Оценка в vivo токсичности биосинтезированных медных и оксида цинка наночастиц при внутрибрюшинном и внутривенном введении крысам

Аннотация

Медные (Cu) и оксид цинка (ZnO) наночастицы (НЧ) широко применяются как антимикробные средства в косметике, пищевых добавках и медицине. Однако их потенциальная токсичность для человека и экосистем остается критической проблемой. В исследовании изучались в vivo судьба и профиль безопасности биосинтезированных CuNP (Bio-CuNP) и ZnONP (Bio-ZnONP) на самцах крыс линии Wistar, вводимых либо внутрибрюшинно (i/p), либо внутривенно (i/v). Дозы составляли 6,1–19,82 мкг/кг для Bio-CuNP и 11,14–30,3 мкг/кг для Bio-ZnONP, отражая концентрации, используемые в антибактериальных исследованиях. В течение 28 дней наблюдали за смертностью, массой тела, поведением, гематологией, сывороточной биохимией (креатинин, ALT, AST, ALP), массой органов и гистопатологией печени, почек, селезенки и мозга. Смертности в обеих группах не было. Bio-ZnONP, независимо от пути введения, не меняли маркеры печени и почек, изменения массы тела были минимальны. В отличие от этого, Bio-CuNP при 9,5–11,7 мкг/кг (i/v) вызывали легкие и умеренные повышения сывороточных ALT, AST и ALP, сохранявшиеся до 28-го дня, сопровождавшиеся снижением индексов селезенки и печени и гистологическими доказательствами вакуоляризации печени и почечной тубулярной поврежденности. Внутрибрюшинный путь смягчал эти эффекты. В целом, Bio-ZnONP продемонстрировали более благоприятный профиль безопасности, предполагая их потенциальную пригодность для внутривенных биомедицинских применений.

Введение

Медь и цинк — незаменимые микроэлементы, но чрезмерное воздействие их наночастичных форм может вызывать гемолиз, гастроинтестинальное раздражение и органную токсичность. С быстрым расширением применения металлических наночастиц в потребительских и медицинских изделиях понимание их биологических взаимодействий и потенциальных опасностей стало первостепенным. Предыдущие in vivo исследования рассматривали внутриносовой, внутритрахеальный и пероральный воздействие CuNP и ZnONP, но данные о системных путях — внутривенном (i/v) и внутрибрюшинном (i/p) — остаются скудными. Эта работа заполняет этот пробел, оценивая токсико кинетику и органные эффекты 16–96 нм биосинтезированных CuNP и ZnONP у самцов крыс Wistar, используя дозовые диапазоны, согласованные с исследованиями антибактериальной эффективности.

Методы

Биосинтез

CuNP и ZnONP получали экстрацеллюлярно с использованием supernatанта непатогенного Enterococcus faecalis, получая сферические частицы 12–90 нм для CuNP и 16–96 нм для ZnONP (подтверждено FeSEM и TEM).

Дизайн животного эксперимента

16–17-недельные самцы крыс Wistar (160–200 г) адаптировали неделю перед дозированием. Крысы случайно распределяли на шесть групп на путь (i/p и i/v), по шесть животных в каждой. Дозы готовили в стерильной воде (50 мг/мл сток) и разбавляли до конечных концентраций 6,1–19,82 мкг/кг (CuNP) и 11,14–30,3 мкг/кг (ZnONP). Контрольные группы получали дистиллированную воду. Все процедуры соответствовали GLP и были одобрены Комитетом по этике животных (Согласие № 346/CPCSEA).

Наблюдения

Клинические признаки фиксировали ежедневно; потребление корма и воды, масса тела и поведение мониторили каждые два дня. Гематология (Эритроциты, Лейкоциты, гемоглобин, тромбоциты) и сывороточная биохимия (креатинин, ALT, AST, ALP) измеряли на 14 и 28 дни. Массы органов определяли посмертно, органные индексы рассчитывали как: Oₓ = (масса органа/масса животного) / (масса органа контрольного/масса контрольного животного). Гистологические срезы печени, почек, селезенки и мозга окрашивали гемоксилином-эозином и изучали микроскопически.

Статистический анализ

Данные представлены как среднее ± SD (N = 6 на группу). Статистическая значимость оценивалась ANOVA с пост-хок тестами; p < 0,05 считалось значимым.

Результаты и обсуждение

Масса тела и клинические наблюдения

Все крысы выжили за 28-дневный период. Снижение массы тела было незначительным (<5%) и транзиторным для обоих типов наночастиц. Bio-ZnONP давали наименьшие изменения массы, тогда как Bio-CuNP при максимальной i/v дозе (11,7 мкг/кг) показывали статистически значимое снижение к 28 дню (p < 0,05).

Гематология

Гематология 14-го дня выявила незначительные, незначимые снижения Эритроцитов, Лейкоцитов и тромбоцитов для Bio-CuNP (i/v) при IC₅₀ и TLC. К 28 дню гематологические параметры возвращались к базовым, указывая на отсутствие стойкой гематопоэтической токсичности. Bio-ZnONP не меняли никакие гематологические показатели ни при какой дозе или пути.

Сывороточная биохимия

Уровни креатинина оставались в норме во всех группах. Bio-CuNP (i/v) вызывали умеренные повышения ALT (до 67,7 мг/дл), AST (70 МЕ/л) и ALP (128 МЕ/л), сохранявшиеся до 28 дня, отражающие гепатоцеллюлярный и холестатический повреждения. В противовес, Bio-ZnONP (оба i/v и i/p) не значимо меняли ALT, AST или ALP ни при какой дозе. Внутрибрюшинный путь смягчал повышение печеночных ферментов для Bio-CuNP, подчеркивая путь-зависимую токсичность.

Органные индексы и гистопатология

Органные индексы печени и селезенки были значимо снижены у Bio-CuNP (i/v) при IC₅₀ и TLC (p < 0,05), в то время как Bio-ZnONP не давали обнаружимых изменений. Гистология подтвердила эти находки: Bio-CuNP (i/v) индуцировали цитоплазматическую вакуоляризацию печени, застой центральной вены и некроз почечных канальцев, тогда как Bio-ZnONP сохраняли нормальную архитектуру. Срезы селезенки от Bio-CuNP (i/v) показывали сниженную клеточность красной мякиша, в то время как спленческая структура оставалась нетронутой после воздействия Bio-ZnONP.

Путь-зависимая токсичность

Внутривенное введение последовательно вызывало более выраженные биохимические и гистологические изменения для Bio-CuNP по сравнению с внутрибрюшинным. Bio-ZnONP были хорошо переносимы по обоим путям, с только незначительными обратимыми изменениями массы и без органных повреждений.

Заключение

Это комплексное in vivo исследование демонстрирует, что биосинтезированные ZnONP обладают превосходным профилем безопасности по сравнению с CuNP при системном введении крысам. В то время как CuNP индуцировали дозозависимую гепатотоксичность и почечную поврежденность — особенно по i/v пути — ZnONP вызывали пренебрежимо малые неблагоприятные эффекты при сравнимых концентрациях. Эти результаты поддерживают дальнейшее изучение внутривенных ZnONP для биомедицинских применений, в то время как CuNP требуют тщательной оптимизации дозы и пути для снижения органной токсичности.

Аббревиатуры

ALT

Аланинаминотрансфераза

AST

Аспартатаминотрансфераза

ALP

Щелочная фосфатаза

Bio-CuNP

Биогенные медные наночастицы

Bio-ZnONP

Биогенные оксид цинка наночастицы

IC₅₀

Ингибирующая концентрация 50%

NOAEC

Концентрация без наблюдаемого неблагоприятного эффекта

TLC

Общая летальная концентрация

i/p

Внутрибрюшинный путь

i/v

Внутривенный путь