Зависимость токсичности наночастиц от их физических и химических свойств

Фон

Международная организация по стандартизации определяет наночастицы (НЧ) как структуры, размеры которых в одном, двух или трех измерениях находятся в диапазоне от 1 до 100 нм. Помимо размера, НЧ можно классифицировать по их физическим параметрам, например по электрическому заряду; химические характеристики, такие как состав ядра или оболочки НП; форма (трубки, пленки, стержни и т. д.); и происхождение:природные НЧ (НЧ, содержащиеся в вулканической пыли, вирусных частицах и т. д.) и искусственные НЧ, которым и посвящен настоящий обзор.

Наночастицы широко используются в электронике, сельском хозяйстве, текстильном производстве, медицине и многих других отраслях и науках. Однако токсичность NP для живых организмов является основным фактором, ограничивающим их использование для лечения и диагностики заболеваний. В настоящее время исследователи часто сталкиваются с проблемой баланса между положительным терапевтическим эффектом НЧ и побочными эффектами, связанными с их токсичностью. В этом отношении выбор адекватной экспериментальной модели для оценки токсичности между in vitro (клеточные линии) и in vivo (экспериментальные животные) имеет первостепенное значение. Токсическое действие NP на отдельные компоненты клетки и отдельные ткани легче анализировать на моделях in vitro, тогда как эксперименты in vivo позволяют оценить токсичность NP для отдельных органов или организма в целом. Кроме того, возможное токсическое действие НЧ зависит от их концентрации, продолжительности их взаимодействия с живым веществом, их стабильности в биологических жидкостях и способности к накоплению в тканях и органах. Разработка безопасных, биосовместимых НЧ, которые можно использовать для диагностики и лечения заболеваний человека, может быть основана только на полном понимании взаимодействия между всеми факторами и механизмами, лежащими в основе токсичности НЧ.

Медицинское применение наночастиц

В медицине НЧ могут использоваться в диагностических или терапевтических целях. В диагностике они могут служить в качестве флуоресцентных меток для обнаружения биомолекул и патогенов, а также в качестве контрастных агентов в магнитно-резонансных и других исследованиях. Кроме того, НЧ можно использовать для адресной доставки лекарств, включая белковые и полинуклеотидные вещества; в фотодинамической терапии и термической деструкции опухолей, а также при протезировании [1,2,3,4,5,6]. Некоторые типы НЧ уже успешно используются в клинике для доставки лекарств и визуализации опухолевых клеток [7,8,9].

Примеры использования НЧ золота накапливаются в последнее время. Они оказались эффективными переносчиками химиотерапевтических и других лекарств. НЧ золота обладают высокой биосовместимостью; однако, хотя золото как вещество инертно по отношению к биологическим объектам, нельзя утверждать, что то же самое верно и для НЧ золота, поскольку пока нет убедительных данных об отсутствии отсроченных токсических эффектов [10]. Помимо НЧ золота, в качестве носителей лекарств уже используются НЧ на основе мицелл, липосом [11] и полимеров с прикрепленными «молекулами захвата» [12]. Однослойные и многослойные нанотрубки являются хорошими примерами НЧ, используемых для доставки лекарств. Они подходят для присоединения различных функциональных групп и молекул для адресной доставки, а их уникальная форма позволяет им избирательно проникать через биологические барьеры [13]. Использование НЧ в качестве носителей для лекарственных средств увеличивает специфичность доставки и снижает минимальное количество НЧ, необходимое для достижения и поддержания терапевтического эффекта, тем самым снижая возможную токсичность. Это особенно важно в случае высокотоксичных и короткоживущих химио- и радиотерапевтических агентов [14].

Квантовые точки (КТ) составляют еще одну группу НЧ с высоким потенциалом клинического использования. КТ представляют собой полупроводниковые нанокристаллы размером от 2 до 10 нм. Их способность к флуоресценции в различных спектральных областях, включая инфракрасную [15], делает их пригодными для маркировки и визуализации клеток, клеточных структур или патогенных биологических агентов, а также различных процессов в клетках, тканях и организме в целом [ 16,17,18], что имеет важное диагностическое значение [19, 20]. НЧ на основе суперпарамагнитного оксида железа эффективно используются в качестве контрастных агентов в магнитно-резонансной томографии (МРТ) для визуализации тканей печени, костного мозга и лимфатических узлов [21]. Существует также пример, когда радиоактивно меченные однослойные углеродные нанотрубки, функционализированные фосфолипидами, были использованы для мечения интегрин-содержащих опухолей и их последующего обнаружения с помощью позитронно-эмиссионной томографии в экспериментах на мышах [22].

Наночастицы также использовались при разработке биосенсоров, в том числе на основе углеродных нанотрубок для измерения уровня глюкозы [23], обнаружения конкретных фрагментов и областей ДНК [24] и идентификации бактериальных клеток [25].

Серебряные (или содержащие серебро) НЧ обладают антимикробным и цитостатическим действием; по этой причине они широко используются в медицине, например, для обработки повязок, хирургических инструментов, протезов и противозачаточных средств [13, 22]. Сообщалось, что НЧ серебра служат в косметической промышленности как эффективные и безопасные консерванты [26].

Однако НЧ все еще могут быть высокотоксичными, даже если безопасность использования многих из их химических компонентов в медицине доказана. Токсический эффект может быть вызван их уникальными физическими и химическими свойствами, лежащими в основе определенных механизмов взаимодействия с живыми системами. В целом это определяет важность изучения причин и механизмов потенциального токсического действия НЧ.

Механизмы токсичности наночастиц

Токсичность НЧ во многом определяется их физическими и химическими характеристиками, такими как размер, форма, удельная площадь поверхности, поверхностный заряд, каталитическая активность, а также наличие или отсутствие оболочки и активных групп на поверхности.

Небольшой размер НЧ позволяет им проникать через эпителиальные и эндотелиальные барьеры в лимфу и кровь, которые переносятся кровотоком и потоком лимфы к различным органам и тканям, включая мозг, сердце, печень, почки, селезенку, костный мозг и нервной системы [27, 28], и они либо транспортируются в клетки с помощью механизмов трансцитоза, либо просто диффундируют в них через клеточную мембрану. Наноматериалы также могут увеличивать доступ к кровотоку при приеме внутрь [29, 30]. Некоторые наноматериалы могут проникать в кожу [31, 32], и даже более крупные микрочастицы могут проникать в кожу, когда она изгибается [33]. Наночастицы из-за своего небольшого размера могут проникать через эндотелий в очаги воспаления, эпителий (например, кишечник и печень), опухоли или проникать в микрокапилляры [34]. Эксперименты, моделирующие токсическое действие НЧ на организм, показали, что НЧ вызывают тромбоз за счет усиления агрегации тромбоцитов [35], воспаления верхних и нижних дыхательных путей, нейродегенеративных расстройств, инсульта, инфаркта миокарда и других заболеваний [36,37,38 ]. Обратите внимание, что НЧ могут проникать не только в органы, ткани и клетки, но и в органеллы клеток, например митохондрии и ядра; это может резко изменить метаболизм клеток и вызвать повреждения ДНК, мутации и гибель клеток [39].

Было показано, что токсичность квантовых точек напрямую связана с утечкой свободных ионов металлов, содержащихся в их ядрах, таких как кадмий, свинец и мышьяк, при окислении агентами окружающей среды. КТ могут поглощаться митохондриями и вызывать морфологические изменения и дисфункцию органелл [40]. Поступление в клетки КТ на основе кадмия и образование свободного Cd ²⁺ ионы вызывают окислительный стресс [41, 42].

Недавние исследования показали, что контакт легочной ткани с НЧ размером около 50 нм приводит к перфорации мембран альвеолярных клеток I типа и, как следствие, проникновению НЧ в клетки. Это, в свою очередь, вызывает некроз клеток, о чем свидетельствует высвобождение лактатдегидрогеназы [43]. Имеются данные о том, что проникновение квантовых точек увеличивает текучесть клеточных мембран [44]. С другой стороны, образование активных форм кислорода (АФК), вызванное перекисным окислением мембранных липидов, может привести к потере гибкости мембраны, что, наряду с аномально высокой текучестью, неизбежно приводит к гибели клеток.

Взаимодействие НЧ с цитоскелетом также может повредить его. Например, TiO ₂ НЧ вызывают конформационные изменения тубулина и ингибируют его полимеризацию [45], что нарушает внутриклеточный транспорт, деление и миграцию клеток. В эндотелиальных клетках пупочной вены человека (HUVEC) повреждение цитоскелета препятствует созреванию координационных адгезивных комплексов, которые связывают цитоскелет с внеклеточным матриксом, тем самым нарушая формирование сосудистой сети [46].

Кроме того, цитотоксичность NP может мешать дифференцировке клеток и синтезу белка, а также активировать провоспалительные гены и синтез медиаторов воспаления. Следует особо отметить, что нормальные защитные механизмы не влияют на НЧ; Поглощение макрофагами крупных ПЭГилированных наночастиц более эффективно, чем поглощение мелких, что приводит к накоплению НЧ в организме [47]. Было показано, что суперпарамагнитные НЧ оксида железа нарушают или полностью подавляют остеогенную дифференцировку стволовых клеток и активируют синтез сигнальных молекул, опухолевых антигенов и т. Д. [48, 49]. Кроме того, взаимодействие НЧ с клеткой усиливает экспрессию генов, ответственных за образование лизосом [50], нарушает их функционирование [51] и подавляет синтез белка [52, 53]. Изучение токсического действия НЧ разного состава на эпителиальные клетки легких и линии опухолевых клеток человека показало, что НЧ стимулируют синтез медиаторов воспаления, например интерлейкина 8 [54]. Согласно Парку, который изучал экспрессию провоспалительных цитокинов in vitro и in vivo, экспрессия интерлейкина 1 бета (IL-1β) и фактора некроза опухоли альфа (TNFα) усиливается в ответ на кремниевые НЧ [55].>

Окисление, а также действие различных ферментов на оболочку и поверхность НЧ приводит к их деградации и высвобождению свободных радикалов. Помимо токсического действия свободных радикалов, выражающегося в окислении и инактивации ферментов, мутагенезе и нарушении химических реакций, ведущих к гибели клеток, деградация НЧ приводит к изменению или потере их собственной функциональности (например, потере магнитного момента и изменения в спектре флуоресценции и транспортных или других функций) [56, 57].

Таким образом, наиболее распространенными механизмами цитотоксичности NP являются следующие:

1. 1.

   НЧ могут вызывать окисление за счет образования АФК и других свободных радикалов;

2. 2.

   НЧ могут повреждать клеточные мембраны, перфорируя их;

3. 3.

   НЧ повреждают компоненты цитоскелета, нарушая внутриклеточный транспорт и деление клеток;

4. 4.

   НЧ нарушают транскрипцию и повреждают ДНК, тем самым ускоряя мутагенез;

5. 5.

   НЧ повреждают митохондрии и нарушают их метаболизм, что приводит к энергетическому дисбалансу клеток;

6. 6.

   НЧ препятствуют образованию лизосом, тем самым препятствуя аутофагии и деградации макромолекул, а также запускают апоптоз;

7. 7.

   НЧ вызывают структурные изменения в мембранных белках и нарушают транспорт веществ внутрь и из клеток, включая межклеточный транспорт;

8. 8.

   НЧ активируют синтез медиаторов воспаления, нарушая нормальные механизмы клеточного метаболизма, а также метаболизм тканей и органов (рис. 1).

Механизмы повреждения клеток наночастицами. (1) Физическое повреждение мембран [43, 67, 75]. (2) Структурные изменения компонентов цитоскелета [45, 46]. (3) Нарушение транскрипции и окислительное повреждение ДНК [61, 62]. (4) Повреждение митохондрий [39, 40]. (5) Нарушение работы лизосом [51]. (6) Генерация активных форм кислорода [61]. (7) Нарушение функций мембранных белков [172]. (8) Синтез воспалительных факторов и медиаторов [54, 55]

Хотя существует множество механизмов токсичности НЧ, необходимо определить и классифицировать тип и механизм каждого конкретного токсического действия НЧ в зависимости от их физических и химических свойств.

Связь токсичности наночастиц с их физическими и химическими свойствами

Считается, что токсичность НЧ зависит от их физических и химических характеристик, включая размер, форму, поверхностный заряд, химический состав ядра и оболочки и стабильность. В частности, Ох и др., Используя метаанализ данных 307 статей, описывающих 1741 образец данных, связанных с жизнеспособностью клеток, недавно проанализировали токсичность квантовых точек CdSe. Было показано, что нанотоксичность КТ тесно коррелирует с их поверхностными свойствами (включая оболочку, лиганд и модификации поверхности), диаметром, используемым типом анализа токсичности и временем воздействия [58]. Какой из этих факторов является наиболее важным, определяется конкретной экспериментальной задачей и моделью; поэтому теперь мы рассмотрим каждый фактор отдельно.

Размер и токсичность наночастиц

Размер и площадь поверхности НЧ играют важную роль, во многом определяя уникальный механизм взаимодействия НЧ с живыми системами. НЧ характеризуются очень большой удельной поверхностью, что определяет их высокую реакционную способность и каталитическую активность. Размеры НЧ (от 1 до 100 нм) сопоставимы с размером белковых глобул (2–10 нм), диаметром спирали ДНК (2 нм) и толщиной клеточных мембран (10 нм), что позволяет им легко проникают в клетки и клеточные органеллы. Например, Huo et al. продемонстрировали, что НЧ золота размером не более 6 нм эффективно проникают в ядро ​​клетки, тогда как НЧ большого размера (10 или 16 нм) проникают только через клеточную мембрану и обнаруживаются только в цитоплазме. Это означает, что НЧ размером в несколько нанометров более токсичны, чем НЧ размером 10 нм и более, которые не могут проникнуть в ядро ​​[59]. Pan et al. проследили зависимость токсичности НЧ золота от их размера в диапазоне от 0,8 до 15 нм. Было обнаружено, что НЧ размером 15 нм в 60 раз менее токсичны, чем НЧ 1,4 нм для фибробластов, эпителиальных клеток, макрофагов и клеток меланомы. Примечательно также, что 1,4-нм НЧ вызывают некроз клеток (в течение 12 ч после их добавления в среду для культивирования клеток), тогда как 1,2-нм НЧ преимущественно вызывают апоптоз [60]. Эти данные предполагают не только то, что НЧ могут проникать в ядро, но также и то, что соответствие геометрического размера НЧ (1,4 нм) размеру большой бороздки ДНК позволяет им эффективно взаимодействовать с отрицательно заряженным сахарно-фосфатным остовом ДНК и заблокировать транскрипцию [61, 62].

Кроме того, размер NP в значительной степени определяет, как NPs взаимодействуют с транспортной и защитной системами клеток и организма. Это взаимодействие, в свою очередь, влияет на кинетику их распределения и накопления в организме. В обзорной статье [63] представлены как теоретические соображения, так и многочисленные экспериментальные данные, демонстрирующие, что НЧ размером менее 5 нм обычно преодолевают клеточные барьеры неспецифически, например, посредством транслокации, тогда как более крупные частицы проникают в клетки посредством фагоцитоза, макропиноцитоза, а также специфических и неспецифических транспортных механизмов. . Оптимальным для пиноцитоза считается размер NP около 25 нм, хотя он также сильно зависит от размера и типа клеток [63, 64]. Эксперименты in vivo показали, что НЧ размером менее 10 нм быстро распределяются по всем органам и тканям при внутривенном введении, тогда как наиболее крупные НЧ (50–250 нм) обнаруживаются в печени, селезенке и крови [65]. Это говорит о том, что крупные НЧ распознаются специфическими защитными системами организма и поглощаются системой мононуклеарных фагоцитов, что препятствует их проникновению в другие ткани. Кроме того, Talamini et al. заявили, что размер и форма НЧ влияют на кинетику накопления и выведения НЧ золота в фильтрующих органах, и только звездообразные НЧ золота способны накапливаться в легких. Они также показали, что изменения в геометрии НЧ не улучшают прохождение НЧ через гематоэнцефалический барьер [66].

Большая удельная поверхность обеспечивает эффективную адсорбцию НЧ на поверхности клетки. Это было показано в исследовании гемолитической активности мезопористых кремниевых частиц размером от 100 до 600 нм по отношению к эритроцитам человека [67]. Частицы размером 100 нм эффективно адсорбировались на поверхности эритроцитов, не вызывая разрушения клеток или каких-либо морфологических изменений в клетках, тогда как частицы размером 600 нм деформировали мембрану и попадали в клетки, что приводило к разрушению эритроцитов (гемолизу) [67]. / P>

Форма и токсичность наночастиц

Характерные формы НЧ - сферы, эллипсоиды, цилиндры, листы, кубы и стержни. Токсичность НЧ сильно зависит от их формы. Это было показано для множества НЧ различной формы и химического состава [68,69,70,71]. Например, сферические НЧ более склонны к эндоцитозу, чем нанотрубки и нановолокна [72]. Было обнаружено, что однослойные углеродные нанотрубки более эффективно блокируют кальциевые каналы по сравнению со сферическими фуллеренами [73].

Сравнение эффектов НЧ гидроксиапатита различной формы (игольчатой, пластинчатой, палочковидной и сферической) на культивируемые клетки BEAS-2B показало, что пластинчатые и игольчатые НЧ вызывают гибель большей части клетки, чем сферические и стержневидные НЧ [74]. Частично это объясняется способностью пластинчатых и игольчатых НЧ повреждать клетки и ткани при прямом контакте. Hu et al. [75] получили интересные данные при изучении повреждения клеток млекопитающих нанолистами оксида графена. Токсичность этих НЧ определялась их формой, позволяющей им физически повреждать клеточную мембрану. Однако было обнаружено, что их токсичность снижается с увеличением концентрации фетальной сыворотки теленка в культуральной среде. Это объяснялось высокой способностью наночастиц оксида графена адсорбировать молекулы белка, которые покрывают поверхность наночастиц, тем самым изменяя форму наночастиц и частично предотвращая повреждение клеточных мембран [75].

Химический состав и токсичность наночастиц

Хотя токсичность НЧ сильно зависит от их размера и формы, нельзя игнорировать влияние других факторов, таких как химический состав НЧ и кристаллическая структура. Сравнение эффектов 20-нм диоксида кремния (SiO ₂ ) и оксида цинка (ZnO) на фибробластах мыши показали, что они различаются по механизмам токсичности. НЧ ZnO вызывают окислительный стресс, тогда как SiO ₂ НЧ изменяют структуру ДНК [76].

Действительно, токсичность НЧ во многом определяется их химическим составом. Было показано, что может происходить разложение НЧ, и его степень зависит от условий окружающей среды, например, pH или ионной силы. Наиболее частой причиной токсического действия НЧ при взаимодействии с клетками является утечка ионов металлов из ядра НЧ. Токсичность также зависит от состава ядра НЧ. Некоторые ионы металлов, такие как Ag и Cd, на самом деле токсичны и поэтому вызывают повреждение клеток. Ионы других металлов, такие как Fe и Zn, являются биологически полезными, но при высоких концентрациях они могут повредить клеточные пути и, следовательно, вызвать высокую токсичность. Однако этот эффект можно уменьшить, например, путем покрытия ядер НЧ толстыми полимерными оболочками, слоями кремнезема или золотыми оболочками вместо коротких лигандов или с помощью нетоксичных соединений для синтеза НЧ. С другой стороны, состав ядра может быть изменен добавлением других металлов. Это может привести к повышенной химической устойчивости против деградации НЧ и проникновения ионов металлов в организм [77].

Токсичность НЧ зависит также от их кристаллической структуры. Взаимосвязь между кристаллической структурой и токсичностью была изучена с использованием клеточной линии бронхиального эпителия человека и наночастиц оксида титана с различными типами кристаллической решетки. Было продемонстрировано, что НЧ с рутиловой кристаллической структурой (призматический TiO ₂ кристаллы) вызывают окислительное повреждение ДНК, перекисное окисление липидов и образование микроядер, что указывает на аномальную сегрегацию хромосом во время митоза, тогда как НЧ с анатазоподобной кристаллической структурой (октаэдрический TiO ₂ кристаллы) того же размера нетоксичны [78]. Следует отметить, что кристаллическая структура NP может варьироваться в зависимости от окружающей среды, например, при взаимодействии с водой, биологическими жидкостями или другими дисперсионными средами. Есть свидетельства того, что кристаллическая решетка НЧ ZnS перестраивается в более упорядоченную структуру при контакте с водой [79].

Поверхностный заряд наночастиц и их токсичность

Поверхностный заряд НЧ играет важную роль в их токсичности, поскольку он во многом определяет взаимодействие НЧ с биологическими системами [80, 81].

Поверхность НЧ и их заряды можно было модифицировать путем прививки разнонаправленных полимеров. ПЭГ (полиэтиленгликоль) или фолиевая кислота часто используются для улучшения внутриклеточного захвата NP и его способности воздействовать на определенные клетки [82]. Сообщалось также о синтезе биосовместимых наночастиц TiO2, содержащих функциональные группы NH2 или SH [83]. Другие вещества, такие как метотрексат, полиэтиленимин и декстран, также использовались для модификации поверхностей НЧ и их заряда [84].

Высокая токсичность положительно заряженных НЧ объясняется их способностью легко проникать в клетки, в отличие от отрицательно заряженных и нейтральных НЧ. Это объясняется электростатическим притяжением между отрицательно заряженными гликопротеинами клеточной мембраны и положительно заряженными НЧ. Сравнение цитотоксических эффектов отрицательно и положительно заряженных НЧ полистирола на клетки HeLa и NIH / 3T3 показало, что последние более токсичны. Это связано не только с тем, что положительно заряженные НЧ более эффективно проникают через мембрану, но и потому, что они более прочно связаны с отрицательно заряженной ДНК, вызывая ее повреждение и, как следствие, удлинение фазы G0 / G1 клеточного цикла. Отрицательно заряженные НЧ не влияют на клеточный цикл [85]. Аналогичные результаты были получены для положительно и отрицательно заряженных НЧ золота, причем положительные НЧ поглощаются клетками в больших количествах и быстрее, чем отрицательные, и являются более токсичными [86].

Положительно заряженные НЧ обладают повышенной способностью к опсонизации, т. Е. Адсорбции белков, способствующих фагоцитозу, включая антитела и компоненты комплемента, из крови и биологических жидкостей [87]. Адсорбированные белки, называемые белковой короной, могут влиять на поверхностные свойства НЧ. Например, они могут изменять поверхностный заряд, характеристики агрегации и / или гидродинамический диаметр наночастиц. Кроме того, адсорбция белков на поверхности НЧ приводит к их конформационным изменениям, которые могут снижать или полностью ингибировать функциональную активность адсорбированных белков. Белковая корона в основном состоит из основных сывороточных белков, таких как альбумин, фибриноген и иммуноглобулин G, а также других эффекторных, сигнальных и функциональных молекул [88, 89]. Связывание с НЧ изменяет структуру белков, что приводит к потере их ферментативной активности, нарушению биологических процессов и осаждению упорядоченных полимерных структур, например амилоидных фибрилл [90]. Это может привести к различным заболеваниям, например к амилоидозу. Эксперименты in vitro продемонстрировали, что КТ, покрытые гидрофильным полимером, ускоряют образование фибрилл человеческого β ₂ микроглобулины, которые затем образуют многослойные структуры на поверхности частиц; это приводит к локальному увеличению концентрации белка на поверхности НЧ, осаждению и образованию олигомеров [91].

Xu et al. разработал метод изменения заряда НЧ с отрицательного на положительный с помощью различных модификаций поверхности. Например, полимерные НЧ были модифицированы pH-чувствительным полимером, так что, будучи отрицательно заряженными в нейтральной среде, они приобретали положительный заряд в кислой среде при pH 5–6 [92]. Этот метод позволяет существенно увеличить скорость поглощения NP клетками, что может быть использовано для доставки лекарств к опухолевым клеткам. Оценка цитотоксичности наночастиц оксида церия с модифицированной поверхностью для клеток H9C2, HEK293, A549 и MCF-7 показала, что в основном различные биологические и токсические эффекты могут быть получены при использовании различных полимеров для получения положительно или отрицательно заряженных или нейтральных наночастиц. В частности, положительно заряженные и нейтральные НЧ поглощаются всеми типами клеток с одинаковой скоростью, тогда как отрицательно заряженные преимущественно накапливаются в опухолевых клетках [93]. Таким образом, изменение заряда NP позволяет контролировать их локализацию и токсичность, что может быть использовано для разработки эффективных систем доставки химиотерапевтических препаратов к опухолям.

Оболочка наночастиц и их токсичность

Нанесение оболочки на поверхность НЧ необходимо для изменения их оптических, магнитных и электрических свойств; он используется для улучшения биосовместимости и растворимости НЧ в воде и биологических жидкостях за счет снижения их агрегационной способности, повышения их стабильности и т. д. Таким образом, оболочка снижает токсичность НЧ и обеспечивает их способность к избирательному взаимодействию с различными типами клеток и биологические молекулы. Кроме того, оболочка значительно влияет на фармакокинетику НП, изменяя характер распределения и накопления НП в организме [94].

Как отмечалось выше, токсичность НЧ во многом связана с образованием свободных радикалов [40, 57, 95, 96]. Однако оболочка может значительно смягчить или устранить этот негативный эффект, а также стабилизировать НЧ, повысить их устойчивость к факторам окружающей среды, уменьшить выделение из них токсичных веществ или сделать их тканеспецифичными [97]. Например, Cho et al. модифицированные полимерные НЧ путем покрытия их лектинами. Модифицированные НЧ селективно связывались с опухолевыми клетками, представляя молекулы сиаловой кислоты на поверхности, что делало НЧ подходящими для специфической маркировки раковых клеток [98].

Поверхность NP может быть модифицирована как органическими, так и неорганическими соединениями, например полиэтиленгликолем, полигликолевой кислотой, полимолочной кислотой, липидами, белками, соединениями с низкой молекулярной массой и кремнием. Такое разнообразие модификаторов позволяет формировать сложные системы на поверхности НЧ для изменения свойств НЧ и их специфического переноса и накопления.

Наночастицы, покрытые оболочкой из синтетических полимеров, используются для доставки антигенов, таким образом, они служат в качестве адъювантов, усиливающих иммунный ответ. Это позволяет получать вакцины против антигенов, являющихся мишенями сильного естественного неспецифического клеточного иммунитета [99].

Оболочка часто используется для улучшения солюбилизации и снижения токсичности квантовых точек, поскольку их металлические ядра гидрофобны и в основном состоят из токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий, теллур и ртуть. Оболочка увеличивает стабильность ядра КТ и предотвращает его опреснение и окислительную или фотолитическую деградацию. Это, в свою очередь, снижает утечку ионов металлов за пределы ядра КТ и, следовательно, токсичность КТ [100,101,102].

Исследование токсичности наночастиц

За последние два десятилетия использование НЧ значительно расширилось и привело к созданию нанотоксикологии, новой науки, изучающей потенциальное токсическое воздействие НЧ на биологические и экологические системы. Общая цель нанотоксикологии - разработать правила синтеза безопасных НЧ [103]. Это требует комплексного системного подхода к анализу токсических свойств НЧ и их воздействия на клетки, ткани, органы и организм в целом.

Существует два стандартных подхода к изучению воздействия различных веществ на живые системы, которые также применимы к токсическим эффектам НЧ:эксперименты in vitro на модельных клеточных линиях и эксперименты in vivo на лабораторных животных. Мы не рассматриваем здесь третий возможный подход к оценке токсичности НЧ, компьютерное моделирование, потому что пути и механизмы токсического действия НЧ недостаточно хорошо известны, чтобы компьютерная модель могла предсказать последствия взаимодействий между НЧ и живым веществом для человека. широкий ассортимент НП с достаточной надежностью.

Как клеточные культуры, так и экспериментальные модели на животных для изучения токсичности NP имеют свои определенные преимущества и недостатки. Первые позволяют глубже понять молекулярные механизмы токсичности и идентифицировать первичные мишени НЧ; однако не принимаются во внимание закономерности распределения НЧ в организме и их транспорта в различные ткани и клетки. Изучение токсичности НЧ в экспериментах на животных позволяет оценить отсроченные эффекты действия НЧ in vivo. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.

Study of Toxicity in Cell Cultures

Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.

The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).

The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).

The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).

Co-cultured Cell Lines and 3D Cell Cultures

Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].

It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Ли и др. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.

In vivo Study of Nanoparticle Toxicity

In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.

Диоксид титана (TiO ₂ ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO₂ NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO₂ NPs are relatively harmless.

Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.

Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.

Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].

The possible reasons why quantum dots may be nontoxic in animal models. (1) The shell prevents the leakage of heavy metals into the body [129, 135]. (2) Quantum dots are localized in the liver and subsequently eliminated from the body [135, 173]. (3) The protein crown around quantum dots protects the body from heavy metals [132, 174]

Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhang et al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.

Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.

Hu et al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.

Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS₂ /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].

Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].

However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.

Выводы

The potential toxicity of NPs is the main problem of their use in medicine. Therefore, not only positive results of the use of NPs, but also the possible unpredictable negative consequences of their action on the human body, should be scrutinized. The toxicity of NPs is related to their distribution in the bloodstream and lymph stream and their capacities for penetrating into almost all cells, tissues, and organs and interacting with various macromolecules and altering their structure, thereby interfering with intracellular processes and the functioning of whole organs. The NP toxicity strongly depends on their physical and chemical properties, such as the shape, size, electric charge, and chemical compositions of the core and shell. Many types of NPs are not recognized by the protective systems of cells and the body, which decreases the rate of their degradation and may lead to considerable accumulation of NPs in organs and tissues, even to highly toxic and lethal concentrations. However, a number of approaches to designing NPs with a decreased toxicity compared to the traditional NPs are already available. Advanced methods for studying the NP toxicity make it possible to analyze different pathways and mechanisms of toxicity at the molecular level, as well as reliably predict the possible negative effect at the body level.

Thus, it is obvious that designing NPs that have small or no negative effects is impossible unless all qualitative and quantitative physical and chemical properties of NPs are systematically taken into consideration and a relevant experimental model for estimating their influence on biological systems is available.

Сокращения

FDA:

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов

IL-1β:

Interleukin-1-beta

MRT:

Magnetic resonance tomography

NP:

Наночастицы

QD:

Квантовая точка

ROS:

Активные формы кислорода

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TNFα:

Tumor necrosis factor alpha