17/10/2016 ИК СО РАН
Новосибирские учёные исследуют искусственные наночастицы
736 ИК СО РАН ИЯФ СО РАН ИНХ СО РАН ИХКГ СО РАН СО РАН НИОХ СО РАН НГУ Сотрудничество Инновации Науки о жизни Новосибирск Группа специалистов из лаборатории радиоуглеродных методов анализа Новосибирского государственного университета и ряда институтов СО РАН провела исследование с помощью ускорительной масс-спектрометрии, результаты которого убедительно показали — искусственные наночастицы, которых в окружающей атмосфере становится всё больше, очень плохо выводятся из организмов млекопитающих. Вдыхаемые частицы накапливаются в лёгких, затем разносятся по всему организму, попадая в почки, печень, мозг, а спустя четверть жизни мышей (около полугода) они по-прежнему регистрируются в лёгких.
Сотрудники лаборатории радиоуглеродных методов анализа (ЛРМА) Новосибирского государственного университета и ряда институтов СО РАН провели исследование с помощью метода ускорительной масс-спектроскопии (УМС) на мышах и выяснили, что твёрдые аэрозольные частицы размером 200 нанометров в очень низкой концентрации (1000 штук на кубический сантиметр), проникая в организм через лёгкие, накапливаются в почках, печени и мозге и при этом не накапливаются в сердце. Частицы размером 80 нм с концентрацией 10000 штук в одном кубическом сантиметре вдыхаемого воздуха остаются в лёгких минимум полгода после воздействия.
Использованная низкая концентрация аэрозолей максимально приближена к естественным условиям городского воздуха — примерно такое количество дисперсных частиц содержится в окружающем людей воздухе (0,8–2 мкг на кубический метр или 10000–50000 штук на кубический сантиметр).
Полистирольные частицы в спрессованном виде
Первые результаты исследования опубликованы в статье Ultrasensitive detection of inhaled organic aerosol particles by accelerator mass spectrometry в сентябрьском номере журнала Chemosphere (IF=3,7). По данным портала ResearchGate, статья исследователей уже стала лидером по числу прочтений среди всех работ, опубликованных в области ускорительной физики.
В работе принимают участие специалисты из ЛРМА НГУ, Института катализа СО РАН, Новосибирского института органической химии, Института химической кинетики и горения СО РАН, Института ядерной физики СО РАН, Научного цента клинической и экспериментальной медицины и компании «Тион».Напомним, что ранее, с помощью ускорительной масс-спектрометрии, основанной на подсчёте в образцах количества изотопов углерода 14C, сотрудники ЛРМА НГУ разработали метод обнаружения в организме бактерии Helicobacter pylori, а также датировали останки, найденные на месте пересыльной тюрьмы НКВД в Новосибирске.
По словам автора статьи, старшего научного сотрудника лаборатории радиоуглеродных методов анализа НГУ и Института катализа СО РАН Екатерины Пархомчук, группа учёных не только получила новые данные о накоплении наночастиц органами, но и предложила простой способ отследить движение аэрозолей в организме в предельно низких концентрациях:
— В результате бурного развития технологий нас окружает все большее и большее количество наночастиц, которых ранее не существовало в природе. Раньше для того, чтобы проверить, как распространяются аэрозоли по организму, использовали весьма специфические вещества, например, радиоактивный технеций, такие металлы, как золото, серебро (в организме их очень мало). Однако бóльшая часть аэрозолей, вдыхаемых людьми — отнюдь не металлы, а углеродсодержащие вещества: естественные частицы почвы, пыльцы, спор и искусственные — сажа, выхлопы двигателей, выбросы тепловых электростанций. Найти такие частицы в организме, состоящем на 20% из углерода, при их естественной концентрации сложнее, чем иголку в стоге сена. До нас учёные использовали дозы частиц, значительно превышающие естественные количества, вводя их в виде концентрированных растворов через трахею или внутривенно.Использование метода УМС позволило на несколько порядков увеличить чувствительность регистрации вещества в организме и использовать естественный, то есть ингаляционный, способ введения модельных частиц:
— Для того чтобы изучить, как расходятся частицы, например, сажи или лекарственного препарата, нужно ввести в них изотоп 14С, и проблема с регистрацией решена, потому что в организме содержание 14С ничтожно мало — около 10-12, а УМС может «увидеть» одну частицу редкого изотопа среди 1015 частиц основного изотопа углерода — 12С . При этом радиоактивность вводимых веществ даже не зафиксируется счетчиками распадов и не потребует специальных условий работы, — говорит Екатерина Пархомчук.
Эксперимент состоял из нескольких стадий с участием большого коллектива разных специалистов. Химики-синтетики получали стирол, меченный 14С, из него — полистирольные микро- и наносферы. Физики-аэрозольщики продумали, как распылить полученный раствор таким образом, чтобы в воздух улетали не агломераты, а отдельные частицы. Биологи работали с мышами, химики-каталитики готовили из биологических тканей графитовые мишени для физиков, которые проводили изотопный анализ углерода.Результаты показали, что после пяти дней воздействия аэрозольными частицами размером 200 нм по 30 минут в день в лёгких мышей накопилось несколько миллионов частиц, или около 90 нанограмм на 1 г массы мыши. Частицы также были обнаружены в почках, мозге и печени, но не были зарегистрированы в сердце. Аналогичное воздействие частицами размером 80 нм показало, что наносферы такого размера задерживаются в лёгких мышей минимум полгода. Екатерина Пархомчук отмечает: ранее считалось, что частицы размером 200 нм не проникают дальше лёгких в организм и выводятся через верхние дыхательные пути, однако, исследование опровергло это утверждение. Более того, чужеродные частицы, накапливающиеся в организме, могут привести к негативным последствиям для внутренних органов, в том числе онкологическим заболеваниям. В качестве примера учёная приводит ситуацию, когда спасатели, работавшие в течение длительного времени на месте теракта 11 сентября 2001 года и дышавшие продуктами горения синтетических материалов, заболевали раком спустя несколько лет, возможно, в результате плохого выведения наночастиц из организма и длительного вредного воздействия канцерогенными химическими веществами:
— В продуктах горения синтетических материалов могут содержаться канцерогены, например, 3,4-бензопирен, который в лабораторных условиях используют для целенаправленного вызывания опухолей.
Проведенное исследование не только дало ответы, но и поставило новые вопросы. Например, те мыши, которые участвовали в экспериментах, спустя полгода после воздействия аэрозолями оказались на треть более упитанными, чем контрольная группа, не вдыхавшая наночастицы:
— У нас пока что нет ни одной гипотезы, почему так могло получиться, — отмечает Екатерина Пархомчук.
Возможности УМС и разработки ЛРМА НГУ совместно с институтами СО РАН будут использоваться при создании методов направленной доставки лекарств, например, пролонгированной формы препаратов для лечения туберкулёза (совместно с Научным центром клинической и экспериментально медицины) и новых химических препаратов для бор-нейтронозахватной терапии рака.
Анастасия Аникина