Нийгмийн эрүүл мэндийн үндэсний төв
Өгүүллийн PDF-ийг татах
Үндэслэл
Нано шинжлэх ухаан нь сүүлийн хорин жилийн турш эрчимтэй хөгжиж байгаа байгаа шинэ салбар юм. Одоогоор наноматериалыг электроникийн салбар болон спортын тоног төхөөрөмж, гоо сайхны бүтээгдэхүүн, хүнсний будаг, эмийн бодисын үйлдвэрлэлд өргөнөөр хэрэглэж байна. Нано анагаах ухаан нь нано ширхэглэлийн шинж чанарт үндэслэсэн шинжлэх ухааны шинэ салбар юм. Нано хэмжээс нь эсийг сэргээж шинэчлэхэд, ашиглагдах бөгөөд эрхтнүүдийг холбож, тэдгээрийн хурдан илаарших, эдгэрэх үйл ажиллагаанд оролцдог бөгөөд полимер болон уураг агуулсан том гадаргуу бүхий талбайг эзэлж, энэ нь эсийн үржлийг дэмждэг [1-3]. Эдгээр шинжийг нь анагаах ухааны салбарт шарх анагаах, яс орлуулах, эпитель суулгах болон эмийг зөөвөрлөх зэрэгт ашигладаг байна. Эрүүл мэндийн салбарт нано материалын хэрэглээ нэмэгдэхтэй холбогдон түүний аюулгүй байдал, өртөлтийн эрсдлийг судлах шаардлага зүй ёсоор тавигдаж байна.
Нано материал болон биологийн тогтолцооны харилцан хамаарлыг амьд бие дээр in vivo орчинд туршсан тохиолдлууд маш цөөн, харин хуруу шилний in vitro туршилтууд ихээр хийгдэж байна. Эрдэмтдийн тогтоосноор эсэд үзүүлэх хоруу чанарын шинжилгээний аргачлал болон бусад аргуудын тусламжтайгаар нано хэмжээст материалын эрсдлийн үнэлгээг лабораторийн түвшинд тогтоох боломжтой юм.Нано материалын хүрээлэн буй орчин болон хүний бие махбодод учруулах эрсдлийн талаарх судалгааны материал хомс байгаа бөгөөд Америкийн эрдэмтэнVicki Colvin нано хэсгийг бvрдvvлэгч фуллерен (Fullerene) гэж нэрлэгддэг бөмбөлөг хэлбэрт молекул нь хvрээлэн буй орчинд хор хөнөөл учруулж, тэр ч бvv хэл өвчин vvсгэх чадвартай болохыг тогтоосон байна [4].
Хорон чанарын механизм
Хэд хэдэн механизмаар дамжин нано хэмжээс нь хүний бие махбодод нэвтрэх боловч голцуу эсийн түвшинд идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикал(ROS)-д холбогдон ордог байна [5-8].Фентоны урвалын дагуу буюу H2O2- оос OH, OOH бүлэг болон хүчилтөрөгчийн радикал задрах урвалын явцад нанохэмжээс дамжиж болно. Цаашилбал зарим идэвхгүй наноматериал нь аяндаа идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикалыг нийлэгжүүлдэггүй ч биологийн хүчин зүйлийн дор нанохэмжээс нь тухайн бай митохондортоо хүрч үйлчилдэг байна. Идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикалнь физиологийн хувьд чухал шаардлагатай зүйл боловч хор хөнөөл учруулах эрсдэлтэй байдаг.
Дунд зэргийн түвшний идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикал нь эсийн түвшинд генетик материалын шилжилт, уургийн нийлэгжилт зэрэгт үүрэг үзүүлдэг [9]. Өндөр идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикал нь эсийн липидийн исэл, бүтэц нь алдагдсан уураг [10], ДНХ-ийн гэмтэл зэргийг үүсгэх бөгөөд энэ нь хавдар, бөөр, мэдрэл, зүрх судас болон уушгины өвчний шалтгаан болдог.
Мөн идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикалнь бие махбодын бүтцэд өөрчлөлт оруулж, эсийг мөхөлд хүргэдэг [11]. Тухайлбал: Титаны оксидын нано хэмжээс нь хүний эндотель эсийг өдөөх үйлчилгээ үзүүлдэг бол нүүрсний нано хэмжээс нь харханд уушгины үрэвсэл болон загасанд тархины хүчилтөрөгчийн дутагдалд хүргэх зэрэг сөрөг талтай [12,13]. Идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикалын хорон чанар нь төв мэдрэлийн тогтолцоонд илүүтэй нөлөөлдөгийн гол шалтгаан нь найрлагандаа ханаагүй өөхний хүчил агуулдагт байдаг байна [17]. Идэвхтэй хүчилтөрөгчийн радикал нь тархины судасны хатуурал, цусны даралт ихсэлтэнд сөргөөр нөлөөлдөг [18] бөгөөд ДНХ-ийг гэмтээснээр мэдрэлийн булчингийн сулрал, нүдний торлог бүрхэвч үрэвсэх, митохондр энцефалофати, сүүний хүчлийн дутал, харвалт, зүрхний өвчин болон бусад төрлийн гэмтэл болон тархи нугасны шингэний дутагдал зэрэг клиник шинж тэмдгүүд илэрдэг [19].
Нано материалын хорон чанарыг тогтоох шинжилгээний аргууд
In vitro болон in vivo туршилт
In vitro арга нь амьтан дээр туршилт хийхээс зайлсхийсэн, хямд өртөгтэй бөгөөд нано хорон чанарыг тодорхойлох судалгааны үндсэн арга юм [20].Уг арга нь шинээр гарган авч байгаа нано хэмжээсийн биологийн идэвхийг үнэлэхэд чухал үүрэгтэй. Мөн тухайн эсийн хоруу чанар, мөхлийн шалтгааныг тодорхойлох боломжтой юм.Хорон чанарыг in vitro аргаар үнэлэх нь богино хугацааны түргэвчилсэн арга боловч энэ нь урт хугацааны физиологийн үр дүнгийн хэтийн таамаглалыг тодорхойлох боломжгүй байдаг.
In vivo аргад амьтдыг хэрэглэдэг бөгөөд энэ нь тухайн бодисын хүний биед нэвчин орох зам, тархалт, бодисын солилцоо болон биеэс ялгарах зам зэргийг тодорхойлоход чухал ач холбогдолтой боловч цаг их зарцуулдаг, өртөг үнэтэй болон амьтны ёс зүйг хөндсөн зэрэг сул талтай юм. Хэдий тийм ч энэ аргын үр дүнд ямар замаар нано материал нь хүний бие махбодод орж хавдар, амьсгалын зам, арьс салст болон ходоод гэдсэнд хорон чанар үзүүлж байгааг нь нарийвчлан тодорхойлох боломжтой юм [21]. Орчин үед нано материалын хэрэглээ өргөн нэвтрэх болсон учир тэдгэрийн эрүүл аюулгүй байдал, түүнчлэн биологийн системд хэрхэн тархдаг талаарх мэдээллэл зайлшгүй шаардлагатай байна.
Нано хэмжээсийн физик, химийн шинж чанар хорон чанарт нөлөөлөх нь
Наноматериалын хорон чанарыг тодорхойлоход нано хэмжээс, гадаргуугийн химийн найрлага, хэлбэр, уургийн нэвчилт болон гадаргуугийн тэгш болон тэгш биш байдал зэрэг нь чухал үүрэгтэй.
Хэмжээний нөлөөлөл: Нано хэмжээс багасахад гадаргуугийн хэмжээ төдий чинээгээр ихэсдэг байна. Тиймээс нано материалын гадаргуу нь түүний хэмжээ багасах, найрлага болон химийн урвалын идэвх зэргээс ихээхэн хамаардаг байна.Нано хэмжээс нь физиологийн хариу үйлдэл, тархалт болон ялгаралтанд ихээхэн нөлөө үзүүлдэг [22, 23]. In vitro судалгаагаар янз бүрийн нано хэмжээсийг янз бүрийн эсэд, ижил нөхцөл болон ижил цагаар үйлчлэхэд хорон чанар нь ялгаатай гарсан байна [24-28]. In vitro аргаар нано хэмжээсийг тодорхойлох үед түүний хорон чанарын талаар мэдээлэл хангалттай авч чадахгүй байдаг бол in vivo аргаар тухайн нано хэмжээсийн хорон чанар болон токсико кинетикийн талаарх бүрэн ойлголт авах боломжтой юм [29-32].Амьсгалын зам нь хүний биед нано хэмжээс нэвтрэн орох гол зам бөгөөд in vivo аргаар нано хэмжээсийн эрт үеийн хорон чанарыг тодорхойлж болно. Үүнээс үзэхэд нанохэмжээс багасах тусам уушгины цулцанд очих боломжтой болох бөгөөд илүү хорон чанар үзүүлдэг байна.Тухайлбал: Титанийн исэлийн нано хэмжээс 25нм үед хүний уушгины эсэд үйлчилдэг бол 250нм болон түүнээс дээш үед үрэвсүүлэх үйлчилгээ үзүүлнэ.Мөн зэсийн нано хэмжээс 17 нм үед хүний биед хорон чанартай бол 23,5 нм буюу түүнээс дээш хэмжээтэй нөхцөлд хүний биед хорон чанар үзүүлдэггүй байна.
Нано хэмжээсийн хэлбэрийн нөлөөлөл:
Нано хэмжээсийн хэлбэр нь хорон чанарыг тодорхойлох хоёр дахь гол хүчин зүйл юм. Наноматериал нь ширхэглэг, бөмбөрцөг, хоолой, цагираг болон хавтгай зэрэг олон төрлийн хэлбэртэй байдаг. Ихэнх нано хэмжээсийн хэлбэр дүрснээс хамаарсан хорон чанарын талаарх судалгааг in vitro аргаар гүйцэтгэсэн байдаг. In vivo аргаар эндецитоз болон фагоцитозын явцад мембранд тухайн хэлбэр дүрс нь хэрхэн нөлөөлж байгааг судалдаг [33-38]. Жишээлбэл: Бөмбөрцөг хэлбэртэй нано хэмжээс нь ширхэглэг болон бусад хэлбэрүүдийг бодвол эндоцитозод илүү амар, хялбар нэвчдэг байна.
Урт хэмжээстэй ширхэглэг хэлбэртэй нано хэмжээсүүджишээлбэл нүүрсний нано хэмжээс нь мизотель болон эндотель эсийг гэмтээдэг зэрэг сөрөг үр дагавартай байдаг.Хэлбэрээс хамааралтай хорон чанарын судалгаанууд голцуу алт болон титан наноматериал дээр хийгддэг. Саваа хэлбэртэй, 74x14 нм алтны нано хэмжээс нь цагираг хэлбэртэй мөн ижил хэмжээтэй алтнаас хорон чанар бага байдаг байна.
Гадаргуугийн цэнэгийн нөлөөлөл:
Гадаргуугийн цэнэг нь хорон чанарыг илтгэх нэг үзүүлэлт бөгөөд энэ нь тухайн ион болон биомолекулын нэвчилтэнд нөлөөлдөг байна. Ерөнхийдөө хасах цэнэгтэй катион гадаргуу нь нэмэх цэнэгтэй анион гадаргууг бодоход илүү хорон чанартай гэж үздэг [39-43]. Нано хэмжээсийн гадаргуугийн цэнэг нь тархи- нугасны хоригийг нэвтрэхэд мөн сөргөөр нөлөөлдөг [44].
Жишээлбэл: Өндөр концентрацитай анион болон катион нано хэмжээс нь тархи-нугасны хоригийг давахад саад учруулдаг байна.Мөн сөрөг цэнэгтэй 50 болон 500 нм хэмжээтэй нано хэмжээс нь арьсыг нэвтэрдэг бол эерэг болон цэнэггүй бөөм нь ямар ч хэмжээстэй байсан нэвтэрч чаддаггүй байна [45-47].
Найрлагын нөлөөлөл:Зарим судлаачдын үзэж байгаагаар наномөнгө, нанозэс болон металлын уусдаг нэгдлүүд нь бие махбодод хоруу чанар үзүүлдэг гэж үзсэн байна. Ихэнх нано хэмжээсүүд нь химийн найрлага, гадаргуугийн цэнэг, хэмжээ, хэлбэр зэрэг хавсарсан олон хүчин зүйлсээс шалтгаалан хорон чанар үүсгэдэг байна.
Гадаргуугийн нөлөөлөл: Гадаргуугийн нөлөөлөл нь гадаргуугийн цэнэг эсвэл гадаргуугийн найрлагыг тодорхойлох боломжийг олгодог. Гадаргуугийн бөөгнөрөл болон бүтэц нь in vivo туршилтанд нүүрсний нано хоолойн хорон чанарыг багасгаж байгааг тогтоосон байна [48]. Ихэнх судалгаагаар гадаргуугийн нөлөө нь нано хэмжээсийн хорон чанар, хуримтлал, тархалт, шингэлтэнд нөлөөлдөг болохыг тогтоосон байна.
Гадаргуугийн тэгш бус байдлын нөлөөлөл:
Наноматериалын гадаргуугийн физикийн үзүүлэлтүүд нь эсэд үзүүлэх нөлөөллийн үр дагаврыг тодорхойлох гол хүчин зүйл болдог.
2. Falck, G. C., Lindberg, H. K., Suhonen, S., Vippola, M., Vanhala, E., Catalan, J.,Savolainen, K., and Norppa, H. 2009. Genotoxic effects of nanosized and fine TiO2. Hum. Exp. Toxicol. 28: 52-339.
3. Braydich-Stolle, L., Hussain, S., Schlager, J. J., and Hofmann, M. C. 2005. In vitro cytotoxicity of nanoparticles in mammalian germline stem cells. Toxicol. Sci. 88: 19-412.
4. Lewicka, Zuzanna; Yu, Colvin, Vicki.2013., behavior of nanoscale TiO2 and ZnO sunscreen ingredients. J Photochemistry and Photobiology A-Chemistry, 263: 24-33
5. Driscoll, K. E., Costa, D. L., Hatch, Schlesinger, R. B. 2000. Intratracheal instillation as an exposure technique for the evaluation of respiratory tract toxicity: Uses and limitations. Toxicol. Sci. 55: 24– 35.
6. Asharani, P. V., Low KahMun, G., Hande, M. P.,S. 2009. Cytotoxicity andgenotoxicity of silver nanoparticles in humancells. ACS Nano 3: 90-279.
7. Campolongo, M. J., Tan, S. J., Xu, J., and Luo,D. 2010. DNA nanomedicine: EngineeringDNA as a polymer for therapeutic and diagnosticapplications. Adv. Drug Deliv. Rev. 62:16-606.
8. Barnes, C. A., Elsaesser, A., Arkusz, J., Smok, A.,Palus, J., Lesniak, 2008. Reproducible comet assay of amorphous silicananoparticles detects no genotoxicity. Nano Lett. 8: 74-3069.
9. Hardman, R. 2006. A toxicologic review of quantum dots: toxicity depends on physicochemical and environmental factors. Environ. Health Perspect. 114: 72-165.
10. Heinrich, U. F. R., Rittinghausen, S., Creutzenberg, O., Bellmann, B., Koch, W., and Levsen, K. 1995. Chronic inhalation exposure of Wistar rats and two different strains of mice to diesel engine exhaust, carbon black, and titanium dioxide. Inhal. Toxicol. 7: 56-533.
11. Patton, J. S., and Byron, P. R. 2007. Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs. Nat. Rev. Drug Discov. 6: 67–74.
12. Schulz, J., Hohenberg, H., Pflucker, F., Gartner, E., Will, T., Pfeiffer, S., Wepf, R., Wendel, V., Gers-Barlag, H., and Wittern, K. P. 2002. Distribution of sunscreens on skin. Adv. Drug Deliv. Rev. 54(suppl. 1): 157–163.
13. Bhattacharya, K., Davoren, M., Boertz, J.,Schins, R. P., Hoffmann, E., and Dopp,E. 2009. Titanium dioxide nanoparticlesinduce oxidative stress and DNA-adduct formationbut not DNA-breakage in humanlung cells. Part. FibreToxicol. 6: 17.
14. Shimizu, M., Tainaka, H., Oba, T., Mizuo, K., Umezawa, M., and Takeda, K. 2009. Maternal exposure to nanoparticulate titanium dioxide during the prenatal period alters gene expression related to brain development in the mouse. Part. FibreToxicol. 6: 20.
15. Casey, A., Herzog, E., Lyng, F. M., Byrne,H. J., Chambers, G., and Davoren, M. 2008.Single walled carbon nanotubes induceindirect cytotoxicity by medium depletionin A549 lung cells. Toxicol. Lett. 179:78–84.
16. Wiench, K., Wohlleben, W., Hisgen, V., Radke, K., Salinas, E., Zok, S., and Landsiedel, R. 2009. Acute and chronic effects of nano- and non-nano-scale TiO(2) and ZnO particles on mobility and reproduction of the freshwater invertebrate Daphnia magna. Chemosphere 76: 65- 1356.
17. Chen, X., and Schluesener, H. J. 2008. Nanosilver: A nanoproduct in medical application.Toxicol. Lett. 176: 1–12.
18. Chen, Y. S., Hung, Y. C., Liau, I., and Huang,G. S. 2009. Assessment of the in vivo toxicityof gold nanoparticles. Nanoscale Res. Lett.4: 64-858.
19. Cheung, W., Pontoriero, F., Taratula, O., Chen,A. M., and He, H. 2010. DNA and carbonnanotubes as medicine. Adv. Drug Deliv. Rev.62: 49-633.
20. De Nicola, M., Nuccitelli, S., Gattia, D. M.,Traversa, E., Magrini, A., Bergamaschi, A.,andGhibelli, L. 2009. Effects of carbon nanotubeson human monocytes. Ann. NY Acad.Sci. 1171: 5-600.
21. Fenske, D. B., MacLachlan, I., and Cullis, P. R.2001. Long-circulating vectors for the systemicdelivery of genes. Curr. Opin. Mol. Ther. 3: 58-153.
22. Firme, C. P. 3rd, and Bandaru, P. R.2010. Toxicity issues in the application ofcarbon nanotubes to biological systems. Nanomedicine6: 56-245.
23. Gulumian, M., and Vallyathan, V. 2010. Nanoparticles and potential human healthimplications: Past and future directions.Preface. J. Toxicol. Environ. Health A73:40-339.
24. Hillyer, J. F., and Albrecht, R. M. 2001. Gastrointestinal persorption and tissue distributionof differently sized colloidal goldnanoparticles. J. Pharm. Sci. 90: 36-1927.
25. Jacobsen, N. R., Pojana, G., H. 2008. Genotoxicity, cytotoxicity, and reactive oxygenspecies induced by single-walled carbonnanotubes and C(60) fullerenes in the FE1-MutatrademarkMouse lung epithelial cells.Environ. Mol. Mutagen. 49: 87-476.
26. Jani, P., Halbert, G. W., Langridge, J., andFlorence, A. T. 1990. Nanoparticle uptake bythe rat gastrointestinal mucosa: Quantitationand particle size dependency. J. Pharm.Pharmacol. 42: 26-821.
27. Tsuji, J. S., Maynard, A. D., A. B. 2006. Research strategies for safety evaluation of nanomaterials, part IV: risk assessment of nanoparticles. Toxicol. Sci. 89: 42–50.
28. Jin, Y., Kannan, S., Wu, M., and Zhao, J. X.2007. Toxicity of luminescent silica nanoparticlesto living cells. Chem. Res. Toxicol. 20:33-1126.
29. Kolosnjaj, J., Szwarc, H., and Moussa, F. 2007.Toxicity studies of fullerenes and derivatives.Adv. Exp. Med. Biol. 620: 80- 168.
30. Zhao, J., Bowman, L., Zhang, X., Vallyathan, V., Young, S. H., Castranova, V., and Ding, M. 2009a. Titanium dioxide (TiO2) nanoparticles induce JB6 cell apoptosis through activation of the caspase-8/Bid and mitochondrial pathways. J. Toxicol. Environ. Health A 72: 49-1141.
31. Landsiedel, R., Kapp, M. D., Schulz,M., Wiench, K., and Oesch, F. 2009.Genotoxicity investigations on nanomaterials:Methods, preparation andcharacterization of test material, potentialartifacts and limitations— Many questions,some answers. Mutat. Res. 681: 58-241.
32. Lee, K. J., Nallathamby, and Xu, X. H. 2007. In vivoimaging of transport and biocompatibility ofsingle silver nanoparticles in early developmentof zebrafish embryos. ACS Nano 1:43-133.
33. Linkov, I., Satterstrom, F. K., and Corey, L. M.2008. Nanotoxicology and nanomedicine:making hard decisions. Nanomedicine4:71-167.
34. Shvedova, A. A., Fabisiak, J. P., 2008.Sequential exposure to carbon nanotubesand bacteria enhances pulmonary inflammationand infectivity. Am. J. Respir. Cell Mol.Biol. 38: 90-579.
35. Ho,D.,Garcia,D.,and Ho, C. M. 2006. Nanomanufacturing and characterization modalities for bio-nano-informatics systems. J. Nanosci. Nanotechnol. 6: 91-875.
36. Hoet, P. H., Bruske-Hohlfeld, I., and Salata, O. V. 2004. Nanoparticles—Known and unknown health risks. J. Nanobiotechnol. 2: 12-35.
37. Teli, M. K., Mutalik, S., and Rajanikant, G. K.2010. Nanotechnology and nanomedicine:Going small means aiming big. Curr. Pharm.Des. 16: 92-1882.
38. Vermylen, J., Nemmar, A., Nemery, B., andHoylaerts, M. F. 2005. Ambient air pollutionand acute myocardial infarction. J. Thromb.Haemost. 3: 61-1955.
39. Videira, M. A., Gano, L., Santos, C., Neves, M.,and Almeida, A. J. 2006. Lymphatic uptakeof lipid nanoparticles following endotrachealadministration. J. Microencapsul. 23:62-855.
40. Wahab, R., Mishra, A., Yun, S. I., Kim, Y. S.,and Shin, H. S. 2010. Antibacterial activityof ZnO nanoparticles prepared via nonhydrolyticsolution route. Appl. Microbiol.Biotechnol. 87: 25-1917.
41. Yoshida, S., Hiyoshi, K., Oshio, S., Takano, H.,Takeda, K., and Ichinose, T. 2010. Effectsof fetal exposure to carbon nanoparticleson reproductive function in male offspring.Fertil. Steril. 93: 99-1695.
42. Lee, K. P., Trochimowicz, H. J., and Reinhardt, C. F. 1985. Pulmonary response of rats exposed to titanium dioxide (TiO2) by inhalation for two years. Toxicol. Appl. Pharmacol. 79: 92-179.
43. Zhu, X., Chang, Y., and Chen, Y. 2010. Toxicity and bioaccumulation of TiO2 nanoparticle aggregates in Daphnia magna. Chemosphere 78: 15-209.
44. LeGeros, R. Z. 1993. Biodegradation and bioresorption of calcium phosphate ceramics. Clin. Mater. 14: 65–88.
45. Yudoh, K., Karasawa, R., Masuko, K., andKato, T. 2009. Water-soluble fullerene(C60) inhibits the osteoclast differentiationand bone destruction in arthritis. Int. J.Nanomed. 4: 39-233.
46. Zhao, J., Shi, X., Castranova, V., and Ding,M. 2009. Occupational toxicology of nickeland nickel compounds. J. Environ. Pathol.Toxicol. Oncol. 28: 177–208.
47. Levi, N., Hantgan, R. R., Lively, M. O., Carroll, D. L., and Prasad, G. L. 2006. C60- fullerenes: Detection of intracellular photoluminescence and lack of cytotoxic effects. J. Nanobiotechnol. 4: 14-20.
48. Liang, F., and Chen, B. 2010. A review on biomedical applications of single-walled carbon nanotubes. Curr. Med. Chem. 17: 10–24.
