CC BY
56
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2016, том 51, № 6, с. 929-936
УДК 615.9:546.77-022.532]:57.084.1 doi: 10.Ш89^гоЫок^у.2016.6.929гш
ЦИТОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ У КРЫС ЛИНИИ Wistar ПОД ВЛИЯНИЕМ МОЛИБДЕНСОДЕРЖАЩИХ
НАНОЧАСТИЦ*
Е.А. СИЗОВА1, 2, С.А. МИРОШНИКОВ1, В.В. КАЛАШНИКОВ3
Несмотря на широкое применение наночастиц Mo в различных отраслях промышленности и в медицине, информация о последствиях взаимодействия вновь создаваемых на их основе наноматериалов и биологических объектов ограничена. Анализ накопленных данных о молибден-содержащих наночастицах позволяет предположить наличие у них токсического действия. Нами впервые выполнено сравнительное исследование биологических эффектов наночастиц Mo и его оксида в отношении модельных теплокровных животных. Для этого мы изучили состояние метаболических процессов и обмен химических элементов у крыс линии Wistar под влиянием наночастиц молибдена (Mo НЧ) в дозе 1 и 25 мг/кг живой массы и его оксида (MoOз НЧ) в дозе 1,2 и 29 мг/кг живой массы при внутрибрюшинном введении. Морфологические показатели крови и гематокрит определяли с использованием автоматического гематологического анализатора, состояние антиоксидантной системы (активность какталазы, супероксиддисмутазы), а также функцию основных ферментов метаболизма (активность аланинаминотрансферазы — АлАТ, аспарта-таминотрансферазы — АсАТ, лактатдегидрогеназы — ЛДГ, у-глутамилтрансферазы — ГГТ, кре-атинкиназы) и ряд биохимических показателей (концентрация креатинина, билирубина, мочевины) — на автоматическом биохимическом анализаторе в динамике (на 1-е, 7-е и 14-е сут). Концентрацию микроэлементов определяли методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии. При введении Mo НЧ и MoOз НЧ уже на 1-е сут содержание лейкоцитов снижалось на 11,3 % (Р < 0,05) и 58,5 % (Р < 0,01). Особенностью действия наночастиц оказалось уменьшение числа моноцитов в 1-е сут на 18,9 (Р < 0,05); 41,9 (Р < 0,01); 51,7 (Р < 0,05) и 83,3 % (Р < 0,001) в зависимости от вида и дозы наночастиц с сохранением достоверных различий с контролем только при введении MoOз НЧ в дозе 29 мг/кг (54,5 %, Р < 0,05). На 7-е и 14-е сут у крыс проявлялись признаки молибденовой интоксикации, сильнее выраженной для MoOз НЧ. При максимальных дозировках наночастиц число тромбоцитов увеличивалось к 14-м сут, что приводило к повышению вязкости крови и затруднению перфузии через микрососуды. Полученные результаты показали возрастание активности сывороточных аминотрансфераз (АлАТ, АсАТ), а также ГГТ и ЛДГ, наличие признаков окислительного стресса, анемии, капиллярно-трофической недостаточности у животных, получавших высокие дозы молибдена и его оксида. Со временем наблюдаемые эффекты прогрессировали, наиболее заметно проявляясь в случае MoOз НЧ. Таким образом, Mo НЧ (при сопоставимости доз введения) менее токсичны, чем MoOз НЧ.
Ключевые слова: каталаза, супероксиддисмутаза, у-глутамилтрансфераза, лактатдегид-рогеназа, аминотрансферазы, наночастицы молибдена, наночастицы оксида молибдена.
Наноформы молибдена широко применяются в современных технологиях (1, 2), в том числе при многофункциональном электрокатализе (3), производстве смазочных материалов (4). Кроме того, ультрадисперсные препараты молибдена и его соединений обладают уникальными биологическими свойствами, что позволяет использовать их при терапии опухолей (5), в качестве противомикробных (6, 7) и противогрибковых средств (8), для стимулирования роста синезеленых водорослей (9).
Молибден как эссенциальный микроэлемент хорошо изучен. Известно об его участии в ферментативных системах (10). Описаны диапазоны дефицита, достаточности и токсичности молибдена (11). Известны фоновые (12), пороговые и токсические концентрации молибдена для беспозвоночных в почвах (13). Однако сведения о последствиях взаимодействия вновь создаваемых молибденсодержащих наноматериалов с биологически-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-36-00023). Исследования проводились в лаборатории «Агроэкология техногенных наноматериалов» и Испытательном центре (ФГБНУ Всероссийский НИИ мясного скотоводства, аттестат аккредитации ИА. Яи.21ПФ59 от 02.12.15). Анализ образцов на содержание химических элементов проводили в лаборатории АНО «Центр биотической медицины», г. Москва (аттестат аккредитации ГСЭН.Ии.ЦАО.311, Регистрационный номер в Государственном реестре РОСС Ии. 0001.513118).
ми объектами все еще крайне ограничены. Между тем поисковые исследования свидетельствуют о том, что биологические эффекты наноформ молибдена значительно более выражены. Это показано на различных моделях. В частности, поступление наночастиц оксида молибдена в почву приводит к высокой смертности, адаптационным изменениям активности антиоксидантных ферментов и депрессии обмена Cr, Fe, Mg, Mn, Ni, Si, V у Eisenia fétida (14). Присутствие наночастиц молибдена в водной среде сопровождается нарушением проницаемости клеточной мембраны у Styl-onychia mytilus и процессами, сопутствующими повреждению (15). Анализ накопленных данных о биологических эффектах молибденсодержащих на-ночастиц позволяет предположить наличие у них токсического действия в отношении теплокровных животных.
Мы впервые сравнили биологические эффекты наночастиц молибдена и его оксида в отношении теплокровных животных (крыс).
Цель работы заключалась в изучении морфологических и биохимических показателей крови, морфофункциональных характеристик тканей и обмена химических элементов у модельных объектов под влиянием нано-частиц молибдена и его оксида.
Методика. Наночастицы (НЧ) молибдена (Mo НЧ) и оксида молибдена (MoO3 НЧ) получали методом плазмохимического синтеза (ООО «Платина», г. Москва). Препараты Мо НЧ (d = 50 нм, удельная поверхность 14 м2/г, Z-потенциал -43±0,52 мВ) содержали 99,7 % Мо и 0,3 % O2, МоО3 НЧ (d = 92 нм, удельная поверхность 12 м2/г, Z-потенциал -43±0,21 мВ) — 99,8 % Мо и 0,2 % O2. Материаловедческая аттестация препаратов (определение размера частиц, полидисперсности, объемности, содержания фракций, площади поверхности) включала электронную сканирующую, просвечивающую и атомно-силовую микроскопию с использованием LEX T OLS4100, JSM 7401F и JEM-2000FX («JEOL», Япония). Распределение частиц по размерам исследовали на анализаторе Photocor Compact (ООО «Фотокор», Россия). Препараты наночастиц диспергировали в физиологическом растворе с помощью УЗДН-2Т («НПП Академпри-бор», Россия) (35 кГц, 300 Вт, 10 мкА, 30 мин).
Исследования проводили на 75 белых крысах-самцах линии Wistar массой 150-180 г в стандартных условиях вивария (экспериментально-биологическая клиника, Оренбургский государственный университет). Рацион животных (ГОСТ Р 50258-92) соответствовал правилам лабораторной практики при проведении доклинических исследований в Российской Федерации (ГОСТ 3 51000.3-96 и 51000.4-96). Эксперименты выполняли в соответствии с протоколами Женевской конвенции и принципами надлежащей лабораторной практики (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 53434-2009), а также согласно рекомендациям «The Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (National Academy Press Washington, D.C. 1996)». После подготовительного периода (1 мес) животных разделили на пять групп (в каждой n = 15). Однократно внутрибрюшинно животным в I и II группах вводили Mo НЧ в дозах соответственно 1 и 25 мг/кг живой массы, в III и IV группах — MoO3 НЧ в дозах соответственно 1,2 и 29 мг/кг. Контрольным животным вводили физиологический раствор.
Биоматериал для исследования получали после декапитации крыс под нембуталовым наркозом (5 особей в каждом варианте опыта и в контроле через 1, 7 и 14 сут после введения нанопрепаратов). Кровь для определения морфологических показателей отбирали в вакуумные пробирки с добавлением антикоагулянта, для биохимических показателей — в вакуумные пробирки с активатором свертывания (тромбин). Морфологический
состав крови и количество гемоглобина определяли на автоматическом гематологическом анализаторе URIT-2900 Vet Plus («URIT Medical Electronic Group Co., Ltd», Китай). Биохимический анализ сыворотки крови выполняли на автоматическом анализаторе CS-T240 («DIRUI Industrial Co., Ltd», Китай) с коммерческими наборами для ветеринарии (ДиаВетТест, ЗАО «ДИАКОН-ДС», Россия; «Randox Laboratories Ltd», Великобритания). Содержание химических элементов в исследуемых образцах определяли на масс-спектрометре Elan 9000 и атомно-эмиссионном спектрометре Optima 2000V («Perkin Elmer», США). Для озоления использовали микроволновую систему разложения Multiwave 3000 («Anton Paar», Австрия).
При изучении микроструктуры печени образцы фиксировали в 10 % нейтральном формалине и заливали в парафиновую смесь HISTOMIX® (ООО «БиоВитрум», Россия). Гистологические срезы толщиной 5-6 мкм готовили на полуавтоматическом микротоме (МЗП 01, «Техном», Россия), окрашивали гематоксилином Майера и эозином и просматривали под световым микроскопом MT 5300L («Meiji Techno Co., Ltd», Япония, x400).
Данные представлены как среднее (M) и стандартная ошибка среднего (m). Статистический анализ выполняли с использованием методик ANOVA (программный пакет Statistica 10.0, «StatSoft Inc.», США) и Microsoft Excel. Достоверность различий сравниваемых показателей определяли по t-критерию Стьюдента. Достоверными считали значения при Р < 0,05.
Результаты. При введении наночастиц молибдена и его оксида уже на 1-е сут эксперимента отмечали достоверные морфологические изменения крови (табл. 1). Так, содержание лейкоцитов во II и IV группах снижалось на 11,3 % (Р < 0,05) и 58,5 % (Р < 0,01).
1. Динамика морфологических показателей крови у крыс линии Wistar после внутрибрюшинного введения наночасти (НЧ) Мо и MoO3 в разных дозировках (M±m, n = 75)
Показатель Контроль Мо НЧ МоО3 НЧ
I группа 1 II группа III группа 1 IV группа
Лейкоциты, х109/л Эритроциты, *1012/л Гемоглобин, г/л Тромбоциты, х 109/л Лимфоциты, х109/л Моноциты, х 109/л Гранулоциты, х109/л
Лейкоциты, х109/л Эритроциты, х1012/л Гемоглобин, г/л Тромбоциты, х 109/л Лимфоциты, х109/л Моноциты, х 109/л Гранулоциты, 109/л
8,80±0,180 8,59±0,120 172,5±1,50 170,50±9,500 4,10±0,010 2,20±0,090 2,50±0,090
7,10±0,120 8,12±0,430 165,0±10,20 159,5±3,50 3,80±0,01 2,10±0,210 2,50±0,090
В 1-е сут 8,85±0,095 8,90±0,155 189,5±5,50 176,00± 12,000 3,75±0,015 1,85±0,050* 3,25±0,015*
7,90±0,080 8,65±0,155 162,5±4,50 250,00±5,130* 4,35±0,015 1,55±0,035* 2,00±0,050
H а 7-е сут 6,50±0,160 7,85±0,195
7,60±0,360 156,0±6,00 162,0±8,00 3,50±0,07 2,35±0,150 1,65±0,035
7,43±0,110 143,0±3,00 182,5±2,50* 3,70±0,09 2,65±0,300 2,50±0,070
7,25±0,550 9,50±0,380 184,0±6,00 188,50±6,500 2,90±0,030 1,45±0,035*' 2,90±0,090*
6,60±0,110 6,62±0,230 126,0±5,0 183,0±8,00 2,90±0,01* 1,95±0,020 2,75±0,085
6,55±0,150 8,52±0,165 133,5±1,50 184,50±6,500 2,30±0,090 1,20±0,070** 2,05±0,055
7,95±0,450 7,55±0,050 145,0±8,0 179,5±7,50 3,40±0,07 1,40±0,060* 3,15±0,015*
Лейкоциты, х109/л Эритроциты, х1012/л Гемоглобин, г/л Тромбоциты, х 109/л Лимфоциты, х109/л Моноциты, х 109/л Гранулоциты, х109/л
8,15±0,350 8,78±0,430 166,5±9,50 188,5±7,50 4,50±0,012 2,55±0,015 2,10±0,020
H а 14-е сут 8,95±0,150 8,75±0,150
8,62±0,165 6,86±0,105 157,5±5,50 122,5±5,50 154,5±3,50 352,0±6,00** 3,05±0,015 2,20±0,020 2,05±0,015 2,10±0,012 3,85±0,025 4,45±0,035 Примечание. I и II группы — дозы соответственно 1 и 25 мг/кг живой массы, III и IV группы — 1,2 и 29 мг/кг.
*, ** Различия с контролем статистически значимы соответственно при Р < 0,05 и Р < 0,01.
6,26±0,043 5,91±0,139 108,8±5,25 149,88±5,13 2,10±0,099 2,42±0,038 4,74±0,066
7,95±0,250 6,76±0,160 128,0±8,00 311,5±9,50** 2,75±0,035 1,65±0,015* 3,55±0,045
Особенностью действия содержащих молибден наночастиц оказалось уменьшение числа моноцитов в 1-е сут на 18,9 (Р < 0,05); 41,9 (Р < 0,01); 51,7 (Р < 0,05) и 83,3 % (Р < 0,001) соответственно в I, II, III и IV груп-
пах. Через 7 сут эта разница составила 55,6 (Р < 0,05); 27,3 (Р < 0,05); 7,7 и 50,0 % (Р < 0,05). К завершению эксперимента достоверные различия сохранились только между контрольной и IV группами (54,5 %, Р < 0,05). Обнаруженные нами эффекты наночастиц в отношении моноцитов кардинально отличались от описанных для наночастиц полистирола (16) и наноформ меди и железа (17). Аналогичная динамика была характерна для лимфоцитов, число которых в крови животных из IV группы снизилось в 1-е сут на 78,6 % (Р < 0,001), на 14-е — на 63,6 % (Р < 0,001). В остальных группах достоверное снижение содержания лимфоцитов происходило только на 14-е сут. О сходной динамике числа лимфоцитов у человека при ингаляционном поступлении оксида молибдена сообщалось ранее (18).
На 7-е и 14-е сут после введения наночастиц у крыс проявлялись признаки молибденовой интоксикации (снижение содержания эритроцитов и гемоглобина), сильнее выраженной для М0О3 НЧ, что обусловлено более высокой токсичностью оксида по сравнению с металлом (19).
В группах, получавших наибольшие дозировки наночастиц молибдена и его оксида, к 14-м сут число тромбоцитов увеличивалось, что приводило к сладжированности крови, повышению вязкости и затруднению перфузии через микрососуды. Сходные проявления описаны ранее для молибденсодержащих наночастиц (20, 21).
2. Динамика биохимических показателей крови у крыс линии Wistar после вну-трибрюшинного введения наночасти (НЧ) Мо и MoOз в разных дозировках
(М±т, п = 75)
Показатель Контроль Мо НЧ МоО3 НЧ
I группа | II группа III группа | IV группа
АлАТ, Е/л АсАТ, Е/л ЛДГ, Е/л ГГТ, Е/л
Каталаза, мкмоль Н2О2 • л"1 • мин1 СОД, %
Креатинин, мкмоль/л Билирубин, мкмоль/л Мочевина, ммоль/л Креатинкиназа, Е/л
АлАТ, Е/л АсАТ, Е/л ЛДГ, Е/л ГГТ, Е/л
Каталаза, мкмоль Н2О2 • л"1 • мин"1 СОД, %
Креатинин, мкмоль/л Билирубин, мкмоль/л Мочевина, ммоль/л Креатинкиназа, Е/л
АлАТ, Е/л АсАТ, Е/л ЛДГ, Е/л ГГТ, Е/л
Каталаза, мкмоль Н2О2 • л"1 • мин"1 СОД, %
Креатинин, мкмоль/л Билирубин, мкмоль/л Мочевина, ммоль/л Креатинкиназа, Е/л
59,75±5,890 140,50±2,200 279,00±12,200 1,40±0,014
2668±104 110,0±5,12 48,50±1,200 5,31±0,025 5,35±0,051 2948±220
67,25±3,450 148,35±7,450 305,50±9,500 1,50±0,050
2413±131 136,8±16,20 47,75±0,650 5,96±0,042 5,70±0,012 2726±110
65,80±4,900 142,05± 11,150 243,00±12,000 1,50±0,050
В 1-е сут 97,00±7,000 434,80± 16,500* 232,00± 15,700 7,00±0,030*
70,65±3,750 452,95±14,950* 272,50±10,150 1,00±0,010
10983±418 130,0±8,01 42,45±1,450 5,13±0,031 4,25±0,053 3556±134
Н а 7-е сут
6550± 148* 128,0±7,81 49,95±2,850 5,25±0,018 6,30±0,050 5227±107
128,85±17,350 567,60±19,100 374,50±9,500 1,50±0,050
147,60±6,800 664,95± 11,950 309,00± 11,000 5,00±0,025
3792±147 666,2±6,80** 58,20± 1,100 5,86±0,028 4,15±0,050 5429±298
Н а 14-е сут
7486±248 470,4±14,90 32,15±1,250 5,49±0,067 5,00±0,100 4394± 115
182,50±8,900 459,70±28,800 236,00±14,000 12,50±0,500
242,25±9,750 629,25±37,850* 294,50±8,500 8,50±0,120
80,12±2,720 376,50±16,600 250,00±13,000 15,00±0,120*
8225±295 140,0±2,13* 44,95±0,850 25,80±0,640** 4,40±0,070 2693±114
111,50±4,800 531,20±25,700 305,00±14,000 2,00±0,100
8865±212 367,0±12,00 44,20±3,500 8,05±0,040 5,80±0,150 4278±283
142,00±8,300 147,00±4,280 177,88±5,120 1,58±0,042
44,35±1,550* 218,00± 17,120 324,50±14,500 3,00±0,150
5664±231 140,0±3,11* 75,60±1,700** 19,70±0,920* 7,00±0,080** 2902±172
132,20±3,100 699,25±13,550 433,00±15,800 4,50±0,050
22029±931** 396,8±3,00* 42,65±3,150 6,90±0,097 5,55±0,170 4178±148
128,60±7,600 367,55±15,850* 291,50±8,500* 5,50±0,050
2532± 151 4122± 195 6846±285
130,2±8,84 146,5±12,93 108,1±5,82
42,60±0,140 48,30±0,240 51,40±0,200* 5,64±0,425 5,25±0,545 12,02±0,615
5,60±0,016 5,50±0,030 6,00±0,017 2670±68 4090± 175 3148±103
Примечание. I и II группы — дозы соответственно 1 и 25 мг/кг, III и IV группы — 1,2 и 29 мг/кг живой массы. АлАТ, АсАТ, ЛДГ, ГГТ, СОД — аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза, лак-татдегидрогеназа, у-глутамилтрансфераза, супероксиддисмутаза.
*, ** Различия с контролем статистически значимы соответственно при Р < 0,05 и Р < 0,01.
8764±256* 94,0±5,05 46,07±0,535 2,40±0,171 4,21±0,099 3225±118
20021±725* 166,3±2,09* 77,75±0,650** 4,58±0,125 10,60±0,080* 3971±163
Таким образом, признаки анемии, лейкопении, сладж-феномен, местные воспалительные реакции отражают наступление капиллярно-трофической недостаточности при применении М0О3 НЧ. Поскольку использованные дозы наночастиц молибдена и его оксида сопоставимы, можно сделать вывод, что первые менее токсичны.
Рост активности аланинаминотрансферазы (АлАТ) и аспартатами-нотрансферазы (АсАТ) у животных свидетельствовал о наличии цитолиза, причем со временем этот процесс усугублялся (табл. 2). Так, по АлАТ и количеству общего билирубина при разнице с контролем в 1-е сут в пределах 18,2-62,0 % на 7-е сут она составила до 119,0 %, на 14-е сут — 272,0 %. В случае АсАТ различия оказались еще заметнее — 222,0-352,0 %; в случае билирубина достоверное увеличение (в 4,8 раза) отмечали уже в 1-е сут для МоО3 НЧ. При максимальной дозировке МоО3 НЧ (29 мг/кг) в 1-е сут регистрировали достоверное (Р < 0,05) снижение активности АлАТ. Это может быть косвенным признаком нарушения клубочковой фильтрации, что подтверждают высокие показатели по креатинину (разница с контролем в 14,3 раза, Р < 0,01) и мочевине (выше на 30,8 %, Р < 0,01).
Мы не обнаружили повышения активности сывороточной у-глут-амилтрансферазы (ГГТ) и лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Показатели, близкие к верхним границам нормы, были зафиксированы в 1-е сут для минимальных дозировок Мо НЧ и М0О3 НЧ, а также на 7-е и 14-е сут при максимальных дозах обеих наночастиц. Такая динамика активности ГГТ и ЛДГ может свидетельствовать о разрушении мембран незначительной популяции клеток и слабой индукции микросомального окисления под влиянием на-ночастиц металлов переменной валентности (22). В то же время с увеличением сроков воздействия до 14 сут при минимальной дозе Мо НЧ активность ГГТ повышалась 5-кратно, что может оцениваться как признак окислительного стресса, который способны индуцировать Мо НЧ. Ранее подобное описано на фибробластах мышей (линия L929) при генерации активных форм кислорода на фоне снижения количества глутатиона и активности ка-талазы (23). Активность ЛДГ возрастала только при высоких дозах агента (преимущественно МоО3 НЧ), которые можно отнести к умеренно токсичным по сравнению с другими металлами переменной валентности (24).
На проявление окислительного стресса указывала и динамика активности каталазы (КТ) и супероксиддисмутазы (СОД). Пики показателей для КТ регистрировали при высокой дозе МоО3 НЧ (29 мг/кг) на 7-е и 14-е сут при разнице с контролем соответственно в 9,0 раза (Р < 0,01) и в 7,9 раза (Р < 0,05). Минимальные дозировки в 1-е сут вызывали всплеск активности КТ (разница с контролем в 4,1 раза), к 7-м сут показатели снижались до 1,5-кратной разницы, а к 14-м сут возрастали, но не достигали исходного уровня. По-видимому, в ответ на усиление перекисного окисления липидов и накопления пероксида водорода и других продуктов окислительного стресса активизируется каталаза, которая их метаболизирует и предотвращает накопление в клетках. Однако некоторые авторы считают, что Мо НЧ нетоксичны и способны выступать в качестве антиоксидантов, например проявляя протективный эффект при контакте с перекисными соединениям (Н2О2) и ZnO-NPS, что показано для линий клеток аденокарцино-мы молочной железы человека (MCF-7) и фибросаркомы (НТ-1080). Установлено, что Мо НЧ значительно повышали количество глутатиона в линии MCF-7 (в 1,6 раза) и НТ-1080 (в 1,3 раза), что сравнимо с эффектом анти-оксидантного препарата ^ацетил-цистеина ^АС) (25).
В печени тоже проявились как минимальные микроструктурные из-
менения (зернистая дистрофия, гипертрофия гепатоцитов и гиперхромия их ядер) в случае низких доз Мо НЧ и М0О3 НЧ, так и значительные патологические сдвиги (обширные участки гепатоза и очаги некроза) при высоких дозах М0О3 НЧ.
Одним из факторов воздействия наночастиц молибдена на животных могли стать антагонистические взаимодействия молибдена с другими микроэлементами (26). Анализ состава печени, мышечных тканей и головного мозга животных на содержание 25 химических элементов выявил достоверные изменения по трем — Мо, Fe и Са. Так, в печени в I и II группах по Fe отмечали снижение показателя соответственно на 31,1 (Р < 0,01) и 38,9 % (Р < 0,001) в 1-е сут и на 24,0 (Р < 0,01) и 76,1 % (Р < 0,001) — на 7-е сут. Для тканей головного мозга разница составила 48,3 (Р < 0,001), 90,1 (Р < 0,001) и 21,1 (Р < 0,01), 41,5 % (Р < 0,001). Использование Мо03 НЧ сопровождалось сходными изменениями. По Са наблюдали достоверный рост накопления в печени только в 1-е сут — на 17,1 % (Р < 0,05) в I группе и на 26,3 % (Р < 0,01) во II группе. Анализ содержания Мо показал такую же динамику (рис.). Пик значений приходился на 1-е сут и прямо зависел от дозы введения Мо с манифестной разницей (136,9 %) для печени. За следующие 7 сут количество Мо в печени снижалось у животных из II группы на 41,55 %, I — на 4,41 % относительно показателя в 1-е сут.
В головном мозге накопление при дозе 1 мг/кг было сопоставимо с таковым у интактных животных. Увеличение дозы до 25 мг/кг приводит к росту содержания Мо на 83,3 % в 1-е сут и его уменьшению на 7-е сут до значений ниже контрольных.
Полученные результаты в целом закономерны. Известно, что молибден — один из эссенциаль-ных микроэлементов и его недостаток сопровождается развитием ряда патологий у человека и животных (27). Между тем в литературе описано и токсическое действие молибдена на организм, тесная связь гиперэлементоза по молибдену и развитием астмы (28), развитием альвеолярных и бронхиальных аденом и карцином (29) и пр.
Таким образом, введение наночастиц Мо крысам сопровождается капиллярно-трофической недостаточностью, признаками окислительного стресса (с более явным проявлением в случае наночастиц оксида молибдена). Учитывая сопоставимые дозы агентов, можно считать наночастицы молибдена менее токсичными, чем наноформы его оксида.
Динамика накопления молибдена в органах крыс линии Wistaг после однократного введения нано-частиц Мо в разных дозировках: а — контроль, б — 1 мг/кг, в — 25 мг/кг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chen Y.X., Wu C.W., Kuo T.Y., Chang Y.L., Jen M.H., Chen I.W. Large-scale production of large-size atomically thin semiconducting molybdenum dichalcogenide sheets in water and its application for supercapacitor. Sci. Rep., 2016, 26(6): 26660 (doi: 10.1038/srep26660).
2. Naylor C.H., Kybert N.J., Schneier C., Xi J., Romero G., Saven J.G., Liu R., Johnson A.T. Scalable production of molybdenum disulfide based biosensors. ACS Nano, 2016, 10(6): 6173-6179 (doi: 10.1021/acsnano.6b02137).
3. Tadi K.K., Palve A.M., Pal S., Sudeep P.M., Narayanan T.N. Single step, bulk synthesis of engineered MoS2 quantum dots for multifunctional electrocatalysis. Nanotechnolo-gy, 2016, 27(27): 275402 (doi: 10.1088/0957-4484/27/27/275402).
4. Паренаго О.П., Бакунин В.Н., Кузьмина Г.Н., Суслов А.Л., Веденее-
в а Л.М. Наночастицы сульфидов молибдена — новый класс добавок к углеводородным смазочным материалам. ДАН, 2002, 383(1): 84-86.
5. Liu Q., Sun C., He Q., Liu D., Khalil A., Xiang T., Wu Z., Wang J., Song L. Ultrathin carbon layer coated M0O2 nanoparticles for high-performance near-infrared photothermal cancer therapy. Chem. Commun. (Camb.), 2015, 51(49): 10054-10057 (doi: 10.1039/c5cc02016f).
6. Fakhri A., Nejad P.A. Antimicrobial, antioxidant and cytotoxic effect of Molybdenum triox-ide nanoparticles and application of this for degradation of ketamine under different light illumination. J. Photochem. Photobiol. B, 2016, 159: 211-217 (doi: 10.1016/j.jphotobiol.2016.04.002).
7. Zhang W., Shi S., Wang Y., Yu S., Zhu W., Zhang X., Zhang D., Yang B., Wang X., Wang J. Versatile molybdenum disulfide based antibacterial composites for in vitro enhanced sterilization and in vivo focal infection therapy. Nanoscale, 2016, 8(22): 1164211648 (doi: 10.1039/c6nr01243d).
8. Qureshi N., Chaudhari R., Mane P., Shinde M., Jadakar S., Rane S., Kale B., Bhalerao A., Amalnerkar D. Nanoscale Mo-MoO3 entrapped in engineering thermoplastic: inorganic pathway to bactericidal and fungicidal action. IEEE Transactions on NanoBioscience, 2016, 15(3): 258-264 (doi: 10.1109/TNB.2016.2535285).
9. Sam J.S., Yuvakkumar R., Suriya P.R., Karunakaran G., Rajendran V., Hong S.I. Facile and novel synthetic method to prepare nano molybdenum and its catalytic activity. IET Nanobiotechnology, 2015, 9(4): 201-208 (doi: 10.1049/iet-nbt.2014.0015).
10. Mendel R.R., Bittner F. Cell biology of molybdenum. BBA, 2006, 1763: 621-635 (doi: 10.1016/j.bbamcr.2006.03.013).
11. McBride M.B., Richards B.K., Steenhuis T., Spiers G. Molybdenum uptake by forage crops grown on sewage sludge-amended soils in the field and greenhouse. J. Environ. Qual., 2000, 29: 848-854.
12. H e Z.L.L., Y a n g X.E., S t o ffe l l a P.J. Trace elements in agroecosystems and impacts on the environment. J. Trace Elem. Med. Bio., 2005, 19: 125-140 (doi: 10.1016/j.jtemb.2005.02.010).
13. Van Gestel C.A.M., Borgman E., Verweij R.A., Diez-Ortiz M. The influence of soil properties on the toxicity of molybdenum to three species of soil invertebrates. Ecotox. Environ. Safe., 2011, 74: 1-9 (doi: 10.1016/j.ecoenv.2010.10.001).
14. Lebedev S., Yausheva E., Galaktionova L., Sizova E. Impact of molybdenum nanoparticles on survival, activity of enzymes, and chemical elements in Eisenia fetida using test on artificial substrata. Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 2016, 23(18): 18099-18110.
15. Kosyan D., Rusakova E., Sizova E., Miroshnikov S., Skalniy A. Impact of nanoparticles of heavy metals and their oxides on Stylonychia mytilus. Ecology, Environment and Conservation, 2015, 21: 113-119.
16. Fern a ndez-Urrusuno R., Fattal E., Rodrigues J.M., F e ger J., Bedossa P., Couvreur P. Effect of polymeric nanoparticle administration on the clearance activity of the mononuclear phagocyte system in mice. J. Biomed. Mater. Res., 1996, 31(3): 401-408.
17. Яушева Е.В., Мирошников С.А., Кван О.В. Оценка влияния наночастиц металлов на морфологические показатели периферической крови животных. Вестник Оренбургского государственного университета, 2013, 12(161): 203-207.
18. Ott H.C., Prior C., Herold M., Riha M., Laufer G., Ott G. Respiratory symptoms and bronchoalveolar lavage abnormalities in molybdenum exposed workers. Wien Klin Wochenschr., 2004, 116(1): 25-30.
19. Хантурина Г.Р., Ибраева Л.К., Лебедева Е.А. Биохимический анализ крови крыс при хроническом отравлении солями молибдена и хрома. Успехи современного естествознания, 2012, 12: 11-13.
20. Остроушко А.А., Данилова И.Г., Медведева С.Ю., Гетте И.Ф., Тон-кушина М.О. Изучение безопасности молибденовых нанокластерных полиоксометал-латов, предназначенных для адресной доставки лекарственных веществ. Уральский медицинский журнал, 2010, 9(74): 114-117.
21. Остроушко А.А., Гетте И.Ф., Данилова И.Г., Медведева С.Ю., Тон-куш и н а М.О., Прокофьева А.В. Исследование хронической токсичности молибденовых и железо-молибденовых нанокластерных полиоксометаллатов. Уральский медицинский журнал, 2011, 11(89): 75-79.
22. Asadi F., Mohseni M., Dadashi Noshahr K., Soleymani F.H., Jalilvand A., H e i d a r i A. Effect of Molybdenum nanoparticles on blood cells, liver enzymes, and sexual hormones in male rats. Biol. Trace Elem. Res., 2016: 1-7 (doi: 10.1007/s12011-016-0765-5).
23. Siddiqui M.A., Saquib Q., Ahamed M., Farshori N.N., Ahmad J., Wahab R., Khan S.T., Alhadlaq H.A., Musarrat J., Al-Khedhairy A.A., Pant A.B. Molybdenum nanoparticles-induced cytotoxicity, oxidative stress, G2/M arrest, and DNA damage in mouse skin fibroblast cells (L929). Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2015, 1(125): 7381 (doi: 10.1016/j.colsurfb.2014.11.014).
24. Hussain S.M., Hess K.L., Gearhart J.M., Geiss K.T., Schlager J.J. In vitro toxicity of nanoparticles in BRL 3A rat liver cells. Toxicol. in Vitro, 2005, 19(7): 975-983 (doi: 10.1016/j.tiv.2005.06.034).
25. Akhtar M.J., Ahamed M., Alhadlaq H.A., Alshamsan A., Khan M.A., Al-
rokayan S.A. Antioxidative and cytoprotective response elicited by molybdenum nanoparticles in human cells. J. Colloid Interf. Sci., 2015, 457: 370-377 (doi: 10.1016/j.jcis.2015.07.034).
26. Zhou S., Zhang C., Xiao Q., Zhuang Y., Gu X., Yang F., Xing C., Hu G., C a o H. Effects of different levels of molybdenum on rumen microbiota and trace elements changes in tissues from goats. Biol. Trace Elem. Res., 2016, 174(1): 1-8 (doi: 10.1007/s12011-016-0706-3).
27. B o u r k e C.A. Molybdenum deficiency produces motor nervous effects that are consistent with amyotrophic lateral sclerosis. Front. Neurol., 2016, 7: 28 (doi: 10.3389/fneur.2016.00028).
28. Huang X., Xie J., Cui X., Zhou Y., Wu X., Lu W., Shen Y., Yuan J., Chen W. Association between concentrations of metals in urine and adult asthma: a case-control study in Wuhan, China. PLoS ONE, 2016, 11(5): e0155818 (doi: 10.1371/journal.pone.0155818).
29. Chan P.C., Herbert R.A., Roycroft J.H., Haseman J.K., Grumbein S.L., Miller R.Al. Lung tumor induction by inhalation exposure to molybdenum trioxide in rats and mice. Toxicol. Sci., 1998, 45(1): 58-65.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ мясного скотоводства, Потупила в редакцию
460000 Россия, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29, 11 июля 2016 года
e-mail: [email protected], [email protected];
2ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, 460018 Россия, г. Оренбург, просп. Победы, 13; 3ФГБНУ Всероссийский НИИ коневодства, 391105 Россия, Рязанская обл., Рыбновский р-н, пос. Дивово
Sel'skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology], 2016, V. 51, № 6, pp. 929-936
MORPHOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PARAMETERS IN Wistar RATS INFLUENCED BY MOLYBDENUM AND ITS OXIDE NANOPARTICLES
Е.А. Sizova1, 2, S.A. Miroshnikov1, V. V. Kalashnikov3
1All-Russian Research Institute of Beef Cattle Breeding, Federal Agency of Scientific Organizations, 29, ul. 9 Yan-varya, Orenburg, 460000 Russia, e-mail [email protected], [email protected]; 2Orenburg State University, 13, prosp. Pobedy, Orenburg, 460018 Russia;
3All-Russian Research Institute of Horse Breeding, Federal Agency of Scientific Organizations, pos. Divovo, Rybnovskii Region, Ryazan Province, 391105 Russia (ORCID: Sizova Е.А. orcid.org/0000-0002-5125-5981) Acknowledgements:
Studies were performed using standard techniques in the Laboratory of Agroecology of Nanomaterials and Test Center of All-Russian Research Institute of Beef Cattle Breeding (accreditation certificate RA. RU.21PF59 from 12/02/15). Analysis of chemical elements was performed in the laboratory of ANO Center for Biotic Medicine, Moscow (accreditation certificate GSEN. RU.TSAO. 311, registration number in the State Register ROSS RU. 0001.513118) Supported by Russian Scie^e Foundation (project № 14-36-00023)
Received July 11, 2016 doi: 10.15389/agrobiology.2016.6.929eng
Abstract
Despite widespread use of nanoparticles in industry and medicine, there is very little information about how the newly developed nanomaterials interact with biological objects. Certain properties of the Mo-containing nanoparticles (NPs) suggest their possible toxic effect on warmblooded animals. In this paper we compared the effect of Mo NPs (at 1 and 25 mg/kg) and its oxide MoO3 NPs (at 1.2 and 29 mg/kg), when administrated parenterally, on metabolic parameters and the exchange of chemical elements in Wistar laboratory rats. There, we assessed the red and white blood cell counts, the hemoglobin level, the activity of catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) (for oxidative status), the ALT, AST, LDH, GGT, creatine kinase activity, blood creatinine, bilirubin and urea concentrations (for metabolic status) at days 1, 7 and 14. A day after Mo NPs and MoO3 NPs administration the number of blood leukocyte lowered by 11.3 % (Р < 0.05) and 58.5 % (Р < 0.01), respectively. Also, a decrease in monocyte number by 18.9 (Р < 0.05), 41.9 (Р < 0.01), 51.7 (Р < 0.05) and 83.3 % (Р < 0.001) as depending on NPs chemical composition and doses was characteristic, though on day 14 a significant difference to control (54.5 %, Р < 0.05) was found only for MoO3 NPs at a dose of 29 mg/kg. The number of thrombocytes was the highest on day 14 for the maximum dosage of both NPs leading to hindered blood microcirculation. The experiments also showed an increase in serum aminotransferases, GGT and LDH activity. In sum, we observed manifestations of oxidative stress, anemia and capillary-trophic insufficiency in the animals administrated with high doses of molybdenum and Mo oxide NPs. These signs were progressing and the most apparent for molybdenum oxide NPs. Given the comparable doses used, the molybdenum nanoparticles exhibit lower toxicity as compared to its oxide.
Keywords: catalase, superoxide dismutase, glutamyl transferase, lactate dehydrogenase, aminotransferase, nanoparticles of molybdenum, nanoparticles of molybdenum trioxide.
