Изучение в условиях in vitro трансформации твердых мелкодисперсных частиц пыли горно-металлургического предприятия

Введение. При попадании внутрь организма мелкодисперсные частицы пыли могут вызывать значительные структурные и функциональные изменения на клеточном и субклеточном уровнях. Несмотря на продолжающиеся исследования взаимодействия частиц с отдельными белками, изменение свойств мелкодисперсных смесей в средах более сложного состава изучено недостаточно.
Цель исследования: изучить трансформацию частиц пыли горно-металлургического предприятия в культуральной среде, содержащей биологически активные молекулы.
Материалы и методы. Для эксперимента брали фракцию пыли промышленных выбросов размером менее 1 мкм (PM1). С помощью анализатора размеров наночастиц IG-1000 Plus (Shimadzu, Япония) методом диэлектрофореза были измерены физические параметры частиц исходной пыли, а также после ее взаимодействия с культуральной средой через 1, 24, 168, 336, 744 ч экспозиции. Культуральная среда состояла из сыворотки крови крупного рогатого скота и питательной среды «Игла МЕМ» с солями Эрла и глутамином.
Результаты. Было установлено уменьшение диапазонов распределения размеров твердых мелкодисперсных частиц пыли (от 13,04 до 44,52 и от 17,54 до 110,64 нм), повышение значений удельной поверхности (до 0,28 и 0,16 нм2/нм3) и коэффициентов диффузии (до 2,33 × 10–14 и 1,34 × 10–14 см2/с) через 168 и 336 ч экспозиции с культуральной средой, по сравнению с другими временными интервалами. Диапазоны распределения, средние значения размеров, удельная поверхность, геометрическая форма частиц были практически одинаковыми перед экспериментом и в конце него.
Выводы. При исследовании растворимости частиц пыли фракции PM1 в эксперименте in vitro установлено их взаимодействие с компонентами культуральной среды, характеризующееся изменением физических параметров частиц за период времени от 1 до 744 ч. Выявлены время-зависимые сдвиги размеров, формы, удельной поверхности и коэффициентов диффузии частиц.

1. Manisalidis I, Stavropoulou E, Stavropoulos A, Bezirtzoglou E. Environmental and health impacts of air pollution: A review. Front Public Health. 2020;8:14. doi: 10.3389/fpubh.2020.00014

2. Brown JS, Gordon T, Price O, Asgharian B. Thoracic and respirable particle definitions for human health risk assessment. Part Fibre Toxicol. 2013;10:12. doi: 10.1186/1743-8977-10-12

3. Brzezina J, Köbölová K, Adamec V. Nanoparticle number concentration in the air in relation to the time of the year and time of the day. Atmosphere. 2020;11(5):523. doi: 10.3390/atmos11050523

4. Machaczka O, Jirik V, Brezinova V, et al. Evaluation of fine and ultrafine particles proportion in airborne dust in an industrial area. Int J Environ Res Public Health. 2021;18(17):8915. doi: 10.3390/ijerph18178915

5. Slezakova K, Morais S, do Carmo Pereira M. Atmospheric nanoparticles and their impacts on public health. In: Rodriguez-Morales AJ, ed. Current Topics in Public Health. InTech; 2013:503-529. doi: 10.5772/54775

6. Ермолин М.С., Федотов П.С., Дженлода Р.Х. и др. Фракционирование, характеризация и анализ нано- и микрочастиц при оценке вклада металлургического предприятия в загрязнение городской пыли // Журн. аналит. химии. 2020. T. 75. № 9. C. 844-853. doi: 10.31857/S0044450220090108

7. Yang L, Li C, Tang X. The impact of PM2.5 on the host defense of respiratory system. Front Cell Dev Biol. 2020;8:91. doi: 10.3389/fcell.2020.00091

8. Taylor DA. Dust in the wind. Environ Health Perspect. 2002;110(2):A80-A87. doi: 10.1289/ehp.110-a80

9. Ji Y, Wang Y, Wang X, et al. Beyond the promise: Exploring the complex interactions of nanoparticles within biological systems. J Hazard Mater. 2024;468:133800. doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.133800

10. Liu N, Tang M, Ding J. The interaction between nanoparticles-protein corona complex and cells and its toxic effect on cells. Chemosphere. 2020;245:125624. doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.125624

11. Tavanti F, Menziani MC. Computational insight on the interaction of common blood proteins with gold nanoparticles. Int J Mol Sci. 2021;22(16):8722. doi: 10.3390/ijms22168722

12. Hamada M, de Anna P. A method to measure the diffusion coefficient in liquids. Transp Porous Media. 2023;146(1-2):463-474. doi: 10.1007/s11242-021-01704-0

13. Самсонова Ю.С., Петро­ва Г.П., Гибизова В.В. и др. Исследование взаимодействия молекул альбумина c наночастицами алмазов в водных растворах методом динамического рассеяния света // Квантовая электроника. 2012. T. 42. № 6. C. 484–488.

14. May IV, Zagorodnov SYu. Dust emissions of industrial enterprises as a factor of negative impact on the agricultural territories. IOP Conf Ser: Earth Environ Sci. 2019;315(5):052079. doi: 10.1088/1755-1315/315/5/052079

15. Zhang G, Ding C, Jiang X, Pan G, Wei X, Sun Y. Chemical compositions and sources contribution of atmospheric particles at a typical steel industrial urban site. Sci Rep. 2020;10(1):7654. doi: 10.1038/s41598-020-64519-x

16. Zychowski KE, Wheeler A, Sanchez B, et al. Toxic effects of particulate matter derived from dust samples near the Dzhidinski ore processing mill, Eastern Siberia, Russia. Cardiovasc Toxicol. 2019;19(5):401-411. doi: 10.1007/s12012-019-09507-y

17. Alves C, Evtyugina M, Vicente E, et al. PM2.5 chemical composition and health risks by inhalation near a chemical complex. J Environ Sci (China). 2023;124:860-874. doi: 10.1016/j.jes.2022.02.013

18. Bilardo R, Traldi F, Vdovchenko A, Resmini M. Influence of surface chemistry and morphology of nanoparticles on protein corona formation. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 2022;14(4):e1788. doi: 10.1002/wnan.1788

19. Doshi N, Mitragotri S. Needle-shaped polymeric particles induce transient disruption of cell membranes. J R Soc Interface. 2010;7(Suppl 4):S403-S410. doi: 10.1098/rsif.2010.0134.focus

20. Lee JH, Ju JE, Kim BI, et al. Rod-shaped iron oxide nanoparticles are more toxic than sphere-shaped nanoparticles to murine macrophage cells. Environ Toxicol Chem. 2014;33(12):2759-2766. doi: 10.1002/etc.2735

21. Vinnacombe-Willson GA, Conti Y, Stefancu A, Weiss P S, Cortés E, Scarabelli L. Direct bottom-up in situ growth: A paradigm shift for studies in wet-chemical synthesis of gold nanoparticles. Chem Rev. 2023;123(13):8488-8529. doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00914

22. Khalil MT, Zhang P, Han G, Wu X, Li B, Xiao M. Green synthesis of gold nanoparticles for catalytic reduction of 4-nitrophenol and methylene blue for sustainable development. Sustain Polym Energy. 2024;2(1):10002. doi: 10.35534/spe.2024.10002

23. Katayama K, Nomura H, Ogata H, Eitoku T. Diffusion coefficients for nanoparticles under flow and stop-flow conditions. Phys Chem Chem Phys. 2009;11(44):10494-10499. doi: 10.1039/b911535h

24. Unni M, Savliwala S, Partain BD, et al. Fast nanoparticle rotational and translational diffusion in synovial fluid and hyaluronic acid solutions. Sci Adv. 2021;7(27):eabf8467. doi: 10.1126/sciadv.abf8467

25. Satzer P, Svec F, Sekot G, Jungbauer A. Protein adsorption onto nanoparticles induces conformational changes: Particle size dependency, kinetics, and mechanisms. Eng Life Sci. 2016;16(3):238-246. doi: 10.1002/elsc.201500059