Роль наночастиц промышленных аэрозолей в формировании профессиональной бронхолёгочной патологии

Значительная распространённость промышленных аэрозолей с ненамеренными наночастицами, нарастающее применение инженерных наночастиц в современном производстве определяют актуальность исследований закономерностей взаимодействия с бронхолёгочной системой человека. Ненамеренные наночастицы образуются при различных производственных процессах: плавке и сварке металлов, горении, дроблении, шлифовке минералов, плазменной обработке материалов. Инженерные наночастицы выделяются в воздух рабочей зоны при их производстве или использовании в каких-либо технологических процессах. Система органов дыхания, как барьерный орган, наиболее уязвима к воздействию неблагоприятных факторов производственной среды. При этом наночастицы являются наименее изученным компонентом промышленных аэрозолей. С целью систематизировать данные о роли наночастиц в развитии профессиональной бронхолёгочной патологии выполнен обзор литературы.

Размер определяет особенности физических, химических и биологических свойств наночастиц. Они имеют высокие значения отношения площади поверхности к объёму, суммарной площади поверхности, что приводит к увеличению реактогенности и проникающей способности. Патогенные свойства наночастиц зависят от химического состава, формы, кривизны поверхности, структуры, заряда, массовой концентрации, суммарной площади поверхности частиц, времени воздействия. Многомерность гигиенических характеристик определяет сложность гигиенического нормирования и мониторинга наночастиц. До настоящего времени не установлены безопасные уровни воздействия.

При взаимодействии с клетками респираторного тракта наночастицы индуцируют следующие клеточно-молекулярные механизмы — оксидативный стресс, воспаление, нарушение эпителиального барьера, аутофагия и дисфункция лизосом, стресс эндоплазматического ретикулума, апоптоз, сенесценция, фиброз, дисфункция эндотелия, повреждение ДНК. Это приводит к развитию интерстициального пневмонита, лёгочного фиброза и обструктивных нарушений, увеличению активности аллергического воспаления. Все указанные механизмы участвуют в патогенезе профессиональных заболеваний лёгких. В условиях воздействия наночастиц различного химического состава формируются отдельные фенотипы профессиональной хронической обструктивной болезни лёгких. Следует отметить недостаток эпидемиологических исследований возможной этиологической роли наночастиц.

Наночастицы промышленных аэрозолей — значимый фактор для развития профессиональных заболеваний бронхолёгочной системы, оказывающий существенное влияние на формирование фенотипов.

Участие авторов:
Шпагина Л.А. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников), написание текста;
Зенкова М.А. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников);
Сапрыкин А.И. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников);
Логашенко Е.Б. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников), написание текста;
Шпагин И.С. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников), написание текста;
Котова О.С. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников), написание текста;
Цыганкова А.Р. — сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников);
Кузнецова Г.В. — сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников);
Аникина Е.В. — концепция и дизайн обзора, сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников), написание текста;
Камнева Н.В. — сбор, анализ и интерпретация данных (литературных источников);
Суровенко Т.Н. — написание текста.

Финансирование. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 19-74-30011)

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления: 23.01.2024 / Дата принятия к печати: 15.02.2024 / Дата публикации: 15.03.2024

1. Li Y., Duan J., Chai X., Yang M., Wang J., Chen R. et al. Microarray-assisted size-effect study of amorphous silica nanoparticles on human bronchial epithelial cells. Nanoscale. 2019; 11(47): 22907–22923. https://doi.org/10.1039/c9nr07350g

2. Фатхутдинова Л.М., Халиуллин Т.О., Залялов Р.Р., Ткачёв А.Г., Бирч М.Э., Шведова А.А. Гигиеническая оценка аэрозоля многослойных углеродных нанотрубок в производственных условиях. Российские нанотехнологии. 2016; 11(1–2): 85–90.

3. Soares E.V., Soares H.M.V.M. Harmful effects of metal(loid) oxide nanoparticles. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2021; 105(4): 1379–1394. https://doi.org/10.1007/s00253-021-11124-1

4. Setyawati M.I., Singh D., Krishnan S.P.R., Huang X., Wang M., Jia S., et al. Occupational Inhalation Exposures to Nanoparticles at Six Singapore Printing Centers. Environ Sci Technol. 2020; 54(4): 2389–2400. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b06984

5. Berger F., Bernatíková Š., Kocůrková L., Přichystalová R., Schreiberová L. Occupational exposure to nanoparticles originating from welding — case studies from the Czech Republic. Med Pr. 2021; 72(3): 219–230. https://doi.org/10.13075/mp.5893.01058

6. Луценко Л.А., Ракитский В.Н., Ильницкая А.В., Егорова А.М., Гвоздева Л.Л. Особенности действия наноразмерных аэрозолей и меры безопасности. Мед. труда и пром. экол. 2016; (3): 6–11.

7. Шаяхметов С.Ф., Рукавишников В.С., Лисецкая Л.Г., Меринов А.В. Характеристика образующихся аэрозольных взвесей — комплексов при традиционной и модернизированной технологиях электролиза алюминия. Мед. труда и пром. экол. 2022; 62(7): 452–458. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-7-452-458

8. Huang Y., Li P., Zhao R., Zhao L., Liu J., Peng S., Fu X., Wang X., Luo R., Wang R., Zhang Z. Silica nanoparticles: Biomedical applications and toxicity. Biomed Pharmacother. 2022; 151: 113053. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2022.113053

9. Duan H., Liu Y., Gao Z., Huang W. Recent advances in drug delivery systems for targeting cancer stem cells. Acta Pharm Sin B. 2021; 11(1): 55–70. https://doi.org/10.1016/j.apsb.2020.09.016

10. Darwish M.K.M., El-Enin A.S.M.A., Mohammed K.H.A. Optimized Nanoparticles for Enhanced Oral Bioavailability of a Poorly Soluble Drug: Solid Lipid Nanoparticles Versus Nanostructured Lipid Carriers. Pharm Nanotechnol. 2022; 10(1): 69–87. https://doi.org/10.2174/2211738510666220210110003

11. Xu Y., Li H., Li X., Liu W. What happens when nanoparticles encounter bacterial antibiotic resistance? Sci Total Environ. 2023; 876: 162856. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162856

12. Bruna T., Maldonado-Bravo F., Jara P., Caro N. Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Applications. Int J Mol Sci. 2021; 22(13): 7202. https://doi.org/10.3390/ijms22137202

13. Wu N., Gao H., Wang X., Pei X. Surface Modification of Titanium Implants by Metal Ions and Nanoparticles for Biomedical Application. ACS Biomater Sci Eng. 2023; 9(6): 2970–2990. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.2c00722

14. Afroz T., Hiraku Y., Ma N., Ahmed S., Oikawa S., Kawanishi S. et al. Nitrative DNA damage in cultured macrophages exposed to indium oxide. J Occup Health. 2018; 60(2): 148–155. https://doi.org/10.1539/joh.17-0146-OA

15. Murugadoss S., Lison D, Godderis L., Van Den Brule S., Mast J., Brassinne F. et al. Toxicology of silica nanoparticles: an update. Arc.h Toxicol. 2017; 91(9): 2967–3010. https://doi.org/10.1007/s00204-017-1993-y

16. Inoue M., Sakamoto K., Suzuki A., Nakai S., Ando A., Shiraki Y. et al. Size and surface modification of silica nanoparticles affect the severity of lung toxicity by modulating endosomal ROS generation in macrophages. Part Fibre Toxicol. 2021; 18(1): 21. https://doi.org/10.1186/s12989-021-00415-0

17. Величковский Б.Т. Молекулярные и клеточные основы экологической пульмонологии. Пульмонология. 2000; (3): 10–18.

18. Шпагина Л.А., Артамонова В.Г., Фишман Б.Б., Паначева Л.А., Мазитова Н.Н., Плюхин А.Е. и др. Пневмокониозы. В кн.: Измеров Н.Ф., Чучалин А.Г. ред. Профессиональные заболевания органов дыхания. Национальное руководство. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2015: 363–487.

19. Debia M., Carpentier M., L’Espérance G. Characterization of Occupational Exposures to Engineered Nanoparticles During the Finishing Process of a Hardwood Floor Manufacturing Plant. Ann Work Expo Health. 2021; 65(7): 868–873. https://doi.org/10.1093/annweh/wxab003

20. Gonzalez-Pech N.I., Stebounova L.V., Ustunol I.B., Park J.H., Renee Anthony T., Peters T.M. et al. Size, composition, morphology, and health implications of airborne incidental metal-containing nanoparticles. J. Occup. Environ. Hyg. 2019; 16(6): 387–399. https://doi.org/10.1080/15459624.2018.1559925

21. Зенкова М.А., Сапрыкин А.И., Логашенко Е.Б., Шпагин И.С., Котова О.С., Цыганкова А.Р. и др. Хроническая обструктивная болезнь лёгких в условиях воздействия промышленных аэрозолей, содержащих наночастицы: особенности воспаления и фенотип. Мед. труда и пром. экол. 2021; 61(8): 488–496. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2021-61-8-488-496

22. Grossgarten M., Holzlechner M., Vennemann A., Balbekova A., Wieland K., Sperling M. et al. Phosphonate coating of SiO2 nanoparticles abrogates inflammatory effects and local changes of the lipid composition in the rat lung: a complementary bioimaging study. Part Fibre Toxicol. 2018; 15(1): 31. https://doi.org/10.1186/s12989-018-0267-z

23. Wang Z., Wang C., Liu S., He W., Wang L., Gan J. et al. Specifically Formed Corona on Silica Nanoparticles Enhances Transforming Growth Factor β1 Activity in Triggering Lung Fibrosis. ACS Nano. 2017; 11(2): 1659–1672. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b07461

24. Lag M., Skuland T., Godymchuk A., Nguyen T.H.T., Pham H.L.T., Refsnes M. Silica Nanoparticle-induced Cytokine Responses in BEAS-2B and HBEC3-KT Cells: Significance of Particle Size and Signalling Pathways in Different Lung Cell Cultures. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2018; 122(6): 620–632. https://doi.org/10.1111/bcpt.12963

25. Zhou F., Liao F., Chen L., Liu Y., Wang W., Feng S. The size-dependent genotoxicity and oxidative stress of silica nanoparticles on endothelial cells. Environ Sci Pollut Res Int. 2019; 26(2): 1911–1920. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3695-2

26. Hsiao T.C., Han C.L., Yang T.T., Lee Y.L., Shen Y.F., Jheng Y.T., et al. Importance of surface charge of soot nanoparticles in determining inhalation toxicity in mice. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2023; 30(7): 18985–18997. https://doi.org/10.1007/s11356-022-23444-4

27. Refsnes M., Skuland T., Lilleaas E., Ovrevik J., Lag M. Concentration-dependent ROS in human lung epithelial cells. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2019; 125(3): 304–314. https://doi.org/10.1111/bcpt.13221

28. Wheeler R.M., Lower S.K. A meta-analysis framework to assess the role of units in describing nanoparticle toxicity. NanoImpact. 2021; 21: 100277. https://doi.org/10.1016/j.impact.2020.100277

29. Du Z., Chen S., Cui G., Yang Y., Zhang E., Wang Q. et al. Silica nanoparticles induce cardiomyocyte apoptosis via the mitochondrial pathway in rats following intratracheal instillation. Int. J. Mol. Med. 2019; 43(3): 1229–1240. https://doi.org/10.3892/ijmm.2018.4045

30. Wei W., Yan Z., Liu X., Qin Z., Tao X., Zhu X., et al Brain Accumulation and Toxicity Profiles of Silica Nanoparticles: The Influence of Size and Exposure Route. Environ. Sci. Technol. 2022; 56(12): 8319–8325. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c07562

31. Minigalieva I.A., Ryabova Y.V., Shelomencev I.G., Amromin L.A., Minigalieva R.F., Sutunkova Y.M., et al. Analysis of Experimental Data on Changes in Various Structures and Functions of the Rat Brain following Intranasal Administration of Fe2O3 Nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2023; 24(4): 3572. https://doi.org/10.3390/ijms24043572

32. Li D., Morishita M., Wagner J.G., Fatouraie M., Wooldridge M., Eagle W.E., et al. In vivo biodistribution and physiologically based pharmacokinetic modeling of inhaled fresh and aged cerium oxide nanoparticles in rats. Part Fibre Toxicol. 2016; 13(1): 45. https://doi.org/10.1186/s12989-016-0156-2

33. Wolfram J., Zhu M., Yang Y., Shen J., Gentile E., Paolino D. et al. Safety of Nanoparticles in Medicine. Curr Drug Targets. 2015; 16(14): 1671–81. https://doi.org/10.2174/1389450115666140804124808

34. Buchman J.T., Hudson-Smith N.V., Landy K.M., Haynes C.L. Understanding Nanoparticle Toxicity Mechanisms to Inform Redesign Strategies to Reduce Environmental Impact. Acc. Chem. Res. 2019; 52(6): 1632–1642. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00053

35. Сутункова М.П., Макеев О.Г., Привалова Л.И., Минигалиева И.А., Гурвич В.Б., Соловьева С.Н. и др. Генотоксический эффект воздействия некоторых элементных или элементнооксидных наночастиц и его ослабление комплексом биопротекторов. Мед. труда и пром. экол. 2018; (11): 10–16. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2018-11-10-16

36. Guo C., Wang J., Yang M., Li Y., Cui S., Zhou X. et al. Amorphous silica nanoparticles induce malignant transformation and tumorigenesis of human lung epithelial cells via P53 signaling. Nanotoxicology. 2017; 11(9–10): 1176–1194. https://doi.org/10.1080/17435390.2017.1403658

37. Shvedova A.A., Yanamala N., Kisin E.R., Khailullin T.O., Birch M.E., Fatkhutdinova L.M. Integrated Analysis of Dysregulated ncRNA and mRNA Expression Profiles in Humans Exposed to Carbon Nanotubes. PLoS ONE. 2016; 11(3): e0150628. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0150628

38. IARC monograph, 2017; Vol. 111. https://publications.iarc.fr/552

39. Wang M., Li J., Dong S., Cai X., Simaiti A., Yang X. et al. Silica nanoparticles induce lung inflammation in mice via ROS/PARP/TRPM2 signaling-mediated lysosome impairment and autophagy dysfunction. Part Fibre Toxicol. 2020; 17(1): 23. https://doi.org/10.1186/s12989-020-00353-3

40. Gliga A.R., Di Bucchianico S., Lindvall J., Fadeel B, Karlsson H.L. RNA-sequencing reveals long-term effects of silver nanoparticles on human lung cells. Sci Rep. 2018; 8(1): 6668. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25085-5

41. Сутункова М.П. Оценка токсического действия наночастиц NiO при ингаляционном поступлении. Мед. труда и пром. экол. 2019; (2): 86–91. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2019-2-86-91

42. Petrache Voicu S.N., Dinu D., Sima C., Hermenean A., Ardelean A., Codrici E. et al. Silica Nanoparticles Induce Oxidative Stress and Autophagy but Not Apoptosis in the MRC-5 Cell Line. Int J Mol Sci. 2015; 16(12): 29398–416. https://doi.org/10.3390/ijms161226171

43. Yu H.H., Chen Y.C., Su H.P., Chen L., Chen H.H., Lin K.A. et al. Comparative pulmonary toxicity assessment of tungsten trioxide and tungsten trioxide hydrate nanoparticles. Sci Total Environ. 2023; 855: 158885. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158885

44. Zhao L., Zhu Y., Chen Z., Xu H., Zhou J., Tang S. et al. Cardiopulmonary effects induced by occupational exposure to titanium dioxide nanoparticles. Nanotoxicology. 2018; 12(2): 169–184. https://doi.org/10.1080/17435390.2018.1425502

45. Mo Y., Jiang M., Zhang Y., Wan R., Li J., Zhong C.J. et al. Comparative mouse lung injury by nickel nanoparticles with differential surface modification. J. Nanobiotechnology. 2019; 17(1): 2. https://doi.org/10.1186/s12951-018-0436-0

46. Schremmer I., Brik A., Weber D.G., Rosenkranz N., Rostek A., Loza K. et al. Kinetics of chemotaxis, cytokine, and chemokine release of NR8383 macrophages after exposure to inflammatory and inert granular insoluble particles. Toxicol Lett. 2016; 263: 68–75. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2016.08.014

47. Guo C., Yang M., Jing L., Wang J., Yu Y., Li Y., et al. Amorphous silica nanoparticles trigger vascular endothelial cell injury through apoptosis and autophagy via reactive oxygen species-mediated MAPK/Bcl-2 and PI3K/Akt/mTOR signaling. Int. J. Nanomedicine. 2016; 11: 5257–5276. https://doi.org/10.2147/IJN.S112030

48. Hsu S.Y., Morris R., Cheng F. Signaling Pathways Regulated by Silica Nanoparticles. Molecules. 2021; 26(5): 1398. https://doi.org/10.3390/molecules26051398

49. Ko J.W., Shin N.R., Je-Oh L., Jung T.Y., Moon C., Kim T.W. et al. Silica dioxide nanoparticles aggravate airway inflammation in an asthmatic mouse model via NLRP3 inflammasome activation. Regul Toxicol Pharmacol. 2020; 112: 104618. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2020.104618

50. Khaliullin T.O., Yanamala N., Newman M.S., Kisin E.R., Fatkhutdinova L.M., Shvedova A.A. Comparative analysis of lung and blood transcriptomes in mice exposed to multi-walled carbon nanotubes. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2020; 390: 114898. https://doi.org/10.1016/j.taap.2020.114898

51. Yukina G.Y., Polovnikov I.V., Sukhorukova E.G., Zhuravskii S.G., Galagudza M.M. Morphological Analysis of the Respiratory Tract of Rats after Parenteral Administration of Silicon Dioxide Nanoparticles. Bull. Exp. Biol. Med. 2020; 170(1): 93–97. https://doi.org/10.1007/s10517-020-05011-4

52. Jeong M.J., Jeon S., Yu H.S., Cho W.S., Lee S., Kang D. et al. Exposure to Nickel Oxide Nanoparticles Induces Acute and Chronic Inflammatory Responses in Rat Lungs and Perturbs the Lung Microbiome. Int. J. Environ. Res Public Health. 2022; 19(1): 522. https://doi.org/10.3390/ijerph19010522

53. Meldrum K., Robertson S.B., Romer I., Marczylo T., Dean L.S.N., Rogers A. et al. Cerium dioxide nanoparticles exacerbate house dust mite induced type II airway inflammation. Part Fibre Toxicol. 2018; 15(1): 24. https://doi.org/10.1186/s12989-018-0261-5

54. Kroker M., Sydlik U., Autengruber A., Cavelius C., Weighardt H., Kraegeloh A. et al. Preventing carbon nanoparticle-induced lung inflammation reduces antigen-specific sensitization and subsequent allergic reactions in a mouse model. Part Fibre Toxicol. 2015; 12: 20. https://doi.org/10.1186/s12989-015-0093-5

55. Liu Y., Wei H., Tang J., Yuan J., Wu M., Yao C. et al. Dysfunction of pulmonary epithelial tight junction induced by silicon dioxide nanoparticles via the ROS/ERK pathway and protein degradation. Chemosphere. 2020; 255: 126954. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126954

56. Wang W., Zeng C., Feng Y., Zhou F., Liao F., Liu Y. et al. The size-dependent effects of silica nanoparticles on endothelial cell apoptosis through activating the p53-caspase pathway. Environ Pollut. 2018; 233: 218–225. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.10.053

57. Guo C., Ma R., Liu X., Xia Y., Niu P., Ma J. et al. Silica nanoparticles induced endothelial apoptosis via endoplasmic reticulum stress-mitochondrial apoptotic signaling pathway. Chemosphere. 2018; 210: 183–192. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.06.170

58. Spannbrucker T., Ale-Agha N., Goy C., Dyballa-Rukes N., Jakobs P., Jander K. et al. Induction of a senescent like phenotype and loss of gap junctional intercellular communication by carbon nanoparticle exposure of lung epithelial cells. Exp. Gerontol. 2019; 117: 106-112. https://doi.org/10.1016/j.exger.2018.11.017

59. Zhang Y., Mo Y., Yuan J., Zhang Y., Mo L., Zhang Q. MMP‑3 activation is involved in copper oxide nanoparticle-induced epithelial-mesenchymal transition in human lung epithelial cells. Nanotoxicology. 2021; 15(10): 1380–1402. https://doi.org/10.1080/17435390.2022.2030822

60. Duan J., Yu Y., Yu Y., Li Y., Wang J., Geng W. et al. Silica nanoparticles induce autophagy and endothelial dysfunction via the PI3K/Akt/mTOR signaling pathway. Int J Nanomedicine. 2014; 9: 5131–41. https://doi.org/10.2147/IJN.S71074

61. Liu X., Lu B., Fu J., Zhu X., Song E., Song Y. Amorphous silica nanoparticles induce inflammation via activation of NLRP3 inflammasome and HMGB1/TLR4/MYD88/NF-kb signaling pathway in HUVEC cells. J Hazard Mater. 2021; 404(Pt B): 124050. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124050

62. Wierzbicki M., Zawadzka K., Wójcik B., Jaworski S., Strojny B., Ostrowska A. et al. Differences in the Cell Type-Specific Toxicity of Diamond Nanoparticles to Endothelial Cells Depending on the Exposure of the Cells to Nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2023; 18: 2821–2838. https://doi.org/10.2147/IJN.S411424

63. Guo C., Zhao X., Ma R., Zhu L., Chen Y., Yang Z. et al. Silica nanoparticles promoted pro-inflammatory macrophage and foam cell transformation via ROS/PPARγ/NF-κB signaling. Sci. Total. Environ. 2023; 881: 163430. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163430

64. Fireman Klein E., Adir Y., Krencel A., Peri R., Vasserman B., Fireman E. et al. Ultrafine particles in airways: a novel marker of COPD exacerbation risk and inflammatory status. Int. J. Chron. Obstruct. Pulmon Dis. 2019; 14: 557–564. https://doi.org/10.2147/COPD.S187560

65. Pelclova D., Zdimal V., Komarc M., Vlckova S., Fenclova Z., Ondracek J. et al. Deep Airway Inflammation and Respiratory Disorders in Nanocomposite Workers. Nanomaterials (Basel). 2018; 8(9): 731. https://doi.org/10.3390/nano8090731

66. Шпагина Л.А., Зенкова М.А., Шпагин И.С., Логашенко Е.Б., Аникина Е.В., Котова О.С. и др. Клеточно-молекулярные маркеры хронической обструктивной болезни лёгких в условиях воздействия промышленных аэрозолей с ненамеренными наночастицами металлов или кремния. Современные проблемы науки и образования. 2023; 6: https://science-education.ru/article/view?id=33130 https://doi.org/10.17513/spno.33130