[42] изучали влияние химии поверхности частиц на их взаимодействие с слоем. выстилающим поверхность легких. Они установили, что независимо от природы их поверхности частицы м. погружаться в выстилающий слой после их отложения в малых воздушных путях и альвеолах. Этому погружению способствует сама пленка сурфактанта, чье поверхностное натяжение падает временами до относительно низких значений [42,43]. С др. стороны, реактивные группы на поверхности частиц м. определенно модифицировать биологические эффекты. Для кремния было показано, что модификация кварца влияет на его цитотоксичность, способность вызывать воспаления и фиброзы. Эти различия в основном обусловлены поверхностными характеристиками частиц [44]. Специфическая цитотоксичность кремния строго коррелирует с появлением поверхностных радикалов и reactive oxygen species (ROS), которые рассматриваются как ключевое событие в развитии фиброза и рака легких этими соединениями [45].
Хотя тип частиц, по-видимому, не играет важной роли в том, будут ли они внедрены в сурфактантную выстилку альвеол, сам процесс проникновения является критическим. Взаимодействие частиц с клеткой возможно только после того, как происходит погружение частиц в жидкую выстилку. Логично, как это описано в сообщении о кремнии (silica) [45], что реактивные группы на наночастицах влияют на их взаимодействие с легкими (или в общем с биологическим материалом). В некоторых случаях возможно предсказать реактивность нано-поверхностей. Однако, учитывая бедность данных, необходима проверка этих предсказаний в лаб. условиях.
3.4 Systemic translocation of inhaled particles
Влияние ингалированных частиц на др. органы выяснено только недавно. Большинство исследований было сконцентрировано на возможных последствиях частиц, связанных с аномальной функцией на сердечно-сосудистую систему, такие как arrhythmia, coagulation [46] и т.д. Однако, недавние данные подтвердили концепцию, что автономная нервная система также м. служить мишенью для вредных эффектов ингалируемых частиц [47,48,11]. Две комплементарные гипотезы объясняют нарушения функции середечно-сосудистой системы после ингаляции ультра-тонких частиц. первая гипотеза объясняет наблюдаемые эффекты появлением строгих (и сохраняющихся) легочных воспалительных реакций, приводящих к высвобождению медиаторов, которые м. влиять на сердце, coagulation или др. сердечно-сосудистые исходы. Вторая гипотеза объясняет, что частицы транслоцируются из лёгких в системное кровообращение и тем самым прямо или косвенно влияют на гемостаз и сердечно-сосудистую целостность.
Оценка эффектов на здоровье транслокации ингалированных наночастиц в системное кровообращение является важной. Conhaim и др. [49] установили, что барьер легочного эпителия лучше всего согласуется с three-pore-sized моделью, включая небольшое количество (2%) пор крупных размеров (400-nm радиусом), промежуточное количество (30%) пор средних размеров (40-nm радиусом) и очень большого количества (68%) пор малых размеров (1.3-nm радиусом). Точная анатомическая локализация этих структур, однако, ещё не установлена [50]. До последнего времени возможное прохождение xenobiotic частиц не привлекало внимания, хотя концепция находит понимание в фармакологии для использования макромаолекулярных лекарств с помощью ингаляций [51]. Nemmar
et al [11] изучали транслокацию частиц с помощью ингалированного ультратонкого technetium (
99mTc), метящего частицы угля в крови. Эти частицы, которые были очень сходны с ультратонкой фракцией действительно загрязняющих частиц, быстро диффундировали - в течение 5 мин. - в системное кровообращение (Рис.4). Авт. пришли к заключению, что фагоцитоз с помощью макрофагов и/или эндоцитоз с помощью эпителиальных и эндотелиальных клеток ответственен за транслокацию частиц в кровь, но возможны и иные способы.
Литература по транслокации очень малых частиц из легких в кровообращение ограничена и часто противоречива. Недавнее исследование подтвердило отложение и очистку спустя 2 ч от ультратонких (60 nm)
99mTc меченных аэрозолей у добровольцев. Не выявлено достоверной радиоактивности в печени (1-2 % от ингалированной радиоактивности) но, к сожалению, не сообщалось об измерениях радиоактивности в крови [52]. В соответствии с этим находками Nemmar et al [11], Kawakami et al. [53] сообщили о наличии радиоактивности в крови непосредственно после ингаляции 99mTc-technegas у людей добровольцев. Известно также [54], что инсулин в аэрозоле вызывает быстрый терапевтический эффект, хотя пути его транслокации все ещё неизвестны. В экспериментальных исследованиях на животных [11] и др. [55,16,57] сообщалось о вне-легочных транслокациях ультратонких частиц после внутри-трахейных вливаний или ингаляций. Однако, количество ультратонких частиц, которые транслоцируются в кровь и вне-легочные органы, различаются в этих исследованиях. Было также показано, что после внутриназального введения polystyrene микрочастицы (1.1 micron) м. транслоцироваться в ткани в системный компартмент [58]. Впервые были получены морфологические данные [59], показавшие, что ингалированные polystyrene частицы транспортируются в легочные капиллярные пространства, преимущественно посредством трансцитоза. Др. способ транслокации из лёгких в др. органы исследован Oberdorster
et al [19]. В ингаляционных экспериментах на крысах с использованием 13C-меченных частиц, они установили. что частицы нано-размеров (25 nm) оказываются в некоторых органах спустя 24 ч после экспозиции. Наиболее необычной находкой стало открытие частиц в ЦНС. Авт. изучили этот феномен подробнее и установили, что частицы после того, как воспринимаются нервными клетками, м. транспортироваться по нервам (в данном эксперименте по обонятельным нервам) со скоростью 2.5 mm в час [56].
Прохождение твердых материалов из легочного эпителия в кровообращение, по-видимому. ограничено наночастицами. Вопрос о транслокации частиц всё ещё нуждается в уточнении: и транс-эпителиальный транспорт в альвеолы и транспорт посредством нервных клеток.
3.5 Fibre bio-persistence
Длинные не пригодные для фагоцитоза волокна (у людей длиннее 20 micron) не м. эффективно очищаться из респираторного тракта. Основные детерминанты bio-persistence волокон являются видо-специфичная физиологическая очистка и специфичная дл волокон bio-durability (физико-химические процессы). В альвеолах скорость, с которой волокна физически устраняется зависит от способности альвеолярных макрофагов их фагоцитировать. Макрофаги, содержащие волокна длиннее их собственного диаметра не м.б. подвижными и не способны удалять волокна из легких. Вio-durability волокон зависит от растворимости и выщелачивания (leaching) а также от механических разрывов и расщепления. Длинные волокна в лёгких м. дизинтегрироваться, приводя к появлению более коротких волокон, которые м.б. удалены макрофагами. Био-персистирующие типы асбестоза, где разрывы происходят продольно, дающие в результате больше волокон той же самой длины, но меньшего диаметра. Разрывы аморфных волокон происходят перпендикулярно длиной оси [60,61], давая в результате волокна, которые м.б. захвачены макрофагами.
Очевидно, что чем медленнее волокна очищаются (высокая био-персистенция), тем сильнее ткань обременена и тем дольше волокна остаются в ткани и тем выше вероятность побочной реакции. Stanton et al [62,63] предприняли серию экспериментов с 17 выборками точно откалиброванных стекловолокон. Они установили, что для индукции mesothelioma у крыс наиболее эффективны волокна более, чем 8 микрон в длину и менее 1.3 микрона в диаметре ("Stanton hypothesis"). Однако, эти результаты не доказывают строго, что все волокна длиннее нижнего порога столь же активны или что более короткие волокна не активны, хотя волокна длиной менее 5 микрон действительно, по-видимому, не вносят вклад в повышение риска рака лёгких у крыс [64]. Риск, по-видимому, увеличивается с длиной, с длиной волокон более 40 микрон он наивысший (Schins [65].
Вio-durability волокон с диаметром < 100 nm не д., по-видимому, отличаться от более крупных вдыхаемых волокон. Следовательно, наивысшая предосторожность д.б. в случае контакта с нано-волокнами. Тест на bio-durability необходимо проводить прежде чем выпускать продукт их содержащий. before releasing any products containing them. Углеродные нано-трубочки, которые представляют наибольший технический интерес, необходимо тестировать тщательно на предмет bio-персистенции и риска возникновения рака. Первые токсикологические исследования показали, что углеродные нано-трубочки м. представлять риск для здоровья людей [22-24], показано и, что эти материалы возможно не ингалируются [25].
4. Intestinal tract
Ещё в 1926 было установлено Kumagai [66], что частицы м. транслоцироваться из просвета кишечного тракта посредством агрегации кишечной лимфатической тканью (Peyer's patches (PP)), содержащей M-клетки (специализированные фагоцитарные энтероциты). Поступление происходит не только посредством М-клеток в PP и через изолированные фолликулы, ассоциированной с кишечником лимфоидной ткани, но и также посредством нормальных кишечных энтероцитов [51,66]. Поступление инертных частиц, как было установлено, происходит через клетки благодаря обычным энтероцитам и PP посредством М-клеток и в меньшей степени с помощью около-клеточных путей [67]. Первоначально предполагалось, что PP не различают строго тип и размеры абсорбируемых частиц. Позднее было установлено, что модифицированные характеристики, такие как размер частиц [68] поверхностные заряды частиц [69], присоединение лигандов [70,71] или покрытие сурфактантами [72], делают возможным сайт-специфический таргетинг в разные области ЖКТ, включая PP [73].
Кинетика транслокации частиц в кишечнике зависит от диффузии и проходимости через слизь, инициального контакта с энтероцитами или М-клетками, клеточного переноса и пост-транслокационных событий. Заряженные частицы, такие как carboxylated polystyrene наночастицы [69] или частицы, состоящие из положительно заряженных полимеров, обладают плохой оральной био-доступностью из-за электростатического отталкивания и отлавливанием слизью. Szentkuti [74] определил скорость диффузии частиц через слой слизи к поверхности энтероцитов. Он [74] наблюдал, что катионовые нанометрового размера latex частицы отлавливаются негативно заряженной слизью, тогда как отталкивающие carboxylated флюоресцентные латексные наночастицы были способны диффундировать черех этот слой. Чем более мелкие в диаметре частицы, тем быстрее они м. проходить слизь и достигать энтероцитов колона; 14 nm в диаметре проникали в течение 2 мин., 415 nm частицы осуществляли это за 30 мин, тогда как 1000-nm частицы были не способны проходить этот барьер. В течение 30 мин ни одна частица не эндоцитозировалась энтероцитами несмотря на тот факт, что латексные наночастицы преимущественно связываются клеточной поверхностью более строго, чем слизью. После более длительного периода времени (оральный форсированный прием в течение нескольких дней) обнаруживалось рыхлое накопление заряженных частиц в lamina propria (соединительной ткани под эпителием) по сравнению с незаряженными латексными наночастицами того же размера [69].
Оказавшись в подслизистой ткани частицы способны проникать как в лимфатические сосуды, так и капилляры. Частицы, проникающие в лимфатическую систему, по-видимому, важны для индукции секреторной иммунной реакции, тогда как поступившие в капилляры м. достигать разных органов. В одной работе [75] определяли распределение по телу после транслокации polystyrene частиц. Polystyrene сферы (от 50 nm до 3 микрон) скармливали с пищей самкам крыс Sprague Dawley в течение 10 дней в дозе 1.25 мг/кг. 34 % и 26% частиц размером в 50 и 100 nm абсорбировалось, соотв. Более крупные чем 300 nm частицы не обнаруживались в крови. Не было обнаружено частиц в ткани сердца или лёгких.
4.1 Intestinal Translocation and Disease
Болезнь Crohn's характеризуется transmural воспалением ЖКТ. Этиология неизвестна, но предполагается, что комбинация генетической предрасположенности и средовых факторов играет роль. Частицы (0.1-1.0 микрон) ассоциируют с болезнью и считаются мощными провокаторами (adjuvants) в модели обусловленной антигенами иммунной реакции. Установлено, что частицы бедной диеты (бедной по кальцию и экзогенным микрочастицам) exogenous microparticles) облегчают симптомы болезни Crohn's [76]. Хотя имеется четкая ассоциация между экспозицией и поступлением частиц и болезнью Crohn's, мало известно о точной роли фагоцитирующих клеток в кишечном эпителии. Предполагается, что разрушение функции эпителиального барьера с помощью апоптоза энтероцитов возможно является пусковым механизмом воспаления слизистой. Пато-физиологическая роль М клеток неясна; известно, что при болезни Crohn's М клетки теряются из эпителия. В др. исследовании обнаружено, что способность М клеток обеспечивать поступление материала (эндоцитоз) индуцируется разными иммунологическими условиями, напр., более значительным поступлением частиц (0.1 micron, 1 micron и 10 микрон в диаметре) выявлено в воспаленной слизистой толстой кишки крыс по сравнению с не-изъязвленной тканью [77,78] и воспаленным пищеводом [79].
Болезни вне кишечника также оказывают заметные эффекты на способность ЖКТ транслоцировать частицы. Абсорбция 2-micron polystyrene частиц из PP крыс с экспериментально индуцированным диабетом увеличивалась в 100 раз (10% от используемой дозы) по сравнению с нормой [80]. Однако, у диабетических крыс обнаруживалось 30% снижение распространения частиц с кровообращением. Это м. объясняться повышенной плотностью базальной ламины, лежащей под слизистой ЖКТ диабетических крыс, что м. препятствовать транслокации частиц в более глубокие области ворсинок. Эта нестыковка между увеличением абсорбции кишечником и снижением диссеминации с помощью кровообращения наблюдается и у обработанных dexamethasone крыс [81].
Известно, что созданные искусственно наночастицы м. поступать через кишечный тракт. В целом поступление через кишечник частиц более понятно и изучено более детально, чем поступление через легкие и кожу. Для тех наночастиц, которые предназначены стабилизировать пищу или для поступления лекарств через кишечник, д. предъявляться больше требований и существовать больше правил перед поступлением на рынок.
5. Skin
Кожа является важным барьером, защищающим против ударов внешней среды. Кожа структуирована в три слоя: эпидермис, дерму и подкожный слой. Наружный слой эпидермиса, stratum corneum (SC), покрывает всю внешнюю сторону тела и состоит только из мертвых клеток, которые сильно кератинизированы. Для большинства хим. веществ SC является скорость-ограничивающим барьером для абсорбции через кожу (penetration). Кожа большинства видов млекопитающих составляет большую часть тела, покрытую волосами. Места, где растут волосяные фолликулы, барьерная функция кожи несколько отличается от "нормального" стратифицированного слущивающегося эпидермиса. Большинство исследований, связанных с пенетрацией материалов в кожу, сфокусировано на том, м. или нет лекарства проникать через кожу. Основными типами материалов, обычно используемых являются: липосомы; твердые плохо растворимые материалы, такие как TiO2 и полимерные частицы и субмикроскопические эмульсии частиц, таких как твердые липидные наночастицы. Проникновение этих носителей частиц детально не изучено.
TiO2 частицы часто используют в кремах для загара, чтобы адсорбировать УФЛ и тем самым защищать кожу против солнечных ожогов ли генетических повреждений. Lademann
et al [82] сообщили, что микро-метровых размеров частицы TiO2 проходят через stratum corneum человека и даже в некоторые волосяные фолликулы - включая их глубокие части. Однако, авт.не интерпретировали свое наблюдение как проникновение в живые слои клеток кожи, т.к. эти части фолликулярных каналов (acroinfundibulum) покрыты роговым барьерным слоем [82]. Были предложены разные интерпретации [83], предполагающие, что "очень маленькие частицы titanium dioxide (напр., 5-20 nm) проникают в кожу и м. взаимодействовать с иммунной системой. Tinkle et al [84] продемонстрировали, что 0.5- и 1.0 микроновые частицы в сочетании с движением проникают сквозь stratum corneum кожи человека и достигают эпидермиса, а иногда и дермы. Авт. предполагают, что липидные слои в клетках stratum corneum формируют пути, с помощью которых частицы м. перемещаться [85] в коже и фагоцитироваться клетками Langerhans. В этом исследовании проникновение частиц ограничивалось диаметром частиц в 1 микрон или меньше. Тем не менее др. исследования описывают проникновение через кожу частиц диаметром 3-8 микрон [86,87,82], но лишь ограниченная пенетрация часто обнаруживается в виде кластеров в волосяных фолликулах.
Проникновение не металлических твердых материалов, таких как способных к деградации poly(D,L-lactic-co-glycolic acid (PLGA) микрочастиц в 1 - 10 микрон со средним диаметром 4.61 ± 0.8 микрон, изучали после воздействия на кожу свиньи. Количество микрочастиц в коже снижалось с глубиной (от поверхности до подкожного слоя). На глубине в 120 микрон (где присутствует живой эпидермис) обнаруживалось относительно высокое количество частиц, на глубине 400 микрон (дерма) некоторые микро частицы всё ещё обнаруживаются. Н а глубине 500 микрон микрочастиц не обнаружено [88]. В коже индивидов, которые имеют нарушенный лимфатический дренаж нижних конечностей, твердые микрочастицы, часто в 0.4-0.5 микрон, но и более крупные частицы до 25 микрон диаметром, обнаруживаются в дерме стоп пациентов с эндемическим elephantiasis. Частицы видны в фагосомах макрофагов или в цитоплазме др. клеток. Нарушение проводимости лимфы в узлы вызывает постоянное отложение кремния (silica) в дермальной ткани (параллельно сходные отложения в легких при pneumoconiosis). Это указывает на то, что почвенные частицы проникают через поврежденную кожу, вполне возможно, у каждого индивида и обычно удаляются посредством лимфатической системы [89,90]. Липосомы проникают в кожу в зависимости от размера. Micro-размерные и даже submicron размеров липосомы с трудом приникают в жизнеспособный эпидермис, тогда как липосомы со средним диаметром в 272 nm м. достигать жизнеспособного эпидермиса, а некоторые обнаруживаются и в дерме. Более мелких размеров липосомы в 116 и 71 nm были обнаружены в высокой концентрации в дерме.
Emzaloid™ частицы в виде submicron эмульсии частиц, таких как липосомы и не-ионные пузырьки сурфактанта (niosomes), с диаметром 50 nm до 1 микрона, были обнаружены в эпидермисе в ассоциации с клеточными мембранами после аппликации на кожу [91]. Авт. предполагают, что одиночные молекулы, которые образуют частицы, м. проникать в межклеточные пространства, а в определенных областях в stratum corneum, они были способны накапливаться и превращаться в микро сферы. В последующем эксперименте было показано, что использованная редакция делает возможной пенетрацию сфер в клетки меланомы, даже в ядра [92].
Hostynek [93] утверждает, что поступление металлов через кожу сложно как из-за экзогенных факторов (напр., доза, способо, реактивность белка, валентность) так и эндогенных факторов (напр., возраст кожи, анатомическое состояние, гомеостатический контроль). Попытки установить правило управления проникновением через кожу, дать предсказуемые количественные structure-diffusion взаимоотношения для металлических элементов в отношении оценки риска оказались безуспешными, поэтому это необходимо делать для каждого вида металла отдельно.
Мало в литературе упоминаний о наночастицах, проникающих через кожу, но некоторые заключения уже имеются. Во-первых, проникновение через кожный барьер зависит от размеров, nano-размерные частицы скорее всего проникают более глубоко в кожу, чем более крупные. Во-вторых, разные типы частиц обнаруживаются в глубоких слоях кожи и в настоящее время невозможно предсказать поведение частиц в коже. И, наконец, материалы, которые м. растворяться или выщелачиваться из частиц (напр., металлы), или распадаются на более мелкие частицы (напр., Emzaloid™ частицы), возможно м. проникать через кожу. Мы не нашли каких-либо прямых указаний на то, что частицы, которые проникают в кожу, проникают также в системное кровообращение. Наблюдение, что частицы в коже м.б. фагоцитированы макрофагами, клетками Langerhans или др. клетками является возможным путем в направлении сенсибилизации кожи. Tinkle
et al [84] было показано, что местное применение beryllium у C3H мышей генерирует beryllium-специфическую сенсибилизацию. Эти данные согласуются с развитием hapten-специфической, клетками опосредованной иммунной реакции.
5.1 Mechanical irritation of skin
Стекляные волокна и Rockwool волокна являются широко распределенными, созданные человеком минеральными волокнами из-за их множественного использования, особенно в качестве изолирующего материала, которые все чаще используются в качестве замены асбестовых волокон. В контакте с кожей эти волокна м. индуцировать дерматиты благодаря механическому раздражению. Причина такого раздражения детально не изучена. В тестах на людях было установлено, что Rockwool волокон с диметром 4.20 ± 1.96 микрон вызывают большее раздражение, чем со средним диметром 3.20 ± 1.50 микрон. Тот факт, что "малые" волокна м. вызывать сильное раздражение кожи известен уже давно, напр., вызывающие зуд порошки. Общепринято, что некоторые типы продуцируемых людьми волокон м. легко индуцировать не аллергические дерматиты. Однако неясно, как эти волокна вызывают раздражение. В исследовании по раздражению кожи волокнами с диаметром < 100 nm не было получено информации, , следовательно, необходимы дальнейшие исследования.
6. Body distribution and systemic effects of particulates
Распределение по телу частиц строго зависит от их поверхностных характеристик. Напр., покрытые poly(methyl methacrylate) наночастицы с разными типами и концентрациями сурфактантов существенно изменяют их распределение по телу [116]. Покрытие этих наночастиц ~ 0.1 % poloxamine 908 существенно снижает их концентрацию в печени (с 75 до 13 % от общего количества использованных частиц) спустя 30 мин после внутривенного введения. Другой surfactant, polysorbate 80, эффективен выше 0.5%. В др. сообщении [94] показано, что модификации поверхности наночастиц каионовым соединением, didodecyldimethylammonium bromide (DMAB), облегчает поступление в артерии в 7-10 раз. Авт. отмечают, что поверхность нано-частиц, модифицированная DMAB, обладает zeta потенциалом +22.1 +/- 3.2 mV (mean +/- sem, n = 5), который существенно отличается от такового у исходных наночастиц, итмеющих zeta потенциал из -27.8 +/- 0.5 mV (mean +/- sem, n = 5). Механизм измененного биологического поведения довольно неясен, но поверхностные модификации м. использоваться для внутри-артериальной доставки лекарств.
Оральное поступление (gavage) polystyrene сфер разных размеров (от 50 nm до 3 микрон) у самок Sprague Dawley крыс (в течение 10 дней в дозе 1.25 mg/kg/day) приводят к распространению наночастиц с помощью системного кровообращения. Около 7% (50 nm) и 4% (100 nm), было обнаружено в печени, селезенке, крови и костном мозге. Частицы крупнее 100 nm не достигали костного мозга, а частицы крупнее, чем 300 nm отсутствовали в крови. Не обнаружено частиц в сердце или легких [75].
Независимо от способа поступления распределение частиц по телу больше всего зависит от характеристик поверхности и размеров частиц. Это м. использоваться для избирательной доставки лекарств к соответствующ0им мишеням.
6.1 Nanoparticles, thrombosis and lung inflammation
Эпидемиологические исследования сообщают о тесной ассоциации между определенными воздушными загрязнениями и сердечно-сосудистыми побочными эффектами, такими как инфаркт миокарда [95]. Последний возникает в результате разрыва атеросклеротических бляшек в коронарных артериях, что сопровождается быстрым ростом тромба, вызываемое воздействием высоко реактивных субэндотелиальных структур в циркулирующей крови, что ведет к дополнительной или полной закупорке кровеносного сосуда. Nemmar
et al [96] изучали возможные эффекты частиц на гемостаз, обращая особое внимание на образовании тромбов. Polystyrene частицы диаметром 60 nm (модификации поверхности: нейтральная, негативно или позитивно заряжены) оказывали прямой эффект на гемостаз ври внутривенном введении. Позитивно заряженные amine-частицы приводили к заметному увеличению prothrombotic тенденции, возникающей в результате активации тромбоцитов. Сходный эффект м.б. получен после внутри-трахейного введения этих позитивно заряженных polystyrene частиц, которые также вызывают воспаление легких [97]. Важно указать, что вливание в легкие более крупных (400 nm) позитивно заряженных частиц вызывает четко легочное воспаление (сходное по интенсивности с 60 nm частицами), но они не приводят к периферическим тромбозам в течение первых часов после введения. Это отсутствие эффекта более крупных частиц на тромбоз. несмотря на их четкий эффект на воспаления легких, указывает на то, что легочное воспаление само по себе недостаточно, чтобы влвиять на периферический тромбоз. Следовательно, эффекты, обнаруживаемые с более мелкими, ультратонкими частицами скорее всего обусловлены, по крайней мере, частично их системными транслокациями из лёгких в кровь.
Загрязняющие частицы, такие как diesel exhaust particles (DEP), м. вызывать заметное легочное воспаление в течение часов после их проникновения в легкие. Более того, внутри-трахейные вливания DEP способствуют тромбозам бедренных вен и артерий дозово-зависимым способом, уже начиная с дозы 5 µg per hamster (appr. 50µg/kg). Последующие эксперименты показали, что prothrombotic эффекты сохраняются в течение 6 ч и 24 ч после вливания (50 µg/animal) и подтвердили, что периферические тромбозы и легочные воспаления не всегда ассоциируют [97]. Твердые ингалируемые частицы представляют риск для тех, кто страдает от сердечно-сосудистых болезней. Экспериментальные данные указывают на то, что многие ингибируемые частицы м. влиять на середечно-сосудистые параметры посредством легочного воспаления. Нано-размерные частицы после попадания в кровообращение, также м. играть непосредственную роль в образовании тромбов.
Эпидемиологические исследования предоставили ценную информацию о побочных для здоровья эффектах, особенно воздушных загрязнений, указывая на то, что наночастицы являются важным средовыми факторами риска для середчно-сосудистой смертности. Частицами индуцируемые легочные и системные воспаления ускоряют атеросклероз и меняют сердечную автономную функцию и м.б. частью пато-физиологического пути , связывающего загрязнение воздуха частицами с сердечно-сосудистой смертностью. Было также установлено, что частицы, откладывающиеся в альвеолах, ведут к активации продукции цитокинов альвеолярными макрофагами и эпителиальными клетками и к привлечению воспалительных клеток. Увеличение вязкости плазмы, fibrinogen и C-реативного белка наблюдалось в выборках случайно отобранных здоровых взрослых, связанных с воздушным загрязнением [95,98,99].
6.2 Nanoparticles and cellular uptake
Опубликован ряд сообщений о клеточном поступление микро- и нано-размерных частиц. Имеются сообщения о поступлении частиц с помощью клеток эндотелия [100,101], легочного эпителия [102,79,103,59], кишечного эпителия [51,79] альвеолярных макрофагов [104-107,57], др. макрофагов [89,108,76,109], нервных клеток [110] и др. клеток [111]. Это ожидаемый феномен для фагоцитирующих клеток (макрофагов) и клеток, которые функционируют как барьер и/или транспорт для (крупных) соединений. За исключением макрофагов, эффекты на здоровье поступления с клетками наночастиц не было изучено.
6.3 Nanoparticles and the blood-brain barrier
Одним из перспективных путей нанотехнологии является орган- и клеточно-специфическая доставка лекарств с помощью наночастиц [112-114]. Ожидается, что транспорт наночастиц через blood-brain barrier (BBB) возможно осуществляется или за счёт пассивной диффузии или с помощью эндоцитоза носителей. Покрытые polysorbates частицы (напр., polysorbate-80) вызывают закрепление apolipoprotein E (apo E) или др. компонентов крови. Частицы с модифицированной поверхностью, по-видимому, воспроизводят LDL частицы и м. взаимодействовать с LDL рецепторами, приводя к поступлению с помощью эндотелиальных клеток. После этого лекарство (которое нагружено на частицы) м.б. доставлено в эти клетки и диффундировать внутрь головного мозга или частицы м. trans-cytosed.
Также и др. процессы, такие как модуляция плотных соединений или P-glycoprotein (Pgp) ингибирование, также м. иметь место [115]. Oberdorster et al 2002 сообщили о транслокации вдыхаемых наночастиц посредством обонятельных нервов [56]. Системы доставки лекарств, пересекающие BBB, это хорошо, но они м. делать возможным и прохождение через BBB нежелательных элементов.
6.4. Nanoparticles and oxidative stress
Было показано, что наночастицы, которые проникают в печень, м. индуцировать локальные оксидативные стрессы. Одиночные (один раз в день; 20 и 100 mg/kg) и повторные (14 дней) внутривенные введения poly-isobutyl cyanoacrylate (PIBCA, био-разлагаемые частицы) или polystyrene (PS, не biodegradable) нано-частицы индуцируют истощение уровней reduced glutathione (GSH) и oxidised glutathione (GSSG) в печени, а также ингибирование активности superoxide dismutase (SOD) и незначительное увеличение активности catalase. Наночастицы не распространяются в гепатоциты, указывая на то, что oxidative виды скорее всего продуцируются активированными печеночными макрофагами после фагоцитоза наночастиц.
Поступление полимерных наночастиц в Kupffer клетки печени указывают на модификации в печеночной antioxidant системе, возможно благодаря продукции радикалов кислорода [108]. Выше говорилось, что нано-размерные частицы в лёгких м. индуцировать посредством реакции легочного воспаления, а также посредством спонтанных реакций, связанных с поверхностью, оксидативные стрессы. Сообщалось также [108], что истощение glutathione не достаточно для инициации существенных повреждений гепатоцитов (не происходит peroxidation липидов). Необходимо подчеркнуть, что долговременные исследования необходимы для подтверждения безопасности использования этих наночастиц из-за хронического ослабления anti-oxidant защиты, которое м. приводить к тяжелым проблемам со здоровьем.
7. Differences in conditions between the lung and intestinal tract
Хотя контакт с нано-материалами в лёгких и кишечном тракте обнаруживает много сходства, но имеются и важные отличия с токсикологической точки зрения. В кишечном тракте присутствует сложная смесь соединений - таких как секретируемые ферменты, перевариваемая пища, бактерии кишечной флоры и т.д. - которая м. взаимодействовать с заглоченными нано-материалами. Неспецифическое взаимодействие часто снижает токсичность проглоченных материалов. material. Установлено, что
in vitro частицы менее цитотоксичны, если разбавлены средой с высоким содержанием белка. В лёгких слизь или сурфактант содержат антиоксиданты, но они м.б. легко нейтрализованы, когда вдыхаются большие количества окисляющих соединений.
Прохождение через кишечный тракт очень быстрое, а постоянный распад и обновление эпителия приводит к тому. что нано-материалы не остаются длительное время в кишечном тракте. Присутствие твердых материалов в просвете кишечника не индуцирует автоматически воспалительной реакции. Вдыхаемые материалы < 10 микрон и > 5 микрон не проникают в альвеолярные пространства легких и легко устраняются у здоровых лиц посредством слизисто-ресничатоко эскалатора. Частицы, которые меньше 5 микрон будут откладываться в альвеолярных пространствах посредством Броуновского движения. В альвеолах не растворимые в воде материалы м. только удаляться посредством фагоцитоза с помощью макрофагов и др. клеток, или путем транспортации их через эпителий в интерстиций или системное кровообрщение. Эти процессы часто сопровождаются начинающимся (персистирующим) воспалением. Частицы сами по себе - в зависимости от физико-химических характеристик матриала - остаются в течение длительного периода в альвеолах.
В кишечном тракте проглоченные материалы подвергаются стрессу от кислых (желудок) до щелочных условий. Этот сдвиг в pH заметно меняет растворимость и ионное состояние материала за счёт изменения поверхностных характеристик. В легких среда просвета более постоянна
.
8. Conclusions
Particles in the nano-size range can certainly enter the human body via the lungs and the intestines; penetration via the skin is less evident. It is possible that some particles can penetrate deep into the dermis. The chances of penetration depend on the size and surface properties of the particles and also on the point of contact in the lung, intestines or skin. After the penetration, the distribution of the particles in the body is a strong function of the surface characteristics of the particles. A critical size might exist beyond which the movement of the nanoparticles in parts of the body is restricted. The pharmaco-kinetic behaviour of different types of nanoparticles requires detailed investigation and a database of health risks associated with different nanoparticles (e.g. target organs, tissue or cells) should be created. The presence of the contaminates, such as metal catalysts present in nanotubes, and their role in the observed health effects should be considered along with the health effect of the nanomaterials.
The increased risk of cardiopulmonary diseases requires specific measures to be taken for every newly produced nanoparticle. There is no universal "nanoparticle" to fit all the cases, each nanomaterial should be treated individually when health risks are expected. The tests currently used to test the safety of materials should be applicable to identify hazardous nanoparticles. Proven otherwise, it would be a challenge for industry, legislators and risk assessors to construct a set of high throughput and low cost tests for nanoparticles without reducing the efficiency and reliability of the risk assessment. Nanoparticles designed for drug delivery or as food components need special attention.
Сайт создан в системе
uCoz
