УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 1, с. 3-15
УДК 57.043 57.044 57.013 57.021
ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ МЛЕКОПИТАЮЩИХ, ИХ БИОСОВМЕСТИМОСТЬ И КЛЕТОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ
© 2012 г. О. А. Подколодная1, Е. В. Игнатьева1, Н. Л. Подколодный1'2,
Н. А. Колчанов1,3,4
1 Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск 2Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Новосибирск 3 Новосибирский государственный университет, Новосибирск 4РНЦ Курчатовский институт, Москва E-mail: opodkol@bionet.nsc.ru
Систематизированы современные представления о путях поступления наночастиц в живые системы, включая организменный, органный и клеточный уровни организации. На основе анализа информации о биологических эффектах наночастиц с различными характеристиками (форма, размер, состав и т.д.) сделан вывод о том, что вся совокупность физико-химических свойств наночастиц определяет их способность преодолевать биологические барьеры, механизмы поглощения клетками, биораспределение и клеточные эффекты.
Ключевые слова: наноматериалы, биологические барьеры, биосовместимость, клеточные эффекты, нанотоксичность.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие наблюдается быстрый рост использования наночастиц как в научных исследованиях, так и в производстве. Этим обусловлен интерес к потенциальной биологической активности наночастиц и их безопасности для живых организмов. К наночастицам относят объекты естественной и искусственной природы, которые хотя бы по одному измерению попадают в диапазон 1-100 нм. Для наночастиц характерна крайне высокая удельная поверхность (более 60 м2/см3), так что значительная часть образующих их атомов или молекул (и, соответственно, реактивных групп) экспонируется на их поверхности [48]. Эта особенность, а также чрезвычайно высокая кривизна поверхности, громадная избыточная свободная поверхностная энергия и крайне высокие величины напряженности электростатического поля у поверхности порождают появление новых физико-химических и функциональных свойств, которые существенно отличаются от свойств более крупных частиц того же состава [13]. Взаимодействие наночастиц с биологическими объектами может приводить к встраиванию наночастиц в мембраны, их про-
никновению в клетки и клеточные органеллы, взаимодействию с нуклеиновыми кислотами, белками, а также различными классами органических соединений (липидами, полисахаридами и др.), что в результате может даже изменять функции различных биологических структур [75]. Все эти свойства наночастиц могут определять особенности их биокинетики, биологической активности и распределения в живых организмах.
В данном обзоре предпринята попытка описания некоторых особенностей взаимодействия наночастиц с живыми организмами, их проникновения через биологические барьеры и эффектов, вызываемых наночастицами, на клеточном и молекулярном уровнях.
ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ В ОРГАНИЗМ
Основными порталами, обеспечивающими возможность поступления наночастиц в организм, являются, контактирующие с внешней средой кожа, дыхательная система и желудочно-кишечный тракт [79].
Рис. 1. Компоненты внутренней поверхности дыхательной системы и пути транслокации наночастиц: макрофаг (1), сурфактант (2), слизистый покров (3), перицилиарное пространство (4), эпителиальные клетки (5), базальная мембрана (б), кровеносные сосуды (7), лимфатические сосуды (5), дендритная клетка (9).
Дыхательная система
Наночастицы, поступившие в организм через дыхательную систему, могут адсорбироваться во всех ее отделах (носоглотке, трахеобронхиальном или альвеолярном отделе). Вдыхаемая частица встречает на своем пути следующие структуры (рис. 1): сурфактантный слой на границе "воздух-жидкость"; слизистый покров, содержащий мобильные
клетки, главным образом, резидентные макрофаги и дендритные клетки дыхательных путей и альвеол; перицилиарное пространство; высокодиффе-ренцированные эпителиальные клетки, базальную мембрану и субэпителиальную соединительную ткань с лимфатическими и кровеносными капиллярами [7, 19, 36]. Эти структуры взаимодействуют с вдыхаемыми наночастицам, обеспечивая их осаждение, клиренс и транслокацию [7, 70]. Первым на пути вдыхаемой наночастицы встречается слой сурфактанта, который обеспечивает смачивание и перемещение в водную фазу частиц, осажденных из вдыхаемого воздуха на поверхность дыхательных путей или альвеол [36].
Отмечают, что форма частиц и топология поверхности не влияют на эффективность этого процесса [33, 35]. Дальнейшая судьба частиц зависит от места осаждения и их размера. Вследствие особенностей строения трех регионов респираторного тракта механизмы очистки для вдыхаемых частиц могут существенно различаться, некоторые из этих механизмов представлены на рис. 2.
Внутренняя поверхность трахео-бронхиального отдела покрыта слизистым слоем, который за счет движения ресничек эпителиоцитов продвигается от мелких бронхов и бронхиол в направлении трахеи и глотки, что обеспечивает очистку данного отдела дыхательной системы от инородных частиц. Относительно большая толщина слизистого слоя (5-55 мкм) и высокая скорость движения слизи в трахео-бронхиальном отделе (1.2-1.4 см/мин)
Рис. 2. Возможные пути перемещения вдыхаемых наночастиц в различных отделах дыхательных путей.
обеспечивают эффективное очищение дыхательных путей от инородных частиц [51]. В связи с меньшей эффективностью мукоцилиарного клиренса в нижележащих отделах бронхиального дерева время задержки осевших здесь частиц увеличивается. Из-за отсутствия реснитчатого эпителия и незначительной мощности слизистого слоя в альвеолах мукоцилиарный клиренс в этом районе легких не эффективен. Осевшие наночастицы задерживаются здесь дольше и удаляются с поверхности в значительной степени другими механизмами. После ингаляции аэрозоля, содержащего углеродные частицы размером 100 нм, осаждение их оценивается как не очень высокое и составляет 37-43% при поверхностном дыхании и 50-60% при глубоком [69]. При этом только 25% из осевших карбоновых наночастиц подвергается мукоцилиар-ному клиренсу в течение 24 часов, в то время как 75% удерживаются в легких более 48 часов [69].
Выделяют два этапа в процессе очистки легких от осажденных в них наночастиц - быстрый, длящийся менее суток, и медленный, который может растягиваться на недели, месяцы и даже годы [49, 91]. Прослеживается связь между размерами частиц и скоростью их выведения из легких. Так, 80-90% наночастиц размером 30 нм задерживается в тра-хео-бронхиальном отделе более чем на 24 часа, в то время как для наночастиц размером 100-200 нм эта величина составляет только 45-70% [49].
Частицы, оседающие на слизистой периферических районов легких, могут вступать в контакт макрофагами, дендритными и эпителиальными клетками, а впоследствии и транслоцироваться в лимфо- и кровоток [7, 36, 71]. Большая часть осевших в альвеолярной области наночастиц захватывается макрофагами, которые мигрируют к месту осаждения частиц благодаря хемотаксису [104]. Частицы могут поглощаться так же отростками дендритных клеток, распространяющихся в направлении апикальной мембраны эпителия, и самими дендритными клетками, мигрирующими к поверхности эпителия. При этом макрофаги и дендритные клетки могут образовывать сеть, обеспечивающую захват и миграцию осевших в легких ингалированных частиц [7, 104]. Известно также, что макрофаги, нагруженные наночастицами, способны преодолевать эпителиальный барьер альвеол и, проникая в нижележащие ткани, трансло-цировать содержащиеся в них наночастицы [32].
Наночастицы поглощаются альвеолярными макрофагами с меньшей эффективностью, чем микрочастицы. Так, 20% от осажденных нано-частиц (15-20 и 80 нм) обнаруживаются в смыве из легких через 24 часа после ингаляции; в то же время, для микрочастиц (0.5-10 мкм) эта величина составляет ~ 80% [47]. Заметим, что 90%
как нано- так и микрочастиц в смыве были ассоциированы с макрофагами. Следовательно, около 80% наночастиц и только 20% микрочастиц через 24 часа после ингалирования были ассоциированы с различными тканевыми структурами легких, в частности с эпителиальными клетками [47]. В исследованиях in vivo и in vitro была также показана способность альвеолярных эпителиоцитов поглощать наночастицы [32, 34, 99].
Наночастицы, преодолевшие аэрогематический барьер, в дальнейшем могут распространяться по всему организму и накапливаться в периферических органах и тканях. Однако сведения о поступлении наночастиц из альвеолярного воздуха в кровеносное русло человека и млекопитающих в достаточной мере противоречивы [11, 17, 67, 76, 77]. Факторами, определяющими судьбу нано-частиц, являются их гидродинамический размер, поверхностный заряд, а также тип материала, из которого они изготовлены [17, 50].
Как отмечалось выше, частицы, осевшие в носоглотке, подвергаются мукоцилиарному клиренсу, либо поглощаются эпителиальными клетками. Представляет интерес также возможность поглощения наночастиц окончаниями обонятельных ре-цепторных клеток, погруженных в обонятельный эпителий носоглотки, т.е. области, которая может обеспечить транслокацию наночастиц путем ак-сонального транспорта в ЦНС и к ганглиям. Эффективность этого пути транслокации наночастиц была продемонстрирована в ряде экспериментов с ингаляцией и капельным введением в полость носа наночастиц размером от 50 до 155 нм. Нано-частицы накапливались прежде всего в обонятельных луковицах, а также в других отделах мозга [26, 78, 102]. В настоящее время существование нейрональной транслокации наноразмерных частиц является установленным фактом, однако, свойства наночастиц, определяющие ее эффективность и вероятность повреждающего влияния на мозг, требуют дополнительных исследований.
Таким образом, ингалированные наночастицы в значительной мере подвергаются клиренсу в дыхательных путях и альвеолярном отделе легких. Однако некоторая часть наночастиц (по различным оценкам от 0.1 до 5% от осажденного в легких количества) все же способна преодолеть этот барьер и может проникать в лимфо- и кровоток и в дальнейшем накапливаться во внутренних органах.
Кожа
Внешний слой кожного покрова, эп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.