Journal of New Medical TechnologiesJournal of New Medical TechnologiesВестник новых медицинских технологий1609-2163146510.12737/2753Обзоры литературыLiterature ReviewsОбзоры литературыAbout Mechanisms of Biological Activity of the Nano- and Microparticles of Natural Minerals in the ExperimentК механизмам биологической активности нано- и микрочастиц природных минералов в экспериментеСергиевичА. А.SergievichA. А.ЧайкаВладимир Викторович ChaykaVladimir Викторович
ХорошихП. П.KhoroshikhP. П.Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»РоссияФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Дальневосточный федеральный университет»Russian FederationДальневосточный федеральный университетFar Eastern Federal University1012201310122013204160165https://naukaru.ru/en/nauka/article/1465/view
Как в отечественной, так и мировой науке, ведется дискуссия о биологической активности твердых водонерастворимых микрочастиц: техногенных и природных. Эти взаимодействия исследуются в рамках профессиональной патологии, гигиены и нанотоксикологии. Целью настоящего исследования явилось изучение механизмов воздействия частиц природных минералов различных размеров на биологические системы. В работе отражены используемые современные методы, позволяющие судить о степени взаимодействия микроэлементов с функциональными системами организма. Анализ полученных результатов показал, что применение данных методов имеет ряд недостатков в экспериментах in vivo и in vitro, связанных с физико-химическими особенностями цеолитов. Выяснилось, что при культивировании в 6- и 24-луночных планшетах, цеолит в дозировке 50 мг/мл покрывает собой все клетки, прикрепленные к стеклу. В полях зрения клетки практически не видны. В итоге оценить токсическое действие или функциональное состояние клеток не представляется возможным. Цеолит, являясь водонерастворимым соединением, не подвергается пипетированию. Также при его удалении из культуры происходит практически полная элиминация клеток из лунки. Накопление первичной информации о биологических эффектах нано- и микрочастиц крайне важно. Это позволяет делать некоторые заключения, но решение вопроса о механизме биологической активности, и, тем более о предсказании тех или иных свойств у частиц без исследований физико-химических свойств частиц не представляется возможным.
There are both in the domestic and the world science a discussion about the biological activity of water-insoluble solid microparticles technogenous and natural. These interactions are studied in the context of the professional pathology, hygiene and nanotoxicology. The purpose of this research was to study the mechanisms of action of particles of natural minerals of various sizes on biological systems. The paper is based on the applied modern methods which allow to determine the degree of interaction of microelements with the functional systems of the organism. Analysis of the results showed that the application of these methods has a number of shortcomings in the experiments in vivo and in vitro, associated with the physical and chemical features of zeolites. It is established that under cultivation in 6- and 24-hole tablets, the zeolite in a dose of 50 mg/ml covers all the cells attached to the glass. In the fields of view of the cells are practically invisible. Thus, an assessment of toxic effects or functional condition of the cells is not possible. Zeolite being water-insoluble compound wich is not subjected to the pipetting. At the delete zeolite of culture, there is practically full elimination of cells from the hole. Accumulation of the primary information about the biological effects of nano - and microparticles is extremely important. This allows the authors to make some conclusions, but the decision of a question on the mechanism of biological activity, especially the prediction of some properties of particles without the study of physical-chemical properties of the particles isn´t possible.
Принято считать, что биологической активность обладают чаще всего водорастворимые соединения. На этой основе, и вытекающих из неё механизмов, строится вся современная биохимия и фармакология. Не смотря на это, как в отечественной, так и мировой науке, ведется дискуссия о биологической активности твердых водонерастворимых микрочастиц, как техногенных, так и природных. Эти взаимодействия исследуются в рамках профессиональной патологии, гигиены и нанотоксикологии. Нанотоксикология - крайне молодая наука и изучает как наноматериалы (наночастицы, наночастицы металлов, нанотрубки, наношарики, и т.д.) влияют на организмы и какие биологические эффекты оказывают [4,16,20]. Накоплен огромный фактический объем биомедицинской информации, подтверждающих выраженные эффекты нано- и микрочастиц при взаимодействии с организмами, но какие же параметры могут определять биологическую активность точно не установлено [18,23]. Область исследований в наиболее динамично развивающейся науке по данной теме - нанотоксикологии непрерывно растет. Изучаются биологические аспекты взаимодействия организмов как с природными нано- и микрочастицами, так и техногенными [3]. Так, наночастицы обнаруживаются в среде обитания человека - в водопроводной воде, в чернилах для татуировок [11] и выхлопе дизельных двигателей [24]. Опасность от наночастиц, безусловно, очень серьёзная, учитывая, что наночастицы свободно преодолевают тканевые барьеры, в том числе, и плацентарный [21,25]. Считается общепризнанным, что мир минералов и мир биологических систем в условиях Земли развивались в постоянном взаимодействии, взаимно влияя друг на друга. Такие представления косвенно подтверждаются тем, что на безжизненной Луне количество минеральных видов измеряется лишь сотнями, на Земле же минералов около четырех с половиной тысяч видов, при этом большинство из них, по мнению исследователей, имеет биогенное происхождение [9]. Глубинная связь живого мира с миром минералов просматривается из истории медицины. Практика применения минералов в качестве лечебных средств в истории человеческой цивилизации начинает отсчет тысячи лет назад. В числе первых научных публикаций на данную тему были статьи, посвященные попытке разгадать смысл давно замеченного у людей и животных пристрастия к поеданию землистых минерально-кристаллических веществ. Среди них статья А.Д. Гебеля «О землистых веществах, употребляемых в пищу в Персии», опубликованная в «Записках Императорской Академии наук» в 1862 г. Другой знаменательной работой представителей русской научной школы по данной теме была статья «О литофагии» геолога и поэта Петра Людовиковича Драверта, опубликованная в 1922 г. в журнале «Сибирская природа». Введенный П.Л. Дра-вертом термин «литофагия» дословно означает «кам-неедение» (с греч.). В зарубежной научной литературе публикации, посвященные теме взаимодействия живых организмов с минералами, появись позже и были изначально ограничены исключительно медицинскими и
Голохваст, К.С. Методические трудности при культивировании клеток совместно с цеолитами // Материалы Всероссийской научной школы-конференции для молодежи «Аутологичные стволовые клетки: экспериментальные и клинические исследования», МГУ им. М.В. Ломоносова, 21-26 сентября 2009 г. / К.С. Голохваст, А.А. Анисимова, A.M. Паничев.- Москва, 2009.- С. 19-21.
Golokhvast KS, Anisimova AA, Panichev AM. Me-todicheskie trudnosti pri kul´tivirovanii kletok sovmestno s tseolitami. Materialy Vserossiyskoy nauchnoy shkoly-konferentsii dlya molodezhi «Autologichnye stvolovye kletki: eksperimental´nye i klinicheskie issledovaniya», MGU im. M.V. Lomonosova; 2009 Sep 21-26. Moscow; 2009. Russian.
Наночастицы в питьевой воде: гигиенические и экологические аспекты / К.С. Голохваст [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.- 2010.- №9.- С. 112-113.
Golokhvast KS, Nikiforov PA, Ryzhakov DS, Galimov OD, Khotulev KP, Mikulenko NS, Korenev DF, Kiku PF, Solomennik SF, Samko NA, Gul´kov AN. Nano-chastitsy v pit´evoy vode: gigienicheskie i ekologicheskie aspekty. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i funda-mental´nykh issledovaniy. 2010;9:112-3. Russian.
Экотоксикология нано- и микрочастиц минералов / К.С. Голохваст [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН.- 2011.- Т.13.- №1.- С. 1256-1259.
Golokhvast KS, Panichev AM, Mishakov IV, Ve-dyagin AA, Mel´gunov MS, Danilova IG, et al. Ekotoksiko-logiya nano- i mikrochastits mineralov. Izvestiya Samars-kogo nauchnogo tsentra RAN. 2011;13(l-5):1256-9. Russian.
Дурнев А.Д. Токсикология наночастиц /А.Д. Дурнев // Бюлл. эксперим. биол. и мед.- 2008.- Т. 145.- № 1.-С. 78-80.
Durnev AD. Toksikologiya nanochastits. Byull. eks-perim. biol. i med. 2008;145(l):78-80. Russian.
Ситникова, О.Г. Исследование влияния различных видов наноразмерного диоксида кремния на развитие оксидантного стресса и антиоксидантную активность in vitro / О.Г. Ситникова, СБ. Назаров, Ж.А. Дюжев, М.М. Клычева, И.Г. Попова, О.В. Алексеева, А.В. Агафонов // Вестник новых медицинских технологий.-2013.- Т. 20.- №3.- С. 17-21.
Sitnikova OG, Nazarov SB, Dyuzhev ZhA, Klyche-va MM, Popova IG, Alekseeva OV, Agafonov AV. Issledovanie vliyaniya razlichnykh vidov nanorazmernogo dioksida kremniya na razvitie oksidantnogo stressa i antioksidantnuyu aktivnost´ in vitro. Vestnik novykh me-ditsi nskikh tekhnologiy. 2012;20(3):17-21. Russian.
Manganese nanoparticle activates mitochondrial dependent apoptotic signaling and autophagy in dopami-nergic neuronal cells / H. Afeseh Ngwa [et al.] // Toxicology and Applied Pharmacology.- 2011.- №256.- P. 227-240.
Afeseh Ngwa H, Kanthasamy A, Gu Y, Fang N, Anantharam V, Kanthasamy AG. Manganese nanoparticle activates mitochondrial dependent apoptotic signaling and autophagy in dopaminergic neuronal cells. Toxicology and Applied Pharmacology. 2011;256(3):227-40.
Ashkarran, A.A. Bacterial effects and protein corona evaluations: Crucial ignored factors in the prediction of bio-efficacy of various forms of silver nanoparticles / A.A. Ashkarran, M. Ghavami, H. Aghaverdi // Chemical Research in Toxicology.- 2012.- Vol. 25.- №6.- P. 1231-1242.
Ashkarran AA, Ghavami M, Aghaverdi H. Bacterial effects and protein corona evaluations: Crucial ignored factors in the prediction of bio-efficacy of various forms of silver nanoparticles. Chemical Research in Toxicology. 2012;25(6):1231-42.
Nanoparticle microinjection and Raman spectrosco-py as tools for nanotoxicology studies / P. Candeloro [et al.] // Analyst.- 2011.- №136.- P. 4402-4408.
Candeloro P, Tirinato L, Malara N, Fregola A, Casals E, Puntes V, et al. Nanoparticle microinjection and Raman spectroscopy as tools for nanotoxicology studies. Analyst. 2011;136(21):4402-8.
Dietz, K.-J. Plant nanotoxicology / K.-J. Dietz, S. Herth // Trends in Plant Science.- 2011.- Vol. 16.- №11.- P. 582-589.
Dietz K-J, Herth S. Plant nanotoxicology. Trends in Plant Science. 2011;16(ll):582-9.
Mineral evolution / R.M. Hazen [et al.] // American Mineralogist.- 2008.- № 91.- P. 1693-1720.
Hazen RM, Papineau D, Bleeker W, Downs RT, Ferry JM, McCoy TJ, Sverjensky DA, Yang HX. Mineral evolution. American Mineralogist. 2008;91:1693-720.
Assessing nanotoxicity in cells in vitro / J.M. Hil-legass [et al.] // Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed Nanobio-technol.- 2010.- Vol. 2.- №3.- P. 219-231.
Hillegass JM, Shukla A, Lathrop SA, MacPherson MB, Fukagawa NK, Mossman ВТ. Assessing nanotoxicity in cells in vitro. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed Nanobio-technol. 2010; 2(3):219-31.
Tattoo inks in general usage contain nanoparticles / T. Hogsberg [et al.] // British Journal of Dermatology.-2011.- Vol. 165.- № 6.- P. 1210-1218.
Hogsberg T, Loeschner K, Lot D. Tattoo inks in general usage contain nanoparticles. British Journal of Dermatology. 2011;165(6):1210-8.
Douglas, S.R. On the growth of anaerobic bacilli in fluid media under apparently aerobic condition / S.R. Douglas, A. Flemimg, M.B. Colebrook // Lancet.- 1917.- № 2.- P. 530-532.
Douglas SR, Flemimg A, Colebrook MB. On the growth of anaerobic bacilli in fluid media under apparently aerobic condition. Lancet. 1917;2:530-2.
Final report on the safety assessment of aluminum silicate, calcium silicate, magnesium aluminum silicate, magnesium silicate, magnesium trisilicate, sodium magnesium silicate, zirconium silicate, attapulgite, bentonite, Fuller´s earth, hectorite, kaolin, lithium magnesium silicate, lithium magnesium sodium silicate, montmorillonite, py-rophyllite, and zeolite // International Journal of Toxicology.- 2003.- № 22.- P. 37-102.
Final report on the safety assessment of aluminum silicate, calcium silicate, magnesium aluminum silicate, magnesium silicate, magnesium trisilicate, sodium magnesium silicate, zirconium silicate, attapulgite, bentonite, Fuller´s earth, hectorite, kaolin, lithium magnesium silicate, lithium magnesium sodium silicate, montmorillonite, py-rophyllite, and zeolite. International Journal of Toxicology. 2003;22:37-102.
Kulvietis, V. Transport of nanoparticles through the placental barrier / V. Kulvietis, V. Zalgeviciene, J. Didziapetriene, R. Rotomskis // Tohoku Journal of Experimental Medicine.- 2011.- Vol. 225.- № 4.- P. 225-234.
Kulvietis V, Zalgeviciene V, Didziapetriene J, Ro-tomskis R. Transport of nanoparticles through the placental barrier. Tohoku Journal of Experimental Medicine. 2011;225(4):225-34.
Lynch, I. Protein-nanoparticle interactions / I. Lynch, K.A. Dawson // Nano Today.- 2008.- Vol. 3.- № 1-2.- P. 40^7.
Lynch I, Dawson KA. Protein-nanoparticle interactions. Nano Today. 2008;3(l-2):40-7.
The role of the tumor suppressor p53 pathway in the cellular DNA damage response to zinc oxide nanoparticles / K.W. Ng [et al.] // Biomaterials.- 2011.- Vol. 32.-№32.- P. 8218-8225.
Ng KW, Khoo SPK, Heng ВС, Setyawati MI, Tan EC, Zhao X, Xiong S, Fang W, Leong DT, Loo JSC. The role of the tumor suppressor p53 pathway in the cellular DNA damage response to zinc oxide nanoparticles. Biomaterials. 2011;32:8218-25.
Nystrom, A.M. Safety assessment of nanomate-rials: Implications for nanomedicine (Review) / A.M. Nystrom, B. Fadeel // Journal of Controlled Release.-2012.- Vol. 161.- №2.- P. 403^08.
Nystrom AM, Fadeel B. Safety assessment of na-nomaterials: Implications for nanomedicine (Review). Journal of Controlled Release. 2012;161(2):403-8.
Panichev, A.M. Geophagy and geology of mineral licks (kudurs): a review of russian publications / A.M. Panichev, K.S. Golokhvast, A.N. Gulkov, I.Yu. Chekryzhov // Environmental Geochemistry and Health.- 2013.- №1.-Vol. 35.- P. 133-152.
Panichev AM, Golokhvast KS, Gulkov AN, Chekryzhov IYu. Geophagy and geology of mineral licks (kudurs): a review of russian publications. Environmental Geochemistry and Health. 2013;35(l):133-52.
Petersen, E.J. Methodological considerations for testing the ecotoxicity of carbon nanotubes and fullerenes: Review / E.J. Petersen, T.B. Henry // Environmental Toxicology and Chemistry.- 2012.- Vol. 31.- № 1.- P. 60-72.
Petersen EJ, Henry ТВ. Methodological considerations for testing the ecotoxicity of carbon nanotubes and fullerenes: Review. Environmental Toxicology and Chemi-stry.2012;31(l):60-72.
Oxidative stress responses to carboxylic acid func-tionalized single wall carbon nanotubes on the human intestinal cell line Caco-2 / S. Pichardo [et al.] // Toxicology in Vitro.- 2012.- Vol. 26.- №5.- P. 672-677.
Pichardo S, Gutierrez-Praena D, Puerto M, Sanchez E, Grilo A, Camean AM, Jos A. Oxidative stress responses to carboxylic acid functionalized single wall carbon nanotubes on the human intestinal cell line Caco-2. Toxicology in Vitro. 2012;26(5):672-7.
Toxicity of nanomaterials (Review) / S. Sharifi [et al.] // Chemical Society Reviews.- 2012.- Vol. 41.- №6.- P. 2323-2343.
Sharifi S, Behzadi S, Laurent S, Laird Forrest M, Stroeve P, Mahmoudi M. Toxicity of nanomaterials (Review). Chemical Society Reviews. 2012;41(6):2323-43.
Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice / K. Yamashita [et al.] // Nature Nanotechnology.- 2011.- Vol. 6.- № 5.- P. 321-328.
Yamashita K, Yoshioka Y, Higashisaka K, Mimura K, Morishita Y, Nozaki M. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice. Nature Nanotechnology. 2011;6(5):321-8.
Wang, W.-X. Incorporating exposure into aquatic toxicological studies: An imperative / W.-X. Wang // Aquatic Toxicology.- 2011.- Vol. 105.- № 3-4.- P. 9-15.
Wang W-X. Incorporating exposure into aquatic toxicological studies: An imperative. Aquatic Toxicology. 2011;105(3-4):9-15.
Warheit, D.B. How meaningful are the results of nanotoxicity studies in the absence of adequate material characterization? / D.B. Warheit // Toxicological Sciences.-2008.- 101(2).- P. 183-185.
Warheit DB. How meaningful are the results of nanotoxicity studies in the absence of adequate material characterization? Toxicological Sciences. 2008;101(2):183-5.
Wang, J. Dispersion and filtration of carbon nanotubes (CNTs) and measurement of nanoparticle agglomerates in diesel exhaust / J. Wang, D.Y.H. Pui // Chemical Engineering Science, 2012.Wang J, Pui DYH. Dispersion and filtration of carbon nanotubes (CNTs) and measurement of nanoparticle agglomerates in diesel exhaust. Chemical Engineering Science. 2012.