1.2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ. ГИГИЕНА, ТОКСИКОЛОГИЯ, САНИТАРИЯ Подходы к обоснованию биологической профилактики Методические
рекомендации I. Область применения1.1. В настоящих методических рекомендациях (далее - методические рекомендации) представлен рекомендуемый порядок обоснования, разработки и экспериментальной апробации способов биологической профилактики вредных эффектов действия металлсодержащих наночастиц, воздействие которых на человека возникает либо в производстве и применении соответствующих наноматериалов, либо в связи с аэрозольным загрязнением воздуха рабочих помещений и атмосферного воздуха при различных пирометаллургических и химических технологиях. 1.2. Методические рекомендации предназначены для специалистов органов и организаций Роспотребнадзора, а также могут быть использованы другими заинтересованными лицами и организациями. II. Общие положения2.1. Методические рекомендации разработаны с целью решения задач повышения резистентности организма человека к вредному действию металлсодержащих наночастиц с помощью комплекса безвредных биологически активных средств (далее -биопротекторов). 2.2. Сфера воздействия наночастиц (далее - НЧ) металлов и их оксидов на человека не ограничивается производством и применением специальных наноматериалов. Она распространяется на ряд давно существующих отраслей промышленности: в составе аэрозолей конденсации обычно имеется наряду с химически идентичными или близкими по составу микрометровыми частицами (далее - МЧ) значительная фракция ультратонких металлсодержащих частиц, включающая наноразмерную субфракцию. 2.3. Токсичность (включая генотоксичность и предполагаемую канцерогенность) НЧ в целом значительно выше токсичности соответствующих МЧ [1]. 2.4. Существует принципиальная возможность снижения рисков для здоровья, связанных с воздействием металлсодержащих НЧ, путем повышения резистентности организма к их цитотоксичности, органо-системной токсичности и генотоксичности с помощью средств биологической профилактики [2 - 6]. 2.5. Токсикокинетический и токсикодинамический эффекты биопротекторов взаимообусловлены (рис. П1.1 в приложении 1 к настоящим методическим рекомендациям): - снижение дозы яда в органе-мишени приводит к снижению интенсивности патологического процесса; - повышение резистентности приводит к снижению токсического повреждения клеток и органов, контролирующих процессы элиминации вещества в организме. 2.6. Как токсикодинамические, так и токсикокинетические биопротекторы могут быть: - специфичными по отношению к конкретному металлу, действуя на свойственные именно ему ключевые звенья развития интоксикации; - направленными на механизмы, существенные в токсикокинетике и/или токсикодинамике большой группы токсичных НЧ (антиоксидантное, противорадикальное, мембраностабилизирующее действие); - преимущественно неспецифичными, если их защитный эффект реализуется на организменном уровне по типу состояния неспецифически повышенной сопротивляемости (например, адаптогены различного происхождения). III. Выбор биопротекторов для испытания3.1. Системный подход к поиску биопротекторов направлен на использование: - «токсикокинетических биопротекторов», нацеленных на повышение эффективности естественных механизмов элиминации наночастиц и/или продуктов их растворения «in vivo» и тем самым на снижение задержки токсичного металла в организме и в органах-мишенях; - «токсикодинамических биопротекторов», нацеленных на ослабление первичных механизмов токсичности (например, свободно-радикального оксидативного стресса), повышение функциональных резервов организма, использование физиологических и токсикологических антагонизмов; - «специфичных биопротекторов», специфичных по отношению к конкретному металлу, действующих на свойственные именно ему ключевые звенья развития интоксикации; либо направленными на механизмы, которые существенны в токсикокинетике и/или токсикодинамике большой группы НЧ; - «неспецифичных биопротекторов», защитный эффект которых реализуется по типу состояния неспецифически повышенной сопротивляемости, характеризующегося повышением реактивности и эффективности различных защитных и компенсаторных механизмов (адаптогены) [8]. 3.2. Сочетание двух или более биопротекторов с не полностью совпадающими точками приложения и неодинаковыми механизмами действия является более эффективным, чем их изолированное применение [9]. 3.3. Действие однонаправленных биопротекторов не суммируется, и выбор следует сделать в пользу тех из них, которые обладают наибольшей эффективностью защиты от действия конкретного токсиканта [9]. 3.4. При любом токсическом воздействии комплекс биопротекторов, точки приложения и механизмы защитного действия которых не идентичны, дает более выраженный профилактический эффект: наиболее целесообразен теоретически обоснованный подбор многокомпонентных «биопрофилактических комплексов» (далее - БПК). 3.5. При выборе биопротекторов необходимо рассматривать средства, которые имеют разрешение на применение в практике в установленном порядке. IV. Экспериментальное моделирование токсичности
металлсодержащих
|
Биопротекторы |
Дозировка на 1 крысу и способ назначения |
|
Глютамат |
160 - 180 мг (как 1,5 % раствор в питье взамен воды) |
|
Яблочный пектин |
200 мг (в корме) |
|
Глицин |
12 мг (в корме) |
|
Ацетилцистеин |
30 мг (в корме) |
|
Рыбий жир (как источник витамина А и жирных кислот класса омега-3) |
1 капля (в корме) |
|
Поливитаминно-полиминеральный комплекс |
в дозировке, обеспечивающей каждой крысе (в корме): |
|
Витамин В12 |
0,15 мкг |
|
Витамин С |
4,4 мг |
|
Витамин Е |
0,84 мг |
|
Железо |
0,6 мг |
|
Селен |
5,8 мкг |
|
Цинк |
1,25 мг |
|
Молибден |
3,75 мкг |
|
Марганец |
16,7 мкг |
В качестве примера приводится краткая оценка эффективности БПК, состав которого приведен в приложении 3 и который был испытан на лабораторных животных (белых крысах) при действии наночастиц оксида меди (СuО).
Стабильные водные суспензии наночастиц оксида меди (СuО) со средним диаметром (±s.d.) 20 ± 10 нм в концентрации 0,5 мг/мл вводили крысам-самкам весом 150 - 220 г внутрибрюшинно в дозе 10 мг/кг массы тела по 3 раза в неделю. Контрольным животным аналогичным образом вводили соответствующий объем стерильной деионизированной воды, которая использовалась для приготовления суспензии. Каждой крысе всего осуществлено 19 введений. Отдельные группы животных получали те же инъекции на фоне перорального приема БПК. Каждая из 4 групп включала по 12 - 15 особей. Как введение наночастиц оксида меди или воды, так и умерщвление животных во всех группах проводились параллельно.
Состояние организма крыс оценивалось по большому числу (свыше 40) общепризнанных функциональных, биохимических и морфологических (с морфометрией) критериев токсического действия. Для оценки генотоксического действия наночастиц оксида меди (CuO) «in vivo» использовали ПДАФ-анализ.
Данные таблицы П4.1 демонстрируют снижение под влиянием БПК задержки меди в организме крыс, подвергавшихся воздействию наночастиц оксида меди (СuО) (тенденция к снижению отмечена во всех исследованных органах, в том числе статистически значимое - в селезенке).
В таблице П4.2 приведены те функциональные показатели состояния организма, по которым при действии этих НЧ были выявлены неблагоприятные сдвиги по сравнению с контрольными величинами, причем на фоне действия БПК эти сдвиги были по части этих показателей ослаблены, но ни по одному не усилены.
Содержание меди в органах крыс (мкг на г сухой ткани) ()
Группы крыс, получавшие: |
Почки |
Печень |
Селезенка |
Головной мозг |
Воду (контроль) |
42,4 ± 2,9 |
12,2 ± 2,4 |
22,5 ± 2,1 |
18,9 ± 0,7 |
Наночастицы оксида меди (СuО) |
62,5 ± 7,1* |
28,8 ± 6,3* |
24,2 ± 1,5 |
21,5 ± 1,7 |
Наночастицы оксида меди (СuО) + БПК |
59,4 ± 10,0 |
22,1 ± 3,5* |
18,0 ± 2,5° |
18,8 ± 1,4 |
Воду + БПК |
50,4 ± 5,6 |
10,6 ± 0,3 |
25,3 ± 2,2 |
20,8 ± 1,5 |
Различия статистически значимы (р < 0,05 по t-критерию Стьюдента с поправкой Бонферрони для множественных сравнений) в сравнении: * - с контрольной группой; º - с группой, получавшей наночастицы оксида меди (СuО) без БПК.
Некоторые
функциональные показатели состояния организма крыс,
подвергавшихся субхронической затравке медно-оксидными
частицами (НЧ) и тому же воздействию на фоне БПК ()
Показатели |
Группы крыс, получавшие: |
|||
Наночастицы оксида меди |
Наночастицы оксида меди + БПК |
Воду + БПК |
Воду (контроль) |
|
Гемоглобин в крови, г/л |
134,1 ± 3,5* |
143,1 ± 3,2*▪ |
166,8 ± 4,6 |
166,1 ± 4,0 |
Эритроциты, 1012/л |
1,61 ± 0,05* |
1,63 ± 0,03* |
1,69 ± 0,05 |
1,84 ± 0,03 |
Ретикулоциты, ‰ |
28,9 ± 2,14* |
16,0 ± 1,59*▪ |
11,0 ± 1,87 |
10,45 ± 0,78 |
Активность сукцинатдегидрогеназы, число гранул на 50 лимфоцитов |
656,75 ± 11,99* |
807,5 ± 20,85*▪ |
766,1 ± 19,53 |
737,1 ± 10,74 |
Малоновый диальдегид в сыворотке крови, нмоль/л |
3,7 ± 0,17* |
4,32 ± 0,24▪ |
4,1 ± 0,17 |
4,0 ± 0,123 |
Масса печени, г на 100 г массы тела |
4,03 ± 0,14* |
3,96 ± 0,22 |
3,50 ± 0,13 |
3,60 ± 0,12 |
Различия статистически значимы (р < 0,05 по t-критерию Стьюдента с поправкой Бонферрони для множественных сравнений) в сравнении: * - с контрольной группой; ▪ - с группой «Наночастицы оксида меди (СuО)».
Таблица П4.3
Морфометрические характеристики повреждения проксимальных извитых канальцев почек крыс, подвергавшихся субхронической затравке наночастицами оксида меди на фоне приема БПК или без него ()
Группы крыс, получавшие: |
Длина участка десквамации щеточной каемки, % |
Длина участка десквамации эпителия, % |
Наночастицы оксида меди (СuО) |
8,36 ± 0,76* |
1,16 ± 0,38* |
Наночастицы оксида меди (СuО) + БПК |
5,98 ± 0,46▪ |
0,98 ± 0,35* |
Воду |
5,39 ± 0,42 |
0,33 ± 0,13 |
Воду + БПК |
6,03 ± 0,57 |
0,73 ± 0,21 |
Различия статистически значимы (р < 0,05 по t-критерию Стьюдента с поправкой Бонферрони для множественных сравнений) в сравнении: * - с контрольной группой; ▪ - с группой «Наночастицы оксида меди (СuО)».
Гистологическое изучение тканей печени, почек, селезенки и головного мозга, сочетавшееся с морфометрией, выявило у крыс, подвергавшихся субхроническому воздействию наночастиц оксида меди (СuО), ряд выраженных патологических изменений, существенно ослабленных при том же воздействии на фоне приема БПК. Некоторые примеры, иллюстрирующие это, приводятся в таблице П4.3.
Из данных таблицы П4.4 видно, что на фоне приема БПК оказалась значимо ослабленной фрагментация ДНК клеток печени, селезенки и головного мозга, вызываемая субхронической интоксикацией крыс наночастицами оксида меди (СuО), то есть ослаблен ее генотоксический эффект.
Таблица П4.4
Влияние БПК и/или наночастиц оксида меди на коэффициент фрагментации геномной ДНК (ПДАФ-тест) в клетках различных органов ()
Органы |
Группы крыс, получавшие: |
|||
Наночастицы оксида меди (СuО) |
Наночастицы оксида меди (СuО) + БПК |
Воду + БПК |
Воду (контроль) |
|
Печень |
0,426 ± 0,0020* |
0,404 ± 0,002*▪ |
0,394 ± 0,0040 |
0,396 ± 0,0020 |
Селезенка |
0,460 ± 0,0020* |
0,418 ± 0,0015*▪ |
0,377 ± 0,0028* |
0,369 ± 0,0016 |
Головной мозг |
0,355 ± 0,0020 |
0,335 ± 0,0021* |
0,356 ± 0,0025 |
0,354 ± 0,0028 |
Различия статистически значимы (р < 0,05 по t-критерию Стьюдента с поправкой Бонферрони для множественных сравнений) в сравнении: * - с контрольной группой; ▪ - с группой «Наночастицы оксида меди (СuО)».
1. Experimental Research into Metallic and Metal Oxide Nanoparticle Toxicity In Vivo / B.A. Katsnelson, L.I. Privalova, M.P. Sutunkova, I.A. Minigalieva, V.B. Gurvich, V.Y. Shur, E.V. Shishkina, О.Н. Makeyev, I.E. Valamina, A.N. Varaksin, V.G. Panov // Bioactivity of Engineered Nanoparticles - 2017. p. 259 - 319 Chapter.
2. Подходы к организации массовой биологической профилактики вредного влияния химического загрязнения среды обитания на здоровье детского населения и к оценке ее эффективности (опыт Свердловской области): Пособие для врачей / сост.: С.В. Кузьмин, Б.А. Кацнельсон, Л.И. Привалова и др. Екатеринбург, 2004.
3. Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Гурвич В.Б. и др. О роли биопрофилактики в системе мер управления профессиональными и экологически обусловленными химическими рисками для здоровья населения. Токсикологический вестник. 2015; 1: 10 - 21.
4. Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Гурвич В.Б. и др. Способ профилактики вредных эффектов общетоксического и генотоксического действия наносеребра на организм. Патент Российской Федерации № 2530639. 2014.
5. Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., Гурвич В.Б. и др. Способ профилактики вредных эффектов общетоксического и генотоксического действия наночастиц оксида меди на организм. Патент Российской Федерации № 2560682. 2015.
6. Минигалиева И.А., Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И. и др. Способ повышения устойчивости организма к хроническому комбинированному токсическому действию наночастиц оксида никеля и оксида марганца. Патент Российской Федерации №2597157. 2016.
7. Кацнельсон Б.А., Дегтярева Т.Д., Привалова Л.И., Солобоева Ю.И., Киреева Е.П., Минигалиева И. А., Сутункова М.П., Еременко О.С., Береснева О.Ю., Кочнева Н.И. Биологическая профилактика экологически обусловленных нарушений здоровья: теоретические предпосылки, экспериментальные данные, оценка эффективности, практическая реализация // Биосфера, № 3, т. 2, 2010. С. 375 - 385.
8. Привалова Л.И., Кацнельсон Б.А., Гурвич В.Б., Минигалиева И.А., Сутункова М.П., Макеев О.Г., Валамина И.Е., Шур В.Я., Григорьева Е.В., Клинова С.В., Шишкина Е.В. О некоторых принципах и способах повышения резистентности организма к вредным эффектам металлсодержащих наночастиц // Токсикологический вестник, № 6, 2016. С. 4 - 10.
9. Дегтярева Т.Д. Экспериментально-теоретическое обоснование принципов биологической профилактики хронических интоксикаций неорганическими соединениями: автореф. дис. докт. биол. наук. ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана, Москва, 2002.
10. Розин М.А. Определение некоторых временных характеристик сгибательного рефлекса задних конечностей животных. Воспроизведение заболеваний у животных для экспериментально-терапевтических исследований. Ленинград, 1954. С. 3 - 4.
11. Katsnelson В.A., Privalova L.I., Gurvich V.B., Makeyev О.Н., Shur V.Ya., Beikin Y.B., Sutunkova M.P., Kireyeva E.P., Minigalieva I.A., Loginova N.V., Vasilyeva M.S., Korotkov A.V., Shuman E.A., Vlasova L.A., Shishkina E.V., Tyurnina A.E., Kozin R.V., Valamina I.E., Pichugova S.V. and Tulakina L.G. Comparative in Vivo Assessment of Some Adverse Bioeffects of Equidimensional Gold and Silver Nanoparticles and the Attenuation of Nanosilver’s Effects with a Complex of Innocuous Bioprotectors. Int J Mol Sci. 2013, 14: 2449 - 2483.
12. Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Panov V.G., Privalova L.I., Varaksin A.N., Gurvich V.B., Sutunkova M.P., Shur V.Y., Shishkina E.V., Valamina I.E., Zubarev I.V., Makeyev O.H., Meshtcheryakova E.Y., Klinova SV. In vivo toxicity of copper oxide, lead oxide and zinc oxide nanoparticles acting in different combinations and its attenuation with a complex of innocuous bio-protectors. Toxicology. 2017, 380: 72 - 93.
13. Minigalieva I.A., Katsnelson B.A., Privalova L.I., Sutunkova M.P., Gurvich V.B., Shur V.Y., Shishkina E.V., Valamina I.E., Makeyev O.H., Panov V.G., Varaksin A.N., Bushueva T.V., Sakhautdinova R.R., Klinova S.V., Solovyeva S.N., Meshtcheryakova E.Y. Combined Subchronic Toxicity of Aluminum (III), Titanium (IV) and Silicon (IV) Oxide Nanoparticles and Its Alleviation with a Complex of Bioprotectors. Int. J. Mol. Sci. 2018, 19(3), 837: 1 - 28.
14. Юркин А.Ю. Методические особенности анализа микроядер в клетках человека и животных при скрининге и мониторинге кластогенных факторов в окружающей среде / А.Ю. Юркин: дис. канд. мед. наук: 03.00.25. Томск, 2003. 184 с.
15. Механизмы токсического действия неорганических соединений / Ю.А. Ершов, Т.В. Плетенева. М.: Медицина, 1989. С. 199 - 207.
16. Биомониторинг металлов / Е.А. Можаев, А.Н. Литвинов // Гигиена и санитария. № 7. 1988. С. 53 - 56.
17. Metal Toxicology / R. Goyer, C. Klaussen, M. Waalkes. New York: San Diego Acad. Press, 1997. 525 p.
Методические рекомендации разработаны ФБУН «Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (проф., д.м.н., Л.И. Привалова, к.м.н. М.П, Сутункова, к.б.н. И.А. Минигалиева. С.В. Клинова, д.м.н. В.Б. Гурвич, проф., д.м.н. Б.А. Кацнельсон).
СОДЕРЖАНИЕ