапах онтогенеза, что проявляется увеличением массы тела и ее выраженной динамикой.
В приплоде самок экспериментальной группы показано увеличение массы тела (на 37,3 %) и всех исследуемых органов, а именно: сердца (на 30,1 %), легких (на 53,2 %), ЖКТ (на 33,3 %), селезнки (на 20,0 %), печени (на 29,0 %), почек (на 40,3 %), тимуса (на 57,3 %), семенников (на 53,8 %), матки с яичниками (на 61,9 %) по сравнению с аналогичными показателями потомства контрольной группы самок (р 0,05…0,01).
Таким образом, УНМ «Таунит» (450 мг/кг), поступая в организм на стадии его формирования и развития, приводит к увеличению массы и длины тела, а также внутренних органов. К тому же, морфофункциональные изменения у потомства экспериментальной группы оказались более выраженными, по сравнению с эффектами у самок, в организм которых УНМ «Таунит» поступал уже в половозрелом возрасте, как показали результаты исследования.
На заключительном этапе работы проводилась сравнительная оценка эффектов УНМ «Таунит» и УНМ (сажа). Было установлено, что в последней группе наблюдалось повышение массы тела (на 8,94 %), легких (на 17,18 %), репродуктивных органов (на 26,78 %) и ЖКТ (на 13,21 %) (p 0,05…0,01) по отношению к контрольной, в то время как данные показатели у группы № 1 (УНМ «Таунит») превышали контрольные лишь по массе репродуктивных органов (на 65,49 %) и ЖКТ (на 16,50 %) (р 0,05…0,01). Это свидетельствует о более выраженном эффекте частиц сажи на самок белых мышей по сравнению с УНМ «Таунит», вводимым в аналогичной дозировке.
Результаты наших исследований согласуются с данными ряда авторов, и в совокупности свидетельствуют об отсутствии выраженного действия углеродных наноматериалов и некоторые их производных в условиях in vivo. В то же время, некоторые исследователи полагают, что, например, в отношении фуллеренов, это утверждение справедливо только когда не проявляются фотодинамические свойства и не образуются при действии света активные формы кислорода. Высокий биологический эффект также достигается за счет объединения в одной молекуле и действующего начала (фуллерена как «генератора» синглетного
