Структурні зміни печінки, нирок та селезінки щурів при дії наночастинок діоксиду кремнію та ацетату свинцю

Куліцька М.І.,

Бандас І. А., Куліцька М. І., Корда М.М.

Резюме. У статті представлено результати морфологічних змін печінки, нирок і селезінки щурів при дії наночастинок діоксиду кремнію та ацетату свинцю. Встановлено, що поєднаний вплив нано-SiO., з ацетатом свинцю спричиняє виражені дистрофічно-некротичні зміни в гепатоцитах, гіперплазію та гіпертрофію зірчастих ретикулоендотеліоцитів, токсичне ураження нефротелію капсули та вивідних канальців нирок, гіпоплазію білої пульпи селезінки, каріорексис та апоптоз клітин червоної пульпи. При введенні тваринам розчину ацетату свинцю морфологічні зміни досліджуваних тканин були виражені значно менше, ніж при спільному застосуванні нано-SiO., і ацетату свинцю, а при введенні щурам тільки нано-SiO., кремнію структурні зміни у внутрішніх органах були незначними. Зроблено висновок, що наночастинки діоксиду кремнію посилюють гепато-, нефро- і спленотоксичні ефекти ацетату свинцю.

Ключові слова: наночастинки, діоксид кремнію, свинець, морфологія, печінка, нирки, селезінка. печінка селезінка гіперплазія

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕЧЕНИ, ПОЧЕК И СЕЛЕЗЕНКИ КРЫС ПРИ ДЕЙСТВИИ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ И АЦЕТАТА СВИНЦА Бандас И.А., Кулицкая М.И., Корда М.М.

Гістологічне дослідження печінки експериментальної групи тварин, яким щоденно внутрішньошлунково вводили колоїдний розчин наночастинок SiO2, встановило незначні порушення, які проявлялись нерівномірним кровонаповненням центральних вен та синусоїдів і дрібновогнищевою ретикулоендотеліальною інфільтрацією.

Помірно виражені розлади кровообігу розвивались також в кірковому і мозковому шарах нирок і проявлялись поодинокими стазами або спазмами в судинах артеріального русла. Деякі клубочки кіркового шару мали знижене кровонаповнення або були ішемізованими, в просвітах судин візуалізувались дещо гіпертрофовані ендотеліоцити. Базальні мембрани канальців не пошкоджувались, в інтерстиційній тканині розвивався помірний набряк.

В білій пульпі селезінки спостерігалась незначна гіперплазія лімфоїдних фолікулів, яка проявлялась розширенням реактивних центрів за рахунок гіперплазії бластних клітин у центрах розмноження. Гіперплазія червоної пульпи відбувалась переважно за рахунок збільшення кількості сидеробластів та сидерофагів.

У тварин 3-ї дослідної групи (ураження ацетатом свинцю) виявлено виражені структурні зміни досліджуваних органів. В печінці порушувалась часточкова будова та балкова організація гепатоцитів, спостерігалися явища дистрофії, які поєднувались із вогнищевими некротичними змінами.

Гістологічне дослідження нирок встановило збільшення та повнокров'я клубочків, нерівномірне повнокров'я судин мозкового шару із дрібними пе- риваскулярними крововиливами. Переважна більшість вивідних канальців розширювалась, в їх просвітах спостерігалися гіаліноподібні, оптично щільні включення. В епітеліоцитах також наростали дистрофічно-некротичні зміни.

Рис. 1. Структура печінки тварини через 21 добу після введення наноЮ 2 з ацетатом свинцю. (Виражені дистрофічно-некротичні зміни в гепатоцитах). Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 200.

В білій пульпі селезінки спостерігалось різке зменшення розмірів фолікулів. Кількість ретикулярних клітин гермінативних центрів периартеріальної ділянки зменшувалась, проте спостерігалась дріб- новогнищева гіперплазія Т-лімфоцитів. Клітинний склад пульпи поповнювався макрофагами з фагоцитованими лімфоцитами або їх фрагментами у вигляді хромофільних тілець та детритних клітин, які виявлялись переважно в мантійних зонах. В ретикулярній тканині червоної пульпи з'являлись сидерофаги.

Гістологічне дослідження печінки тварин 4-ї експериментальної групи встановило, що структура печінкової часточки суттєво пошкоджувалась. Центральні вени та синусоїди розширювались, в розширених синусоїдальних капілярах візуалізувались вогнищеві скупчення зірчастих ретикулоендотеліоцитів (рис. 1). Балкова організація клітин порушувалась. Переважна більшість гепатоцитів різко змінювалась: міжклітинні зв'язки пошкоджувались, цитоплазма переважної більшості гепатоцитів різко просвітлювалась, містила різного розміру вакуолеподібні та зернисті включення (рис. 1). Лише в окремих клітин ядра залишались округлими з чіткими контурами, в переважної більшості клітин вони просвітлювались, зморщувались або зникали (рис. 2). Просвіти портальних трактів помірно розширювались, в основному за рахунок повнокров'я судин та вогнищевої периваскулярної лімфо- та гістіоцитарної інфільтрації.

При гістологічному дослідженні нирок тварин 4-ї групи встановлено виражене нерівномірне повнокров'я судин переважно венозного русла. В кірковому шарі розміри нефронів зростали за рахунок збільшення судинного клубочка, просвіту капсули і появи серозного ексудату (рис. 3). Артеріоли клубочка залишались розширеними і малокровними. Частина ендотеліоцитів зазнавала дистрофічно-некротичних змін, частина - мала виражені гіпертрофовані ядра. В нефроцитах зовнішнього листка капсули розвивались дистрофічні та вогнищеві некротичні зміни.

Рис. 2. Структура печінки тварини через 21 добу після введення наноЮ 2 з ацетатом свинцю. (Дистрофічно- некротичні зміни в гепатоцитах, гіперплазія та гіпертрофія зірчастих ретикулоендотеліоцитів). Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 200.

Рис. 4. Структура мозкового шару нирки через 21 добу після введення нано-SiOg з ацетатом свинцю. (Переважання гідропічної дистрофії' епітеліоцитів, ектопія ядер клітин, вогнищеве пошкодження базальних мембран).

Переважна більшість вивідних канальців розширювались, в їх просвітах візуалізувались гіаліноподібні, оптично щільні різнокаліберні тільця. В епітеліоцитах проксимальних канальців розвивалась гіаліново-крапельна дистрофія з розвитком некрозів клітин та злущенням їх у просвіти. В епітеліоцитах дистальних канальців найчастіше виявлялась гідропічна білкова дистрофія, яка супроводжувалась ектопією ядер та вогнищевими некрозами. Місцями спостерігалось пошкодження базальних мембран канальців (рис. 3, 4). В інтерстиційній тканині розвивався помірний набряк та вогнищева лімфо- та гістіоцитарна інфільтрація. Всі зазначені зміни відображають ішемію мембран клітин нефронів, яка трансформується в незворотні некробіотичні зміни в клубочках і канальцях.

Рис. 5. Структура білої' пульпи селезінки тварини через 21 добу після введення нано^Ю 2 з ацетатом свинцю. (Різке зменшення розмірів фолікулів, стертість їх структури, зменшення кількості проліферуючих В-лімфобластів в центрах розмноження). Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 100.

Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 200.

Гістологічне дослідження селезінки щурів, яким вводили наночастинки SiO2 разом з ацетатом свинцю, встановило виснаження лімфоїдної тканини з різким прогресуванням атрофії переважно білої пульпи. Візуально площа лімфоїдних фолікулів та розміри їх центрів розмноження різко зменшувались, межі між фолікулами ставали стертими, диференціація на зони не прослідковувалась (рис. 5). Периартеріальні ділянки "оголювались" внаслідок зменшення кількості В-лімфоцитів. Спостерігалось зменшення кількості проліферуючих В-лімфобластів, а в місцях їх незначного скупчення збільшувались явища каріорексису та апоптозу.

Ретикулярні волокна червоної пульпи потовщувались, ставали більш звивистими. Синуси розширювались, проте були малокровними. Кількість макрофагів та лімфоцитів в пульпі частково зменшувалась, а число зернистих лейкоцитів та тучних клітин та плазмоцитів зростало. В ядрах клітин спостерігались явища каріорексису та апоптозу. З'являлись поодинокі гігантські багатоядерні клітини - мегакаріоцити. Також спостерігалось різке збільшення кількості залізовмісного пігменту, що відображає процес загибелі еритроцитів. Поряд з цим виявлялось формування дифузних дрібновогнищевих скупчень лімфоцитів серед червоної пульпи по ходу судин (рис. 6, 7).

Отже, при поєднаному впливі нано-SiO., та ацетату свинцю структурні зміни в печінці, нирках та селезінці піддослідних тварин були набагато вираженішими, ніж при введенні окремо наночастинок діоксиду кремнію чи розчину ацетату свинцю.

Рис. 6. Структура червоної пульпи селезінки через 21 добу після введення нано^Ю 2 з ацетатом свинцю. (Дрібновогнищеві скупчення лімфоцитів серед червоної пульпи по ходу судин, поодинокі мегакаріоцити, зростання кількості лейкоцитів та тучних клітин, збільшення залізовмісного пігменту, дрібновогнищеве скупчення лімфоцитів). Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 200.

Можливі різні механізми токсичного впливу ксенобіотиків на внутрішні органи. Наприклад, в патогенезі токсичного пошкодження тканин важливе значення може мати безпосередня дія не знешкодженої хімічної речовини на клітини, зокрема на перебіг ферментативних процесів в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів чи нефроцитів.

В процесі метаболізму токсиканта також можуть утворюватися вільні радикали, які індукують пероксидне окиснення мікросомальних ліпідів. Вільні радикали можуть змінювати властивості мембранних рецепторів та зв'язаних з ними ферментів, призводити до руйнування мембран лізосом з виходом в цитоплазму гідролітичних ферментів, призводити до формування хіноїдних радикалів, що в подальшому викликає розвиток дистрофії і призводить до загибелі клітин.

Вогнищеві розлади кровообігу, які мали місце в паренхіматозних структурах, здатні спричиняти гіпоксію та енергетичний дефіцит, що також посилює активацію вільнорадикальних процесів. Окрім того, посилення ліполізу, внаслідок виходу гідролітичних ферментів з лізосом, та накопичення в клітинах жирних кислот сприяє їх пероксидному окисненню та нагромадженню активних ліпідних радикалів, які в поєднанні із радикалами кисню призводять до розпаду внутрішньоклітинних мембран, в тому числі мембран мітохондрій. Деструкція мітохондріальних мембран в свою чергу посилює порушення біологічного окиснення та енергозабезпеченості клітини, що відображається на їх структурі.

Велике значення в механізмі розвитку токсичного гепатиту має пошкодження ксенобіотиками мембран мононуклеарних фагоцитів (клітин Купфера), які регулюють проліферацію гепатоцитів, секретують простагландин Е 2, який має цитопротективну дію, а також широкий спектр біологічно активних речовин, глікопротеїнів, інтерлейкінів, інтерферонів, цитокінів.

При дії важких металів, особливо свинцю, патогенез токсичного гепатиту зумовлений блокадою сульфгідрильних груп ферментів різних видів обміну, а також виснаженням пулу глутатіону (в результаті його окиснення та утворення кон'югатів).

Зміни в лімфоїдній тканині, які ми спостерігали в селезінці, можна розцінювати як прояви апоптозу після виснаження цитокінів, і в даному випадку як спосіб видалення пошкоджених токсинами клітин, про що свідчить посилення фагоцитозу та збільшення кількості макрофагів.

Рис. 7. Структура червоної' пульпи селезінки через 21 добу після введення нано^Ю 2 з ацетатом свинцю. (Каріорексис та апоптоз, зменшення кількості макрофагів, розширення венозних синусів, набряк строми).

Забарвлення гематоксиліном та еозином. Ч 200.

Синергізм токсичних ефектів наночастинок SiO2 і ацетату свинцю в плані індукції морфологічних змін в печінці, нирках і селезінці можна пояснити посиленням біодоступності іонів свинцю внаслідок полегшення їх транспорту через біологічні бар'єри в зв'язаній з наночастинками формі. Можлива також сумація токсичних ефектів наночастинок і свинцю на біологічні внутрішньоклітинні об'єкти. Відомо, що наночастинки SiO2 проникають в клітини і можуть взаємодіяти з білками, ДНК, РНК, викликаючи таким чином зміни активності внутрішньоклітинних ферментів, в тому числі і ферментів, що відповідають за знешкодження ксенобіотиків чи ферментів антиоксидної системи. Все це неминуче вплине на вираженість токсичних ефектів хімічних токсикантів на клітини і тканини.

Висновки

1. Введення білим щурам наночастинок SiO2 разом з ацетатом свинцю спричиняє виражені структурні зміни в тканинах печінки, нирок і селезінки (викликає дистрофічно-некротичні зміни в гепатоцитах, ураження судинного компоненту клубочкового апарату нирки, токсичне ураження не- фротелію капсули та вивідних канальців, призводить до гіпоплазії білої пульпи селезінки із зменшенням Т-лімфоцитарної зони, каріорексис та апоптоз клітин червоної пульпи).

2. Наночастинки діоксиду кремнію посилюють токсичний ефект свинцю на внутрішні органи.

Перспективи подальших досліджень. У подальшому для повної оцінки впливу штучних наночастинок і наноматеріалів на токсичну дію хімічних речовин необхідно дослідити ефекти наноматеріа- лів різної природи, зокрема, карбонових наночастинок, наночастинок оксидів металів тощо. У результаті можливе встановлення діючих доз наночастинок і наноматеріалів, що надають значиме посилення токсичності хімічних речовин та виявлення можливих синергічних/антагоністичних відносин наноматеріалів і традиційних токсикантів, що є основою для розробки сценаріїв оцінки інтегрального ризику для здоров'я населення.

1. Бандас І.А. Вплив наночастинок діоксиду кремнію на гепатотоксичність свинцю / І.А. Бандас, М.І. Куліцька, М.М. Корда // Мед. та клініч. хімія. - 2016. - Т 18, № 2 (67). - С. 17-21.

2. Застосування нанoчастинок у біомедицині / П.Г Телегєєва, Д.С. Єфременко, ГД. Телегєєв, С.С. Малюта // Biotechnologia acta. - 2013. - Т 6, № 2. - С. 21-32.

3. Клестова З.С. Нанотехнології та біоризики (огляд літератури) / З.С. Клестова, А.М. Головко // Наук.-техн. бюл. Ін-ту біології тварин і Держ. наук.-дослід. контрол. ін-ту ветпрепаратів та кормових добавок. - 2014. - Вип. 15, № 2-2. - С. 329-339.

4. Методики морфологічних досліджень: монографія / Багрій М.М., Діброва В.А., Попадинець О.Г, Грищук І.М.; за ред. М.М. Багрія, В.А. Діброви. - Вінниця: Нова книга, 2016. - 328 с.

5. Наночастинки: важливість сьогодні, класифікація, використання в медицині, токсичність / І.А. Бандас, І.Я. Криницька, М.І. Куліцька, М.М. Корда // Мед. та клініч. хімія. - 2015. - Т 17, № 3 (64). - С. 123-129.

6. Науково-практичні рекомендації з утримання лабораторних тварин та роботи з ними / Ю.М. Кожем'якін, О.С. Хромов, М.А. Філоненко, ГА. Сайфетдінова - К.: Авіцена, 2002. - 156 с.

7. Порядок и методы оценки воздействия искусственных наночастиц и наноматериалов на токсическое действие химических веществ: методические рекомендации. МР 1.2.0054-11 / ГГ Онищенко, В.А. Тутельян, И.В. Гмошинский [и др.]. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011. - 39 с.

8. Свинець - небезпечний полютант. Проблема стара і нова / І.М. Трахтенберг, Н.М. Дмитруха, С.П. Луговський [та ін.] // Сучасні проблеми токсикології, харчової та хімічної безпеки. - 2015. - № 3 (71). - С. 14-24.

9. Чекман І.С. Наногенотоксикологія: вплив наночастинок на клітину / І.С. Чекман, М.О. Говоруха, А.М. Дорошенко // Укр. мед. часоп. - 2011. - № 1 (81), I/II. - С. 30-35.

10. Enhanced bioaccumulation of cadmium in carp in the presence of titanium dioxide nanoparticles / X. Zhang, H. Sun, Z. Zhang, [et al.] // Chemosphere. - 2007. - 67, № 1. - P. 160-166.

11. European convention for the protection of vertebrate animals used for experimental and other scientific purposes. - Council of Europe, Strasbourg, 1986. - 56 p.

12. Influence of titanium dioxide nanoparticles on speciation and bioavailability of arsenite / H. Sun, X. Zhang, Z. Zhang, [et al.] // Environ. Pollut. - 2009. - 157, № 4. - P 1165-1170.

13. Mesoporous silica nanoparticles in nanotechnology / D. Douroumis, I. Onyesom, M. Maniruzzaman, J. Mitchell // Crit. Rev. Biotechnol. - 2013. - 33 (3). - Р 229-245. [PubMed]

14. Silica and titanium dioxide nanoparticles cause pregnancy complications in mice [Text] / K. Yamashita, Y Yoshioka, K. Higashisaka [et al.] // Nature Nanotechnology. - 2011. - 6. - P 321-328.

15. Yang X. SiO2 nanoparticles induce cytotoxicity and protein expression alteration in HaCaT cells / X. Yang, J. Liu, H. He // Part Fibre Toxicol. - 2010. - 7, № 1. - P 1-10.

16. Ying Zhu The biocompatibility of nanodiamonds and their application in drug delivery systems / Ying Zhu // The 7th International Nanotoxicology Congress "NanoTox2014": materials of the conference. - Antalya, Turkey, 2014. - P 256.

Размещено на Allbest.ru