Влияние углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит» на поведенческие реакции лабораторных мышей Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

УДК 57.044 + 612.0

DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-2-274-278

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА (УНМ) «ТАУНИТ» НА ПОВЕДЕНЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ЛАБОРАТОРНЫХ МЫШЕЙ

© Е.Б. Горшенёва, З.С. Топчиева

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33 E-mail: [email protected]

Представлены результаты исследования влияний углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит» на поведенческие реакции лабораторных мышей. Было выявлено, что при пероральном введении УНМ «Таунит» в дозировке 450 мг/кг в течение 14 суток у лабораторных животных наблюдается интенсификация процессов возбуждения в ЦНС, что проявляется в виде увеличения спонтанной двигательной активности, количества локомоций и снижением порога эмоциональных реакций. Изменение поведенческих реакций сочеталось с морфофункциональ-ными изменениями, что проявлялось в виде венозного полнокровия головного мозга, гипофиза и мозжечка. Ключевые слова: углеродные наноматериалы; спонтанная двигательная активность; поведенческая активность; порог эмоциональных реакций

Развитие нанотехнологий и создание наноматериа-лов, являясь важнейшим направлением научно-технического прогресса будущего, в то же время ставит вопрос их взаимодействия с живым организмом. В течение последних десятилетий создано более 2000 разновидностей наноматериалов, в связи с чем возросла возможность воздействия наночастиц на животных, человека и окружающую среду [1-2]. Такие антропогенные источники, как металлургическая, цементная промышленность; сгорание каменного угля, полимерных соединений, нефти, газа, дизельного топлива и другие процессы значительно увеличили содержание наночастиц в окружающей среде [3].

Общепризнано, что изменения физических свойств вещества при переходе в форму наночастиц закономерно сопровождаются изменениями его биологических эффектов. В частности, показана способность наночастиц проникать через легкие в другие системы и проходить кожные барьеры; наличие у них т. н. «воспалительного потенциала» [4]. Небольшие размеры и разнообразие их форм способствуют связыванию с нуклеиновыми кислотами и белками, встраиванию в мембраны клеток, изменению функции биоструктур [5-6]. Наличие у многих наноматериалов гидрофобных свойств и электрического заряда усиливает как процессы адсорбции на них различных веществ, так и способность проникать через барьеры организма. Важным свойством наночастиц является повышенная способность к аккумуляции, поскольку вследствие малых размеров эти вещества могут не распознаваться защитными системами организма и, следовательно, не подвергаться биотрансформации [7].

Перечисленное свидетельствует о высокой актуальности изучения влияния наноматериалов, в т. ч. углеродных, на животный организм с оценкой состояния различных органов и систем.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом данного исследования является углеродный наноматериал «Таунит» (УНМ «Таунит», многостенные углеродые нанотрубки), производимый в промышленных масштабах ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов). Материал представляет собой одномерные, нано-масштабные, нитевидные образования поликристаллического графита, цилиндрической формы с внутренним каналом, в виде сыпучего порошка черного цвета. Гид-рофобен, химически инертен. Гранулы УНМ микрометрических размеров, имеют структуру спутанных пучков многостенных трубок.

УНМ «Таунит» является перспективным материалом для авиационной, атомной и космической промышленности, медицины, фармацевтики, для производства суперкомпьютеров, видеотехники, плоских экранов, мониторов, фильтров широкого назначения. Гранулы УНМ «Таунита» могут служить носителями катализаторов или лекарственных препаратов, также в качестве адсорбентов, источников холодной эмиссии электронов [8].

Для оценки влияния УНМ «Таунит» на поведенческие реакции лабораторных мышей было сформировано две группы: экспериментальная (п = 15) и контрольная (п = 15). Возраст животных составлял 25-35 дней, среднегрупповое значение массы тела 20,99 ± 0,63 г. Продолжительность эксперимента - 45 суток. На протяжении всего эксперимента мыши содержались в стандартных условиях (ГОСТ Р. 53434-2009 Принципы надлежащей лабораторной практики. М.: Стандартин-форм, 2010). Карантин составлял 10-14 суток.

У подопытных мышей воду для поения заменяли коллоидным раствором УНМ «Таунит». Концентрация раствора составляла 0,3 % по массе в питьевой воде, что соответствует 450 мг/кг массы животного, исходя

Рис. 1. Масса тела мышей экспериментальной и контрольной групп. * - различия достоверны (р < 0,05) по сравнению с соответствующим показателем в контрольной группе

из предварительных экспериментов на других тест-объектах и литературных данных о подобных опытах [9-10]. Оценивались общее состояние, поведенческие реакции, морфологические характеристики.

Влияние наноматериала на поведенческие реакции мышей оценивали по спонтанной двигательной активности, которая определялась на актометре «"^о ЬаэДе» (Италия), порогу эмоциональных реакций [11], а также в тесте «открытое поле» в течение 3 минут. Тест «открытое поле» является самым распространенным при изучении влияния препаратов на центральную нервную систему и заключается в исследовании двигательного компонента, ориентировочной реакции и эмоциональной реактивности животных [12]. Самок помещали на площадку размерами 30x30 см, на которой проведенные линии образовывали 36 квадратов.

Регистрировали следующие показатели:

- горизонтальные перемещения животных (пересечение квадратов; 1 усл. ед. - 1 пересеченный квадрат в «открытом поле»);

- вертикальная активность (число вертикальных, пристеночных и свободных стоек; 1 усл. ед. - 1 стойка на площадке «открытого поля»);

- груминг (косметическое ухаживание за своим телом) - продолжительность касаний морды лапами -двигательная, эмоциональная и вегетативная составляющие поведения;

- исследовательское поведение - посещение норок (число заглядываний в отверстия во внутреннем квадрате; 1 заглядывание - 1 усл. ед.);

- вегетативное состояние животных: дефекации (количество болюсов).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование показало, что суточное потребление сухого корма и воды подопытными животными при поступлении в организм УНМ «Таунит» (450 мг/кг) не отличалось от показателей контрольной группы (р > 0,05). Однако при оценке массы тела мышей на момент окончания эксперимента были выявлены достоверные отличия (рис. 1).

Таким образом, среднегрупповые значения массы тела лабораторных животных на момент окончания эксперимента имели межгрупповые отличия: в экспериментальной группе они составили 26,73 ± 1,16 г, а в контрольной группе были ниже - 23,99 ± 0,63 г. (р < 0,05). Полученные данные могут свидетельствовать о возможном влиянии УНМ на интенсивность метаболических процессов как на уровне целостного организма, так и отдельных структур ЦНС, как показали дальнейшие исследования.

Изучение функционального состояния нервной системы подопытных животных оценивалось по поведенческим реакциям, а именно: спонтанной двигательной активности, отражающей уровень тревожного состояния; порогу эмоциональных реакций, который характеризует соотношение процессов возбуждения и торможения в нервной системе, а также тесту «открытое поле», раскрывающему двигательную, ориентировочную и эмоциональную составляющие поведения.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что поступление УНМ «Таунит» в течение 2 недель в организм мышей приводит к повышению спонтанной двигательной активности, что проявляется в увеличении количества локомоций в экспериментальной группе самок на 32,6 % (р < 0,01) по сравнению с животными контрольной группы (табл. 1).

Однако выявленные изменения к концу эксперимента (45 сутки) изменили свою направленность в сторону снижения количества локомоций и угнетению спонтанной двигательной активности по сравнению с показателями в опытной группе до начала эксперимента, чего не наблюдалось у контрольных животных.

В то же время отмечалось снижение порога эмоциональных реакций на 26,4 % (р < 0,05), что также свидетельствует о потенциировании процессов возбуждения в нервной системе подопытных мышей в результате поступления УНМ в течение 14 суток. Наблюдая динамику данного показателя, можно также отметить тенденцию к его увеличению к концу эксперимента, т. е. повышению порога эмоциональной реактивности и, как следствие, снижению возбудимости (табл. 2).

Таблица 1

Влияние поступления в организм мышей УНМ «Таунит» на спонтанную двигательную активность животных (М ± т)

Группа животных Количество локомоций, усл. ед.

до начала эксперимента через 14 суток через 45 суток

Экспериментальная (УНМ «Таунит» 450 мг/кг) (n = 15) 222,4 ± 11,0 298,1 ± 10,4* 204,7 ± 12,8**

Контрольная (n = 15) 206,7 ± 13,4 201,1 ± 9,6 212,5 ± 8,3

Примечание: * - различия достоверны (р < 0,01) по сравнению с соответствующим показателем в контрольной группе; ** - различия достоверны (р < 0,01) по сравнению с соответствующим показателем в экспериментальной группе до начала эксперимента.

Таблица 2

Влияние поступления в организм мышей УНМ «Таунит» на порог эмоциональных реакций (М ± т)

Группа животных Порог эмоциональных реакций, мАмпер

до начала эксперимента через 14 суток через 45 суток

Экспериментальная (УМН «Таунит» 450 мг/кг) (n = 15) 12,4 ± 0,8 8,9 ± 0,4* 13,7 ± 0,4

Контрольная (n = 15) 13,9 ± 0,9 12,1 ± 0,5 12,0 ± 0,9

Примечание: * - различия достоверны (р < 0,05) по сравнению с соответствующим показателем в контрольной группе.

Таблица 3

Влияние поступления в организм мышей УНМ «Таунит» на поведенческие показатели в тесте «открытое поле» через 45 суток от начала эксперимента (М ± т)

Поведенческий показатель Контрольная группа (п = 15) Экспериментальная группа (УНМ «Таунит» 450 мг/кг) (n = 15)

Пересеченные квадраты (горизонтальная активность), усл. ед. 36,5 ± 4,6 31,4 ± 4,7

Стойки (вертикальная активность), усл. ед. 7,7 ± 1,2 6,4 ± 0,6

Груминг, усл. ед. 5,1 ± 1,2 4,0 ± 0,8

Норки, усл. ед. 3,5 ± 0,9 2,4 ± 0,4

Общая двигательная активность, усл. ед. 53,0 ± 6,8 44,0 ± 6,4*

Дефекации, количество болюсов 0,9 ± 0,1 1,4 ± 0,3

Примечание: * - различия достоверны (р < 0,05) по сравнению с соответствующим показателем в контрольной группе.

Как известно, поведение животных в тесте «открытое поле» характеризует их двигательную ориентировочную активность, исследовательское поведение и эмоциональное состояние. Проведенные исследования через 45 суток от начала эксперимента показали отсутствие значимых отличий по большинству показателей теста, за исключением параметра общей двигательной активности, уровень которой был ниже у мышей экспериментальной группы (табл. 3).

Ориентировочно-исследовательское поведение мышей в тесте «открытое поле» по показателю «вертикальные стойки» раскрывает мотивационную составляющую. Установлено, что поступление в организм УНМ «Таунит» не влияет на вертикальную и горизонтальную двигательную активность, а соответственно, и на мотивацию животных.

Разновидностью ориентировочно-исследовательского поведения мышей является показатель норкового

рефлекса, который свидетельствует о способности животного исследовать «открытое поле», в частности, заглядывать в норки. Исследование показало, что потребление мышами УНМ «Таунит» не изменяет проявления норкового рефлекса относительно показателя контрольной группы животных.

Не выявлено достоверных различий и по количеству дефекаций, что отражает отсутствие существенных изменений эмоционального состояния и вегетативных функций подопытных животных.

Однако следует отметить, что, несмотря на отсутствие достоверных отличий, в целом параметры теста «открытое поле» в экспериментальной группе были несколько ниже, а уровень общей двигательной активности оказался меньше на 16 % (р < 0,05) у мышей, в организм которых поступал УНМ «Таунит», по сравнению с соответствующим показателем контрольной группы животных.

Проведенные гистологические исследования показали следующие изменения.

В экспериментальной группе: венозное полнокровие головного мозга (у 3 животных), мозжечка (у 2 животных), гипофиза (у 2 животных).

В контрольной группе изменений структур ЦНС не выявлено ни у одного животного.

Таким образом, при пероральном введении УНМ «Таунит» в дозировке 450 мг/кг в течение 14 суток у лабораторных животных наблюдается интенсификация процессов возбуждения в ЦНС, что проявляется в виде увеличения спонтанной двигательной активности, количества локомоций и снижением порога эмоциональных реакций. Дальнейшее поступление УНМ приводит к снижению возбудимости структур ЦНС, а регистрируемые показатели изменяют свою направленность. При оценке результатов в тесте «открытое поле» было выявлено снижение общей двигательной активности на 16 % (р < 0,05) и тенденция к снижению показателей исследовательского поведения, что также подтверждает ранее выявленный дисбаланс в соотношении процессов возбуждения и торможения на разных сроках эксперимента, выражающийся сначала в преобладании и интенсификации первых (14 сутки), а при дальнейшем введении УНМ (45 сутки) - вторых. Изменение поведенческих реакций сочеталось с морфофункцио-нальными изменениями, что проявлялось в виде венозного полнокровия головного мозга, гипофиза и мозжечка, а также выраженном увеличении среднегруппо-вых показателей массы тела у животных опытной группы в конце эксперимента.

Механизм действия УНМ на клетки, ткани и организм в целом является многоплановым, связанным, в первую очередь, с уникальностью их физико-химических свойств и до сих пор остается малоизученным процессом. Однако большинство авторов [1-2; 47; 9-10] в качестве главного звена патогенетического воздействия наночастиц на клетку выделяют усиление генерирования активных форм кислорода, интенсивности свободно-радикальных реакций, СПОЛ и окислительный стресс. Одним из основных свойств наноча-стиц является их способность к избирательному аккумулированию вследствие повышенной тропности к некоторым органам и тканям организма. Нервная ткань характеризуется большой скоростью метаболических

процессов, имеет высокое содержание липидов, что делает ее главным органом-мишенью для наночастиц и их конгломератов. Стоит также отметить, что физико-химические свойства отдельных наночастиц в коллоидном растворе могут отличаться от их конгломератов, которые образуются при длительном введении больших доз УНМ, что и было доказано в ходе данного исследования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев А.А., Емельянов А.В., Ткачев А.Г. и др. Оценка воздействия наносодержащего материала «Таунит» на живые системы // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб. материалов 8 Меж-дунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2008. С. 28-29.

2. Пиотровский Л.Б. Будьте осторожны - следующая остановка «НАНО ЭРА» или проблема токсичности наночастиц // Экологический вестник России. 2008. № 11. С. 31.

3. Иншаков О.В., Фесюн А.В. Государственная политика развития нанотехнологий: российский и зарубежный опыт. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. 48 с.

4. Русаков Н.В. Эколого-гигиенические проблемы отходов нанома-териалов // Гигиена и санитария. 2008. № 6. С. 20-21.

5. Сычева Л.П. Оценка мутагенных свойств наноматериалов // Гигиена и санитария. 2008. № 6. С. 26-28.

6. Gomes S.I., Soares A.M., Scott-Fordsmand J.J., Amorim M.J. Mechanisms of response to silver nanoparticles on Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Survival, reproduction and gene expression profile // Hazard Mater. 2013. V. 15. P. 254-255.

7. Cedervall T., Lynch I., Berggard T. Detailed identification of plasma proteins adsorbed on copolymer nanoparticles // Angew Chem. Int. Ed. Engl. 2007. V. 46 (30). P. 5754-5756.

8. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур: монография. М.: Машиностроение, 2007. 316 с.

9. Гусев А.А., Емельянов А.В., Шутова С.В. и др. Влияние углеродных нанотрубок на ранние стадии онтогенеза мышей (Mus Domestica Linnaeus, 1758) // Современные проблемы контроля качества природной и техногенной сред: материалы Всерос. науч. -практ. конф. Тамбов, 2009. С. 78-79.

10. Убогов А.Ю., Полякова И.А., Гусев А.А., Горшенёва Е.Б., Ткачев А.Г. Углеродные нанотрубки как фактор развития воспалительного процесса в печени мышей // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2011. Т. 16. Вып. 5. С. 1338-1342.

11. Сперанский С.В. Определение суммационно-порогового показателя при различных формах токсикологического эксперимента: метод. рекомендации. Новосибирск, 1975. 25 с.

12. Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д.П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. М.: Высш. шк., 1991. 399 с.

Поступила в редакцию 20 марта 2017 г.

Горшенёва Екатерина Борисовна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры патологии, e-mail: go sheneva.k@mail. ru

Топчиева Зинаида Серафимовна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат медицинских наук, доцент кафедры патологии, e-mail: [email protected]

Информация для цитирования:

Горшенёва Е.Б., Топчиева З.С. Влияние углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит» на поведенческие реакции лабораторных мышей // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2017. Т. 22. Вып. 2. С. 274-278. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-2-274-278

Gorsheneva E.B., Topchieva Z.S. Vliyanie uglerodnogo nanomateriala (UNM) «Taunit» na povedencheskie reaktsii laboratornykh myshey [The effect of carbon nanomaterial (CNM) "Taunit" on behavioral responses of laboratory mice]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2017, vol. 22, no. 2, pp. 274-278. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-2-274-278 (In Russian).

UDC 57.044 + 612.0

DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-2-274-278

THE EFFECT OF CARBON NANOMATERIAL (CNM) "TAUNIT" ON BEHAVIORAL RESPONSES OF LABORATORY MICE

© E.B. Gorsheneva, Z.S. Topchieva

Tambov State University named after G.R. Derzhavin 33 Internatsionalnaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: [email protected]

The results of a study of the effects of carbon nanomaterial (CNM) "Taunit" on behavioral responses of laboratory mice are presented. It was found that when administered orally, CNM "Taunit" at a dosage of 450 mg/kg for 14 days in laboratory animals observed intensification of the processes of excitation in the central nervous system that manifests itself in the form of increased spontaneous motor activity, the amount of locomotion and reduction in the threshold for emotional reactions. Change of behavioral responses combined with the morphological and functional changes, which was manifested in the form of a venous plethora of the brain, pituitary gland and cerebellum.

Key words: carbon nanomaterials; spontaneous locomotor activity; behavioral activity; threshold of emotional reactions

REFERENCES

1. Gusev A.A., Emelyanov A.V., Tkachev A.G. et al. Otsenka vozdeystviya nanosoderzhashchego materiala «Taunit» na zhivye sistemy [Estimation of influence of nano-containing material "Taunit" on living systems]. Sbornik materialov 8 Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Ekologiya i bezopasnost zhiznedeyatel'nosti» [A Collection of Materials of 8th International Scientific-Practical Conference "Ecology and Security of Life-Sustaining Activity"]. Penza, 2008, pp. 28-29. (In Russian).

2. Piotrovskiy L.B. Bud'te ostorozhny - sleduyushchaya ostanovka «NANO ERA» ili problema toksichnosti nanochastits [Be Careful - the next station is "NANO ERA" or the problem of nanoparticles toxicity]. Ekologicheskiy vestnik Rossii — Ecological Herald of Russia, 2008, no. 11, p. 31. (In Russian).

3. Inshakov O.V., Fesyun A.V. Gosudarstvennayapolitika razvitiya nanotekhnologiy: rossiyskiy i zarubezhnyy opyt [State Policy of Development of Nanotechnologies: Russian and Foreign Experience]. Volgograd, Volgograd State University Publ., 2009, 48 p. (In Russian).

4. Rusakov N.V. Ekologo-gigienicheskie problemy otkhodov nanomaterialov [Ecological and hygienic problems of nanomaterial waste]. Gigiena i sanitariya — Hygiene and Sanitation, 2008, no. 6, pp. 20-21. (In Russian).

5. Sycheva L.P. Otsenka mutagennykh svoystv nanomaterialov [Evaluation of the mutagenic properties of nano-materials]. Gigiena i sanitariya — Hygiene and Sanitation, 2008, no. 6, pp. 26-28. (In Russian).

6. Gomes S.I., Soares A.M., Scott-Fordsmand J.J., Amorim M.J. Mechanisms of response to silver nanoparticles on Enchytraeus albidus (Oligochaeta): Survival, reproduction and gene expression profile. Hazard Mater., 2013, vol. 15, pp. 254-255.

7. Cedervall T., Lynch I., Berggard T. Detailed identification of plasma proteins adsorbed on copolymer nanoparticles. Angew Chem. Int. Ed. Engl., 2007, vol. 46 (30), pp. 5754-5756.

8. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. Apparatura i metody sinteza tverdotel'nykh nanostruktur [Facilities and Methods of Synthesis of SolidState Nanostructures]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2007, 316 p. (In Russian).

9. Gusev A.A., Emelyanov A.V., Shutova S.V. et al. Vliyanie uglerodnykh nanotrubok na rannie stadii ontogeneza myshey (Mus Domestica Linnaeus, 1758) [The influence of carbon nanotubes on early stages of mice ontogenesis]. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Sovremennye problemy kontrolya kachestva prirodnoy i tekhnogennoy sred» [Materials of All-Russian Scientific-Practical Conference "Modern Problems of Quality Control of Natural and Anthropogenic Spheres"]. Tambov, 2009, pp. 78-79. (In Russian).

10. Ubogov A.Yu., Polyakova I.A., Gusev A.A., Gorsheneva E.B., Tkachev A.G. Uglerodnye nanotrubki kak faktor razvitiya vospalitel'nogo protsessa v pecheni myshey [Carbon nanotubes as factor in development of inflammation in liver of mice]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, vol. 16, no. 5, pp. 1338-1342. (In Russian).

11. Speranskiy S.V. Opredelenie summatsionno-porogovogo pokazatelya pri razlichnykh formakh toksikologicheskogo eksperimenta [Defining of Sum-Edge Index at Different Forms of Toxicology Experiment]. Novosibirsk, 1975, 25 p. (In Russian).

12. Buresh Ya., Bureshova O., Khyuston D.P. Metodiki i osnovnye eksperimenty po izucheniyu mozga i povedeniya [Methods and Basic Experiments on Study of Brain and Behavior]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1991, 399 p. (In Russian).

Received 20 March 2017

Gorsheneva Ekaterina Borisovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavina, Tambov, Russian Federation, Candidate of Biology, Senior Lecturer of Pathology Department, e-mail: [email protected]

Topchieva Zinaida Serafimovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Medicine, Associate Professor of Pathology Department, e-mail: [email protected]