К оценке потенциальной опасности селенсодержащих наночастиц на разных уровнях организации живого (обзор литературы)

Введение. Селен и его соединения широко используются в практической деятельности человека, что подтверждается высокими объемами его мировых «извлекаемых» запасов – до 80–90 тысяч тонн в год. Он встречается в металлургии – при переработке медных шламов, обжиге медного колчедана, производстве марганца, селена и теллура; в стекольном производстве; производстве керамики; резиновой и химической промышленности; электронике и оптоэлектроники.

Важные потенциальные риски для здоровья человека связаны с некоторыми производственными процессами, которые сопровождаются образованием аэрозолей различного химического состава, в которых наряду с субмикронными частицами содержатся наночастицы (НЧ) размером менее 100 нм. По результатам, полученным российскими и зарубежными исследовательскими группами, известны существенные различия в действии не только наночастиц и соответствующих им химических элементов, но и наночастиц и микрочастиц [1]. Доказано, что ультратонкие металлические и металлооксидные частицы обладают выраженным вредным действием на организм.

Кроме того, практикуется целенаправленное применение специально синтезированных селенсодержащих наночастиц (Se-НЧ) с заданными свойствами для нужд медицины и курортологии, науки, сельского хозяйства. Предполагается, что в дальнейшем объемы использования Se-НЧ будут только возрастать в связи с перспективами их использования в медицине.

Se-НЧ широко применяются в различных сферах деятельности, тем самым увеличивается риск загрязнения ими объектов окружающей среды и экспозиции населения к ним. Однако в настоящее время нет систематического обзора воздействия SeНЧ на клеточные культуры, животных и людей. Это ограничивает всестороннее понимание биологических эффектов Se-НЧ и обуславливает необходимость проведения оценки их потенциальной опасности.

Таким образом, целью настоящего обзора является анализ данных на основании научных публикаций для последующей оценки потенциальной опасности Se-НЧ как фактора риска производственной и окружающей среды на разных уровнях организации живого.

Материалы и методы. Осуществлен научный обзор исследований на русском и английском языках с использованием информационных порталов и платформ PubMed, Google Scholar, eLibrary, CyberLeninka, Scopus за период 2001–2022 гг. независимо двумя рецензентами. Поиск осуществлялся по ключевым словам: наночастицы селена, токсичность, цитотоксичность, патология, опасность, риск. Используемые методы поиска включали непосредственно тематический поиск, проверку списка литературы, поиск цитирований. Были включены оригинальные исследования, в которых исследуемым веществом являлись селенсодержащие наночастицы размерностью строго в пределах от 1 до 100 нм. Из исследования были исключены работы, в которых не указывался размер частиц либо использовались частицы размером более 100 нм. Всего было проанализировано более 100 оригинальных статей, и в результате после удаления дубликатов и статей, не подходящих под критерии включения, было отобрано 45 полнотекстовых материалов.

Результаты. Физические характеристики Se-НЧ. Se-НЧ, несмотря на различные способы их получения, чаще всего принимают форму, близкую к сферической. Это было показано на примере “green synthesis selenium nanoparticles” [2], Se-НЧ, стабилизированных бычьим сывороточным альбумином (БСА) [3], SeOНЧ, полученных методом лазерной абляции из листовых пластинок селена [4], Se-НЧ, полученных ударной волной плазмы, индуцированной фемтосекундным лазером [5]. Известно, что токсичность НЧ существенно зависит от их формы, и сферические НЧ можно считать наиболее безопасными – они не имеют возможности повреждать клетку при прямом контакте, в отличие от пластинчатых и игольчатых НЧ [6].

Другой важной характеристикой, определяющей уникальный механизм взаимодействия НЧ с живой системой, является размерность. Целенаправленно применяются Se-НЧ размером 20–60 нм [7], около 50 нм [8], порядка 55 нм [9], 60–80 нм [10]. Вероятно, в составе самопроизвольно образующихся аэрозолей различного химического состава содержатся свыше 50 % Se-НЧ размерностью до 100 нм, как было показано для производственных процессов на медеплавильных предприятиях [11–12]. Так, большинство используемых Se-НЧ не являются высокотоксичными, исходя из размерности. Частицы размером 50–250 нм, в отличие от более мелких, распознаются специфическими защитными системами организма и поглощаются системой мононуклеарных фагоцитов, что предотвращает их попадание в другие ткани [6].

В исследованиях Selmani et al. показано, что растворение Se-НЧ в водной среде было незначительным (менее 5 %) [13].

Наличие либо отсутствие оболочки или активных групп на поверхности НЧ во многом определяет токсичность НЧ. Оболочка НЧ позволяет им избирательно взаимодействовать с различными типами клеток и биологических молекул, а также влияет на кинетику [6]. Однако Chen Y. et al утверждают, что поверхностное покрытие является наиболее влиятельным фактором токсичности Se-НЧ, тогда как диаметр является второстепенным [14].

Поверхностный заряд НЧ во многом определяет взаимодействие НЧ с биологическими системами. Более выраженная токсичность положительно заряженных НЧ, в сравнении с отрицательно заряженными и нейтральными НЧ, объясняется их способностью легко проникать в клетки. Существенное влияние оказывает электростатическое притяжение между отрицательно заряженными гликопротеинами клеточной мембраны и положительно заряженными НЧ [6]. Специально синтезированные Se-НЧ могут быть положительно заряженными [15] или отрицательно заряженными [16].

Адсорбционную емкость Se-НЧ можно считать высокой: с их помощью предлагается адсорбировать красители [17], двухвалентные катионы тяжелых металлов [18].

Данные о воздействии Se-НЧ на молекулярном и клеточном уровне. Se-НЧ со средним размером 70 нм способны образовывать конъюгаты с сывороточным альбумином человека [19] – предположительно, исходя из исследований Shahabadi N. et al., без изменений вторичной структуры белка [20], что свидетельствует в пользу безопасного применения Se-НЧ.

Антиоксидантные либо прооксидантные эффекты Se-НЧ могут проявляться в зависимости от дозы и продолжительности воздействия [21]. С одной стороны, известна противоопухолевая активность Se-НЧ [22] и показана их способность защищать ДНК от повреждения [23]. С другой стороны, имеются данные о способности Se-НЧ генерировать свободные радикалы [24], роль которых в канцерогенезе и повреждении ДНК не вызывает сомнений. Вероятно, цитотоксическое действие Se-НЧ реализуется не только за счет их способности взаимодействовать с клеточными мембранами опухолевых клеток [25], но и накапливаться в самих раковых клетках и их митохондриях [26].

Продемонстрирована способность Se-НЧ вызывать изменения в нормальных клетках, не приводящие к их гибели: в экспериментах in vivo при интратрахеальном введении крысам суспензий НЧ SeO [4]; in vitro при воздействии НЧ SeO на монослойную культуру фибробластоподобных клеток, полученных из легких 8-недельного эмбриона человека [27].

Токсикологическая характеристика Se-НЧ на организм млекопитающих. LD50 при пероральном поступлении, по данным разных авторов, составила для мышей линии Kunming 113,0 мг/кг с 95 % доверительным интервалом 89,9–141,9 мг/кг [3] либо 92,1 мг Se/кг (с 95 % доверительным интервалом 71,1–131,1) [28][29]; для самцов мышей линии ICR, SPF – 61,6 мг Se/кг для самок и 72 мг Se/кг [30].

При подостром воздействии отмечали способность Se-НЧ вызывать у лабораторных животных изменение массы тела [31][32]; нарушения со стороны печени, выраженные в том числе в изменении активности печеночных ферментов и гистологических нарушениях паренхимы [33]. Отмечали значительное увеличение уровня селена в печени [30][34][35] и почках [33, 35], но не головном мозге [33][35], желудке, легких, мышцах, плазме крови, моче [33]. Обнаружена способность Se-НЧ проникать через гематоэнцефалический барьер [35], но не накапливаться в головном мозге [33][35].

При субхроническом воздействии было выявлено увеличение активности селензависимых ферментов [3].

Jia X. et al. в 13-недельном исследовании подтвердили, что Se-НЧ обладает более низкой токсичностью в сравнении с прочими соединениями селена, а также установили NOAEL (no-observed-adverse-effect level; уровень отсутствия наблюдаемых побочных эффектов) на уровне 0,22 мг/кг массы тела в день для самцов и 0,33 мг/кг массы тела в день для самок крыс [36]. Khubulava S. et al. выявили, что после 90-дневной экспозиции в дозе 500 мг/кг отсутствовали какиелибо заметные изменения при гистологической оценке состояния пищеварительного тракта [37]. В то же время действие Se-НЧ при хронической экспозиции на мышах линии ApoE-/- с предварительно смоделированным атеросклерозом в 24-недельном эксперименте показало, что при внутрижелудочном введении 50 мкг Se/кг массы тела усугубляются атеросклеротические поражения. Более того, длительное введение селенсодержащих наночастиц приводило к поражению печени и почек [38]. Такое исследование представляется нам ценным для адекватной оценки потенциальной опасности Se-НЧ, поскольку их действие рассматривается на фоне социально значимой патологии сердечно-сосудистой системы, в то время как работы Jia X. et al. и Khubulava S. et al. проводились на интактных животных.

Se-НЧ оказывал воздействие на селензависимые ферменты [3][28–31][34], однако такое действие мы не можем назвать отрицательным.

Эколого-гигиеническая характеристика Se-НЧ. Селен можно отнести к категории массово выпускаемых продуктов (производство оценивается на 80–90 тонн в год только по медным месторождениям, источнику 90 % мировых извлекаемых запасов селена) [39]. Селен входит в состав пыли, образующейся на медеплавильных комбинатах, и некоторую долю этой пыли составляют частицы нанометрового диапазона. Оценка условий труда на предприятиях, подтверждающая наличие Se-НЧ в воздухе рабочей зоны, не проводилась. Тем не менее известны общие закономерности возникновения аэрозолей с частицами нанодиапазона в качестве побочных продуктов различных производственных процессов. Насчитывают более 30 таких потенциальных источников. Исследования, уточняющие размерность частиц, загрязняющих воздух рабочей зоны, проводились в цехах при плавке черновой и рафинированной меди – показан широкий диапазон дисперсности частиц субмикронного диапазона с преобладанием наночастиц (до 55%) [11][12].

Обнаружена возможность Se-НЧ оказывать токсическое действие на ракообразных Daphnia magna [13]. Показаны токсические эффекты Se-НЧ на водоросли P. malhamensi. Более того, обнаружено, что изучаемые НЧ в 5–10 раз более токсичны в воде озера по сравнению с культуральной средой [14]. При остром воздействии Se-НЧ вызывают гистологические изменения, изменения клеточной и метаболической активности у рыб Pangasianodon hypophthalmus [40]. Влияние на протеомный и метаболомный профили показано на радужной форели в исследовании Naderi et al. [41].

Получены данные о накоплении Se-НЧ в тканях сельскохозяйственных растений: табака [42], редиса [43].

Опыт изучения действия на организм многих элементных и элементооксидых наночастиц, накопленный рядом исследовательских коллективов [1][6], свидетельствует о том, что особенности и механизмы этого действия определяются в том числе специфическими характеристиками НЧобразующего химического элемента, качественно едиными в любой его химической форме. Известно, что при длительном применении удобрений на основе селена в Финляндии было обнаружено наряду с положительными эффектами (повышение уровня селена в крови и снижение уровня кадмия) серьезное снижение уровня меди и цинка в грудном молоке [44].

Обсуждение. В статье представлены данные, представляющие интерес для оценки потенциальной опасности Se-НЧ. В частности, были обобщены данные о физических характеристиках, воздействии на молекулярном, клеточном и организменном уровне, а также гигиеническая характеристика Se-НЧ. Физические характеристики Se-НЧ в мировой литературе представлены недостаточно. В частности, нами не обнаружено данных о растворимости Se-НЧ в биологических средах, а также о заряде самопроизвольно возникающих частиц. Продемонстрирована способность Se-НЧ вызывать изменения на молекулярном и клеточном уровне, в том числе в здоровых клетках. Одним из механизмов такого воздействия является генерация свободных радикалов. Показано, что Se-НЧ оказывают таксическое действие на организм млекопитаюих. Исследований, посвященных изучению канцерогенного, мутагенного, эмбриотоксического, тератогенного, гонадотоксического, аллергенного либо иммунотоксического действия Se-НЧ наночастиц нами обнаружено не было. Открытым остается вопрос о кинетике Se-НЧ в абиотических объектах внешней среды

Заключение. Несмотря на активное использование Se-НЧ и дальнейшие перспективы их применения, в современной литературе встречаются лишь единичные данные о токсических эффектах Se-НЧ, иногда противоречивые. Для полноценной и адекватной оценки потенциальной опасности Se-НЧ необходимы дополнительные исследования.

Важно уточнение токсикологической характеристики Se-НЧ, в частности касаемо накопления таких НЧ в нормальных клетках, влияния на протеомный и метаболомный профили теплокровных животных, токсичности при хронической экспозиции, изменения проницаемости барьеров организма для токсикантов под воздействием Se-НЧ. Необходимо уточнение возможного канцерогенного, мутагенного, эмбриотоксического, тератогенного, гонадотоксического, аллергенного либо иммунотоксического действия Se-НЧ.

Исследования, направленные на уточнение физико-химических свойств Se-НЧ, в частности касаемо адгезии Se-НЧ к поверхностям, могут способствовать корректной интерпретации экспериментальных данных о токсических эффектах Se-НЧ.

Нами не обнаружены опубликованные в открытых источниках данные о мировом объеме производства Se-НЧ и исследования, демонстрирующие однозначное наличие либо отсутствие Se-НЧ в воздухе производственных помещений и атмосферном воздухе населенных мест. Неясным остается вопрос о дисперсном составе таких аэрозолей и заряде частиц. Такая неопределенность затрудняет оценку степени воздействия на население НЧ в целом, не только Se-НЧ.

Необходимы исследования, уточняющие способность Se-НЧ накапливаться в абиотических объектах внешней среды и особенности их кинетики в таких объектах.