|
ПРОБЛЕМНІ СТАТТІ УДК 615-09:546.284:612.014.017.1:616.34 О.О. Пентюк, д.м.н., ПРОБЛЕМИ ТОКСИЧНОСТІ КРИСТАЛІЧНИХ ТА АМОРФНИХ ФОРМ КРЕМНЕЗЕМУ. МЕХАНІЗМИ ВЗАЄМОДІЇ ЧАСТИНОК КРЕМНЕЗЕМУ З КЛІТИНОЮІнститут хімії поверхні НАН України, Вступ Кремній — другий за поширеністю (після кисню) хімічний елемент земної кори, в природі зустрічається лише у вигляді сполук, серед яких найпоширенішою є кремнезем (SiO2) — об'ємний неорганічний полімер [1—4]. Його структурною ланкою є кремнекисневий тетраедр в центрі якого знаходиться атом кремнію, а по вершинам розташовані 4 атоми кисню (SiO4). Всі тетраедри з'єднані між собою дисилоксановими містками (Si—O—Si), але просторове розташування структурних елементів для різних форм кремнеземів не є однаковим. Так, в структурі аморфних форм кремнезему зберігаються характерні для кристалів кремнекисневі тетраедри, але вони зв'язані між собою хаотично, з порушенням періодичності (рис. 1). Поверхня кремнеземів містить більшу чи меншу кількість гідроксильних груп, хімічно зв'язаних з поверхневими атомами кремнію (Si—OH, "силанольна група"). Силанольні групи в водних розчинах можуть дисоціювати з утворенням аніону Si—O— і надавати гідрофільних властивостей поверхні кремнеземів, тоді як силоксанові містки забезпечують гідрофобність певних її ділянок. В процесі механічного подрібнення частинок кремнеземів у вакуумі або на повітрі може відбуватись як гомолітичний, так і гетеролітичний розрив зв'язків з утворенням катіонних частинок типу Si+, силільних, силанольних та пероксильних радикалів (Si, SiO, SiO2•), комплексу катіону кремнезему із супероксидним радикалом (Si+O2-•), пероксидних груп (Si—O—O—Si) [1, 4]. І кристалічні, і аморфні кремнеземи мають значні сорбційні властивості, здатні зв'язувати воду, катіони металів, органічні речовини, але відмінності будови поверхні різних форм суттєво змінюють спектр і перебіг числених хімічних реакцій, нею опосередкованих [1, 4]. Різновидами кристалічного кремнезему є a-кварц, a-, b1- та b2-тридіміт, a- та b-кристобаліт, коезіт, стишовіт та моганіт, які широко представлені в природних мінералах (пісок, алюмосилікати і т.п.). Природні форми кристалічного кремнезему містять приблизно 98,5—97,5% SiO2, а решту складають оксиди заліза, алюмінію, хрому, кальцію, титану, калію, натрію, магнію [5]. Особливістю мікроморфології кристалічних кремнеземів є наявність гострих граней і значні варіації в розмірах частинок, причому маленькі частинки можуть утримуватись на поверхні більших (рис. 2). Кристалічні кремнеземи знайшли широке застосування при виготовленні скляних і керамічних виробів, лінз, паперу, абразивних матеріалів. Вони застосовуються у якості наповнювачів при виготовленні зубних паст та лікарських форм [1, 3]. Аморфні форми кремнезему поділяються на природні (кварцеве скло, мінерал опал, скелети діатомових організмів та рослин) та штучні (колоїдний кремнезем, пірогенний кремнезем, хімічно модифікований кремнезем). Форма природних аморфних кремнеземів біологічного походження залежить від анатомії організмів, в яких вони слугують скелетами (рис. 3). Частинки синтетичних аморфних кремнеземів, таких як аеросил чи силікагелі, мають правильну сферичну будову і позбавлені гострих кутів (рис. 4). Деяка інформація щодо будови та фізико-хімічних властивостей кристалічних і аморфних форм кремнезему наведена в табл. 1. Синтетичні аморфні кремнеземи використовуються в гумовій промисловості для виготовлення силіконового каучуку, вони входять до складу промислових барвників, ізоляційних матеріалів, клеїв і т.д. Високодисперсні аморфні кремнеземи (аеросили) знайшли застосування у харчовій та фармацевтичній промисловості в якості наповнювачів та стабілізаторів [1, 6], а в медицині — як аплікаційні та ентеральні сорбенти [7]. Кремній є невід'ємним елементом всіх живих організмів. Рослини поглинають його з ґрунту у вигляді кремнезему і використовують в побудові оболонок клітин. Кремнезем в рослинах відіграє не тільки опорну роль — як гідрофільний колоїд він при набуханні утримує значну кількість води, запобігаючи засиханню рослин [1, 3]. В організмі людини кремній знайдено в усіх органах. Найбільше його міститься в стінках артерій, трахеї, в сухожилках, кістках, лімфатичних вузлах, в епідермісі та волоссі. Біологічну роль кремнію пов'язують з участю в синтезі глікозаміногліканів та колагену та забезпеченні мінералізації кісткової тканини. Щоденна потреба людини в кремнії складає біля 20 мг [8, 9]. До організму людини та тварин сполуки кремнію надходять різними шляхами, основними з яких є інгаляційний та ентеральний [8, 9]. В найбільших кількостях (приблизно 15 мг/добу) кремнезем потрапляє до організму через легені разом з частинками пилу, що завжди містяться у повітрі, а через шлунково-кишкового тракт (біля 3,5 мг/добу) — у складі питної води чи продуктів харчування [3, 8, 9]. Величина всмоктування кремнію з шлунково-кишкового тракту для всіх його сполук складає приблизно 1%. Організм людини засвоює приблизно 9—14 мг кремнію на добу. Виводиться кремнезем головним чином нирками (близько 9 мг) і частково кишечником (близько 3 мг). I. Пульмотоксичність кремнеземів Більшість негативних ефектів кремнеземів стосується насамперед легень, зокрема силікозу — важкого захворювання, яке розвивається при надходженні в організм частинок SiO2 інгаляційним шляхом, коли рівень експозиції перевищує адаптивні можливості організму [3, 10—12]. Існують серйозні докази причетності кремнеземів до виникнення бронхопульмонарного раку, а також хронічного бронхіту, бронхообструктивних захворювань та емфіземи легень. 1. Епідеміологія уражень легень кремнеземами. У більшості країн світу запроваджена регламентація рівня кремнеземного пилу в повітрі робочої зони, причому дозволена гранична концентрація варьює досіть широко — від 2 до 0,5 мг/м3 [9, 13, 18]. В США безпечною концентрацією вважається 0,05 мг/м3 [3, 14], хоча існує думка, що вона має бути зменшена до 0,025 мг/м3 [14]. В Україні у структурі професійних хвороб перше місце посідають пневмоконіози, які виникають внаслідок дії пилу, що містить понад 10% вільного SiO2 [15]. Наведені вище дані стосуються власне кристалічного кремнезему, для аморфного гранично допустимі концентрації не були визначені, оскільки в природних умовах і на виробництві ця форма рідко потрапляє в повітря [10, 14]. Однак існує думка, що вона є значно менш токсичною, — багаторічні епідеміологічні дослідження серед робітників з високою професійною експозицією до аморфного кремнезему виявили лише чотири безсумнівні випадки силікозу [10, 14, 16], хоча ризик виникнення хронічного бронхіту чи емфіземи легень не може бути повністю виключений [10, 17]. На токсичність оксидів кремнію суттєво впливає присутність у складі пилу металів та їх оксидів, насамперед заліза, марганцю, ванадію, миш'яку, міді, берилію та нікелю [5, 11, 14, 15, 20]. Комбінування кремнеземів з оксидами інших елементів найчастіше прискорює розвиток силікозу та збільшує ризик виникнення новоутворень легень, як, наприклад, сумісний вплив кремнеземів та оксидів заліза у металургів [10, 14]. Присутність хрому та міді також збільшує вірогідність виникнення силікозу та раку легень [2, 5, 10, 18], меншу потенціюючу дію має олово [13, 14]. Наявність оксидів алюмінію та титану, навпаки, зменшує негативний вплив кристалічного кремнезему на клітини легень [5, 14]. В Україні ситуація ускладнюється забрудненням довкілля радіонуклідами і ефекти такого поєднання ще недостатньо вивчені [12]. Фібротичний процес в легенях зазвичай розвивається при тривалому контакті з пилом, що містить кремнезем, і до силікозу нерідко приєднується туберкульоз [13, 14, 18, 20]. Прогресуюча легенево-серцева недостатність є найбільш частою причиною загибелі хворих на силікоз та силікотуберкульоз. Силікоз також підвищує імовірність виникнення раку легень, оскільки клітини фіброзних вузлів можуть з часом перероджуватись у злоякісні. Тому в США, Італії, Франції та Норвегії пил кристалічного кремнезему відносять до небезпечних канцерогенних факторів категорії 1 [3, 10, 13, 14]. Однак група дослідників з Канади заперечує існування чіткого зв'язку між експозицією кристалічного кремнезему і канцерогенезом [14]. Міжнародний Союз по дослідженню раку (IARC) деяки сполуки кремнію (скловолокно та ін.) відніс до категорії 2В — потенційно канцерогенні для людини [14], тоді як аморфні кремнеземи віднесені до категорії 3 — речовин, зв'язок яких з канцерогенезом не доведений [10]. 2. Механізм пульмотоксичної дії кремнеземів. Встановленню механізмів впливу кремнеземів на легені присвячені численні дослідження, в яких висвітлені різні аспекти цієї проблеми. Слід розділити ефекти кремнезему на первинні (молекулярні), які реалізуються при безпосередній взаємодії частинок з біомолекулами-мішенями і визначаються фізико-хімічною природою обох реагентів, та вторинні, що відбуваються на рівні клітин і формують специфічну відповідь цілісного організму. Цей еволюційно сформований механізм включає функції миготливого епітелію легень (мукоціліарний ескалатор), що забезпечує механічне видалення 97—98% частинок пилу, та клітин імунної системи — альвеолярних макрофагів, які фагоцитують частинки пилу і депонуються в лімфоїдних скупченнях бронхіол, де не заважають газообміну, з подальшим розчиненням кремнезему та його елімінацією з сечею у вигляді силікатів. Основні відомі на сьогодні молекулярні та клітинні механізми реалізації біологічних ефектів кремнеземів підсумовані в табл. 2. 3. Роль природи поверхні кремнезему у взаємодії з біосубстратом. Дані літератури дозволяють зв'язати біологічні ефекти кремнезему з такими його властивостями, як форма та розміри частинок, площа поверхні, кількість силанольних груп, ступінь гідрофільності, індекс кристалічності, наявність атомів інших елементів, здатність поверхні до генерування радикалів кисню та вибіркової адсорбції біологічно значимих молекул [2, 3, 5, 10, 11, 18]. Важливе значення в реалізації біологічних властивостей кремнеземів має геометрія частинок. Наявність гострих кутів та ребер в частинках кристалічних кремнеземів, що можуть механічно пошкоджувати клітину, надає їм більших цитотоксичних властивостей, ніж синтетичним аморфним кремнеземам, де форма частинок близька до сферичної [2, 3, 18, 19]. Суттєво впливає на біологічну активність кремнеземів і розмір частинок [8, 10, 14, 18]. Вважається, що частинки більші 10 мкм не здатні проникати в клітинні елементи легень і можуть викликати лише механічне пошкодження з розвитком пилового бронхіту. Найбільша імовірність депонування існує для частинок розміром 0,5—2 мкм, тоді як частинки менші 0,5 мкм не затримуються в легенях і залишають їх із видихуваним повітрям. Можливо, саме розмір частинок синтетичних аморфних кремнеземів, який для пірогенного аморфного кремнезему (аеросилу) складає від 5 до 40 нм, пояснює їх невисокий фіброгенний потенціал. Різниця в розчинності кристалічних та аморфних кремнеземів, що сягає порядкових величин, також в якійсь мірі пояснює, чому кристалічні кремнеземи затримуються в тканинах на більш тривалий строк, ніж аморфні [2, 18], бо саме від ступеня розчинності залежить здатність кремнезему елімінуватись з організму у вигляді менш токсичних силікатів [20]. Ініціюючим моментом у взаємодії частинок кремнезему з клітиною є взаємодія силанольних груп з білками зовнішніх мембран клітин та її фосфоліпідними компонентами [7]. Встановлено, що при інгаляційному надходженні частинок кремнезему першими їх мішенями стають білки та ліпіди сурфактанту — поверхнево-активної речовини, що вистилає альвеоли легень [14, 18]. Далі ж відбувається процес фіксації частинок кремнезему на самих клітинах. Зв'язування білків чи фосфоліпідів з поверхнею кремнеземів передбачає взаємодію дисоційованої силанольної групи з протонованими аміногрупами бокових ланцюгів білків (чи утворення водневих зв'язків між силанольною групою та молекулою білка), або з триметиламонієвою групою холіну в фосфатидилхоліні [7, 10, 14, 18], отже інтенсивність сорбції залежить від площі поверхні частинок і її насиченості силанольними групами [7]. Кількість силанольних груп не лише визначає сорбційну ємність частинок кремнеземів, але і забезпечує гідрофільний/гідрофобний баланс його поверхні. Нагрівання кристалічного кремнезему — кристобаліту при 500, 800 та 1300°С, яке супроводжується зменшенням кількості силанольних груп і, відповідно, гідрофільності його поверхні, приводить до зниження його цитотоксичності щодо альвеолярних макрофагів [2, 19]. Нагрівання аморфного кремнезему також модифікує його мембранотропні властивості щодо еритроцитів [7]. І все ж, такі властивості, як кількість поверхневих силанольних груп і адсорбційна здатність кремнеземів доволі слабко репрезентують різницю в токсичності кристалічних та аморфних форм. Аморфні кремнеземи мають набагато більшу площу поверхні, ніж кристалічні, але позбавлені фіброгенних та канцерогенних властивостей, хоча їм притаманна і пряма цитотоксична дія щодо еритроцитів та клітин легенів [2, 7, 18, 19]. Очевидно, силанольні групи опосередковують лише перший (хоча і абсолютно необхідний) етап взаємодії кремнезему з клітиною, а саме фіксацію частинок на її зовнішній мембрані, наслідком якої є пряма цитотоксична дія. Відстрочені ефекти кремнеземів, такі як фіброгенез та канцерогенез, потребують інтерналізації частинок в клітину, тривалої персистенції в ній і порушення механізмів регуляції експресії генів. В деяких дослідженнях біологічну активність кремнеземів пов'язують з адсорбцією ендогенних молекул, наприклад, аскорбінової кислоти [19], яка здатна утворювати комплекси з кристалічним кремнеземом. Це збільшує його розчинність і сприяє вивільненню з поверхні іонів заліза, що веде до виснаження в легенях пулу аскорбінової кислоти, яка є антиоксидантом, і до збільшення продукції радикалів кисню за рахунок іонів заліза. Суттєвим моментом в токсичності кремнеземів є можливість утворення на їх поверхні різноманітних радикалів та активних в хімічному відношенні груп [2, 5, 11, 14, 20]. Ковалентний характер зв'язків Si—O—Si та Si—OH створює можливість для перебігу як гомолітичних, так і гетеролітичних реакцій, а наявність на поверхні дефектів та включення до її складу гетероатомів породжує додаткові реакційні центри. Тому поверхня кремнеземів містить не лише власні вільні радикали та активні групи (типу Si+, Si•, SiO•, SiO2•, Si+O2-•, Si—O—O—Si), але й здатна каталізувати утворення вторинних радикалів при взаємодії з молекулами кисню. Особливо сприятливі умови для утворення поверхневих радикалів та активних груп створюються під час механічного подрібнення кремнеземів, коли йде інтенсивне руйнування зв'язків і утворення некомпенсованих валентностей. Деякі радикали в підповерхневих шарах чи в мікротріщинах можуть зберігатись тривалий час, і навіть тоді, коли частинка досягає біологічного середовища. Незаперечно доведено, що свіжо виготовлені зразки кристалічних кремнеземів мають значно більший цитотоксичний потенціал, ніж "постарілі" препарати [5, 14]. Кристалічні кремнеземи можуть генерувати радикали і у водних розчинах, зокрема зафіксовано утворення супероксидного та гідроксильного радикалів, пероксидів [2, 3, 5, 10, 14]. Продукція цих радикалів відбувається як під впливом власних радикалів поверхні кремнеземів, так і за рахунок включення до поверхні іонів металів, особливо заліза та хрому [2, 5, 11, 14, 18, 19]. Кварц навіть в нетоксичних концентраціях здатен каталізувати утворення гідроксильного радикалу із пероксиду водню та викликати оксидативні пошкодження ДНК в епітеліальних клітинах легень, зокрема появу у складі ДНК 8-гідроксигуанозину [5, 14]. Наявність в структурі природних кремнеземів атомів перехідних елементів, які слугують центрами радикалоутворення, пояснює їх більш значний цитотоксичний, фібротичний та трансформуючий потенціал у порівнянні із синтетичними аморфними кремнеземами, які відрізняються високою хімічною чистотою. Відомо, що токсичність кварцу щодо ембріональних клітин хом'ячків, епітеліальних клітин легень та еритроцитів щурів прямо корелює із кількістю на поверхні залізовмісних центрів, здатних генерувати гідроксильні радикали при взаємодії з пероксидом водню за реакцією Хабера-Вейса (Н2O2+Fe2+=OН+ОН+Fe3+) [2, 5, 18, 19]. В той же час присутність хелатора заліза дефероксаміну в інкубаційному середовищі значно знижує цитотоксичний та трансформуючий потенціал кристалічного кремнезему щодо макрофагів [2, 5, 14, 18]. Важливе значення властивостей поверхні кремнезему для прояву його біологічної активності підтверджує і той факт, що модифікація поверхні кристалічного кремнезему лактатом алюмінію, глутаматом натрію чи полівінілпірідин-N-оксидом суттєво зменшує його інфламаторні, фіброгенні, цито- і генотоксичні ефекти [5, 14, 16]. Встановлено, що кварц, оброблений лактатом алюмінію, при інгаляційному введенні щурам практично не викликає міграцію нейтрофілів в рідину бронхоальвеолярного лаважу [5], в дослідах in vitro модифікований лактатом алюмінію він мав значно менший гемолітичний потенціал щодо еритроцитів і меншу здатність каталізувати гемолітичний розпад пероксиду водню [5, 14]. На рис. 5 показано, що зменшення інфламогенної активності кварцу після його модифікації лактатом алюмінію практично співпадає зі зменшенням його радикалоутворюючої активності. Ще одним джерелом радикалів є макрофаги чи поліморфноядерні лейкоцити, які генерують активні форми кисню та азоту, зокрема супероксидний та гідроксильний радикали, пероксид водню, оксид азоту, пероксинітрит у відповідь на поглинання частинок кремнезему [5, 10, 11, 14]. Показано, що інгаляційне введення кристалічного кремнезему супроводжується посиленням продукції гідроксильних радикалів в цілісному організмі (оцінювали за перетворенням саліцилової кислоти в 2,3-дигідробензойну кислоту), і цей ефект співпадає зі ступенем пошкодження легень [5, 10]. Експозиція до кремнезему супроводжується підвищенням активності індуцибельної синтази оксиду в легенях, накопиченням метаболітів оксиду азоту (нітратів і нітритів) та продуктів нітрування білків в рідині бронхоальвеолярного лаважу і активацією процесів ПОЛ [5, 10, 14, 18, 20]. 4. Клітинні взаємодії в формуванні відповіді організму на інгаляційне надходження кремнезему. Хоча проблемі ураження легень кремнеземами присвячено численні дослідження і основні етапи перебігу силікозу визначені досить чітко, механізми ініціації цього захворювання остаточно не з'ясовані [5]. Однак незаперечно визнано, що розвивається власне не первинний фіброз легень внаслідок контакту з кремнеземним пилом, а стадійно прогресуючий процес з комплексом запальних і регенераторних реакцій в бронхіальному дереві і в тканині легень [20]. Контакт частинки з клітинними елементами легень супроводжується на початкових етапах явищами альтерації, фагоцитозу та запалення, але з часом може завершитись фіброзуванням та малігнізацією. Активація клітин, що поглинули частинки кремнезему, має своїм наслідком посилення продукції ними активних радикалів кисню та азоту (OH, О2-, NO та інших), що у свою чергу змінює активність редокс-чутливих білків, до яких належить більшість відомих факторів транскрипції, медіаторів запалення (цитокінів, хемокінів, матриксних металопротеїназ) [5, 10, 14, 18]. Ці та інші молекулярні події опосередковують клітинну відповідь у вигляді проліферації, автоімунітету, апоптозу чи канцерогенезу. літературі [14, 21] розглядаються чотири основних механізми ураження легень частинками кремнеземів: Кожен з цих шляхів може завершитись доброякісно — відновленням нормальної структури легеневої тканини чи хронічним запаленням, внаслідок якого порушення процесів репарації приведе до фіброзу і канцерогенезу [5, 14, 17]. Судячи з наведених вище епідеміологічних даних, перший шлях має місце при контакті з аморфною формою, а другий — з кристалічною. Нижче ми спробуємо більш детально розглянути відмінності в реакції клітин при контакті з різними формами кремнезему. Більшість дослідників вважає, що головними клітинами мішенями при інгаляційному надходженні кремнеземного пилу є клітини альвеолярного епітелію та альвеолярні макрофаги [17, 14]. Макрофаги, що поглинули частинки кремнезему, при низькій дозі останнього можуть забезпечити його елімінацію з організму. При високих дозах фагоцитоз завершується загибеллю макрофага і розвитком запальної реакції. Частинки кремнезему, що вивільнились із зруйнованих клітин, далі можуть повторно поглинатись новими альвеолярними макрофагами, епітеліальними клітинами або мігруючими нейтрофілами. Активні форми кисню та азоту, прозапальні та профібротичні цитокіни, які генеруються у вогнищі запалення, стимулюють фібробласти і запускають процеси фіброзування (рис. 6). Вже з перших днів інгаляційного введення пилу кристалічного кремнезему в легенях щурів посилюється продукція факторів транскрипції NF-kappab та АР-1 [5, 10, 14, 18], що в свою чергу забезпечує активацію генів, що відповідають за продукцію макрофагами факторів некрозу пухлин, прозапальних та профібротичних цитокінів і хемокінів [5, 10, 14, 18, 20]. Нагадуємо, що розмежування цитокінів на прозапальні і профібротичні є досить умовним, оскільки більшість з них можуть послідовно потенціювати обидва процеси. Переважання запального чи фібротичного компонента забезпечується співвідношенням продукції цих чинників та їх інгібіторів компетентними клітинами легень при контакті з кремнеземами (рис. 7). Під впливом цитокінів клітини легень синтезують матриксні металопротеїнази, які руйнують субепітеліальну базальну мембрану і строму легень, чим полегшують проникнення часточок кремнезему в клітини та міграцію до вогнищ запалення фібробластів і моноцитів. На цьому етапі навіть припинення експозиції до кристалічного кремнезему не приводить до регресії патологічних змін в легенях, хоча внаслідок апоптозу і прямої цитотоксичної дії частинок кремнезему частина клітин гине. Натомість виникає "зачароване коло", коли взаємний вплив зазначених медіаторів забезпечує персистенцію запалення шляхом залучення до нього все нових і нових клітин макрофагально-лімфоцитарного ряду, а порушена регуляція репаративних процесів лише поглиблює дисфункцію [14, 16, 18]. Отже, прямо чи опосередковано кристалічний кремнезем викликає проліферацію фібробластів, їх активацію і міграцію в стромі легень, де ними синтезуються колагени І, III, IV, V типів та фібронектин. В легенях розвивається прогресуючий фіброз, а проліферація клітин з мутаціями генів може започатковувати канцерогенез [10, 16]. Проаналізовані вище дані літератури показують наскільки складними і разом з тим неоднозначними є молекулярні та клітинні механізми біологічної дії кремнеземів, особливо співвідношення фізико-хімічних властивостей кристалічних та аморфних кремнеземів з їх біологічною активністю. На сьогодні залишається ще актуальним вислів Б.Т. Величковського [11], що вияснення природи поверхні кремнезему, хоча і наближає нас до розуміння механізму первинної взаємодії частинок з біосубстратом, але само по собі ще не дає однозначної відповіді на цю проблему. Зокрема, на нашу думку, проблема полягає в з`ясуванні, які з фізико-хімічних властивостей кремнеземів відіграють провідну роль в реалізації їх біологічної активності. 5. Особливості пульмотоксичної дії аморфних кремнеземів у порівнянні з кристалічними. В численних дослідженнях встановлено, що аморфні форми кремнезему мають незначний пульмотоксичний потенціал [10, 16, 17]. Так, Епідемологічні дослідження на людях, що професійно контактують з аморфними кремнеземами, також не виявили фіброгенних та канцерогенних ефектів, хоча і не відкинули можливість подразнючої дії аморфних кремнеземів щодо слизових оболонок верхніх дихальних шляхів і їх причетність до виникнення ринітів та ринофарингітів [10, 11]. Низька пульмотоксичність аморфних форм кремнезему може пояснюватись тим, що вони, на відміну від кристалічних, не депонуються у відчутних кількостях в легенях. Експериментально показано, що інгаляційне введення щурам протягом 13 тижнів 3 мг/м3 кристалічного кремнезему або 50 мг/м3 аморфного кремнезему підвищує концентрацію кремнію в легенях більш, ніж у 20 разів [16]. Однак через 32 тижні з моменту припинення інгаляцій у щурів, що отримували аморфний кремнезем, вміст кремнію в легенях вірогідно не відрізнявся від такого в інтактних тварин, тоді як у тварин, що вдихали кристалічний кремнезем, він залишався у 19 разів вищим (табл. 3). Саме кумуляцією кристалічного кремнезему у легенях можна пояснити той факт, що і через 32 тижні з моменту припинення інгаляційного введення у легенях зберігаються явні ознаки запального процесу: високий вміст білку та лактатдегідрогенази, різке зростання частки поліморфноядерних нейтрофілів та зменшення частки альвеолярних макрофагів у рідині лаважу [16]. В той же час у тварин, які отримували аморфний кремнезем, всі ці показники достовірно не відрізнялись від контролю (табл. 3). Встановлено також, що аморфні кремнеземи, на відміну від кристалічних, позбавлені мутагенної дії [16]. В дослідах з тривалим інгаляційним введенням кремнеземів щурам виявилось, що експозиція до кристалічного кремнезему збільшувала частоту мутацій в альвеолярних епітеліальних клітинах у 4,3 рази, тоді як контакт з аморфним кремнеземом навіть дещо зменшував їх число (рис. 8). Отже, депонування кристалічного кремнезему у легенях супроводжується хронізацією запального процесу, що, очевидно, і є тим патологічним фоном на якому розвиваються фібротичні та неопластичні процеси. Відсутність кумулятивного ефекту при інгаляційному надходженні аморфних кремнеземів, можливо, пов'язана з їх більшою розчинністю у порівнянні з кристалічними, що полегшує видалення частинок з дихальних шляхів циліарним епітелієм разом зі слизом [10, 16]. Порівняльна характеристика біологічних ефектів, спричинених обома формами кремнезему, наведена в табл. 4. Таким чином, можна однозначно стверджувати що аморфні кремнеземи мають низький пульмотоксичний потенціал. Хоч вони і здатні викликати запальну реакцію при інгаляційному надходженні в організм, однак їх несприятливий вплив реалізується у дозах, які на порядки перевищують такі для кристалічних форм. Аморфні кремнеземи не депонуються у легенях і не викликають фібротичних та непластичних змін цього органу. II. Токсичність кристалічного та аморфного кремнеземів, щодо інших органів та систем Крім ураження легеневої тканини, тривала експозиція із кристалічними кремнеземами збільшує ризик виникнення системних захворювань автоімунного генезу. Епідеміологічні дослідження, проведені серед робітників, що контактували із кремнеземним пилом, виявили більшу частоту випадків таких захворювань, як ревматоїдній артрит, системний склероз та склеродермія, червоний вовчак, саркоїдоз, змішані захворювання сполучної тканини, автоімунні гемолітична анемія, дерматит, дерматоміозит, кон'юнктивіти та васкуліти (в т.ч. синдром Вегенера з переважним ураженням нирок), гломерулонефрит та ін. [3, 10, 13, 14, 22]. Ураження нирок, пов'язані з експозицією до кремнеземів, мають не тільки імунне походження і будуть розглянуті нижче. Слід також відмітити, що автоімунна та інша кремнезем-асоційована патологія може розвиватись як на тлі первинного силікотичного ураження легень, так і без нього [3, 13]. Причини розвитку зазначених автоімунних захворювань остаточно не з'ясовані. На сьогодні існує декілька теорій, пояснюючих зрив толерантності, що виникає під впливом кремнеземів. Так, за однією з них автоантигени можуть бути модифіковані за рахунок тривалого впливу як власних активних груп поверхні кремнезему, так і вільних радикалів кисню та азоту, що утворюються при його контакті з клітинами-мішенями. Ці змінені автоантигени розпізнаються імунною системою як чужорідні. Автоантитіла та цитотоксичні лімфоцити, що продукуються у відповідь на них, будуть зв'язуватись також з істинними автоантигенами за рахунок перехресної реактивності. Сформовані із автоантигену та автоантитіл циркулюючі імунні комплекси можуть осаджуватись в мікроциркуляторному руслі різних органів (суглобів, шкіри, нирок), викликаючи ураження клітин "шокового" органу [3]. Слід враховувати також, що контакт часток кремнезему може відбуватись не тільки у клітинах легень, але й в регіональних лімфовузлах, куди кристали кремнезему можуть бути занесені фагоцитами, що значно збільшує кількість клітин, задіяних у процесі імунної відповіді [13]. Крім того, вільні радикали можуть безпосередньо викликати мутації ДНК, наступну продукцію антиядерних антитіл, антитіл до двунитчатої ДНК та топоізомерази І [10]. Давно відомо, що білки та фосфоліпіди, адсорбовані на поверхні кремнезему, повністю чи частково денатуруються і можуть набувати антигенних властивостей, забезпечуючи імунну відповідь, вмикаючи апоптоз та інші цитотоксичні реакції. У якості HLA-антигенів можуть також виступати колагени та Fc-фрагменти імуноглобулінів [3, 13]. В останні роки набула популярності гіпотеза, згідно якої в основі автоімунної патології лежать розлади імунної регуляції, викликані порушенням продукції відповідних цитокінів Т-лімфоцитами хелперами І та ІІ типів. При цьому провідна роль віддається прозапальним цитокінам TNFa, IL-1, IL-2, IL-6, тромбоцитарному та трансформуючому факторам росту, g-інтерферону, які постійно продукуються компетентними клітинами під час біоперсистенції кристалічного кремнезему в організмі [10, 13]. Додатково у ході хронічного запалення FasL, що експресують автореактивні Т-лімфоцити, зв'язуючись з Fas-рецепторами можуть індукувати апоптотичну загибель клітин-мішеней, а Т-клітинні і макрофагальні лімфокіни — поліклональну активацію В-лімфоцитів, викликаючи їх проліферацію і підвищення продукції антитіл, особливо IgA і IgG [3, 21]. Здатність аморфних кремнеземів викликати автоімунізацію при інгаляційному шляху введення в організм не зафіксована ні при епідеміологічних дослідженнях, ні в експерименті. Можливо, це пояснюється відсутністю кумулятивного, генотоксичного і фіброгенного ефектів у цієї форми SiO2 та меншою деформацією білків і фосфоліпідів, зв'язаних її поверхнею [3, 10, 13]. Пероральне ж призначення високодисперсного аморфного кремнезему (100 мг/кг, тричі на добу, курс 7—10 днів) в комплексному лікуванні хворих на бронхіальну астму та хронічний обструктивний бронхіт — захворювань автоімунного генезу зменшувало інтенсивність процесів ПОЛ і стимулювало антиоксидантний захист. Показники клітинної і гуморальної ланок імунітету також зазнавали позитивних змін: майже вдвічі знижувалась кількість циркулюючих імунних комплексів і зростав титр гетерофільних аглютинінів [7]. Подібні результати спостерігались при включенні ВДК в терапевтичний комплекс при лікуванні інших захворювань і патологічних станів, які супроводжувались ендотоксикозом — псоріазу, екземи, у онкологічних хворих після променевої та хіміотерапії [7], що, на наш погляд, свідчить про неспецифічність дії ВДК як ентеросорбенту при лікуванні автоімунних процесів. Остання може реалізуватись за рахунок зв'язування ним ендотоксинів, що мають білкову чи поліпептидну природу. Отже, кристалічні кремнеземи можна віднести до неспецифічних чинників, задіяних у ініціації та прогресуванні системних дисфункцій імунітету, хоча цей вид токсичності проявляється не в усіх осіб, контактуючих із кремнеземним пилом, і не має прямої залежності від сумарної експозиції до кремнезему. Контакт з аморфним кремнеземом не викликав автоімунного процесу, а його використання у якості ентеросорбенту виявилось ефективним при лікуванні ендотоксикозів, в т.ч. і автоімунного генезу. 2. Нефротоксичність кремнеземів Якщо ураження імунної системи все ж прямо не пов'язані навіть з кристалічним діоксидом кремнію, то можливість ураження нирок існує для обох форм кремнезему, причому, в залежності від властивостей останніх, виникає як при інгаляційному, так і при ентеральному шляхах їх надходження до організму [3, 10, 13, 23]. Прояви нефротоксичної дії кремнеземів загалом можна розділити на три групи: Хоча механізми можливого розвитку автоімунного пошкодження нирок ми розглянули вище, слід відмітити також той факт, що в цьому органі у якості HLA-антигену може виступати колаген базальної мембрани клубочків, а сам кремній, що виводиться в основному через нирки, здатен пригнічувати активність супероксиддисмутази, каталази та глутатіонпероксидази, що запобігає руйнуванню вільних радикалів кисню [3, 11]. Автоімунна ниркова патологія, зазвичай, спостерігалась на тлі попереднього ураження легень (особливо у випадках гострого силікозу), але існує думка, що кремнезем може потрапляти безпосередньо у нирки, викликаючи там запальний процес із переважним ураженням клубочків і проксимальних канальців, який завершується перигломерулярним фіброзом — "силіконова нефропатія" [3]. Як саме малорозчинний кристалічний кремнезем, що потрапляє в організм переважно інгаляційним шляхом, досягає нирок і досі відкрите питання. Однак у робітників з високою професійною експозицією до кварцевого пилу вміст кремнію в нирках був вірогідно збільшеним у порівнянні з контролем, а в канальцях знаходили кришталики кремнезему [3]. Можливо, вони заносяться в судини нирок мігруючими макрофагами в ході біоперсистенції чи у складі комплексу із аскорбіновою кислотою, що має досить високу розчинність. Для цього ж комплексу, як і для розчинних аморфних кремнеземів, не виключена можливість всмоктування в ШКТ при пероральному шляху надходження. Остаточний висновок ускладнюється тим, що здебільшого хворі із склеротичним ураженням нирок потрапляють під нагляд в пізніх стадіях хронічної ниркової недостатності [3, 13, 14, 22]. Але дослідження останніх років виявили такі симптоми ниркової дисфункції, як низькомолекулярна протеїнурія та ензимурія (N-ацетил-бета-D-глюкозамінідаза), що свідчить про наявність цитолізу у молодих робітників з експозицією до кремнеземного пилу від 1 до 3 років без жодних проявів ураження легень [3]. Результати експериментів підтвердили припущення, що кристалічний кремнезем є дозозалежним нефротоксином [3, 10]. Свідчень стосовно прямої нефротоксичності більш розчинних аморфних кремнеземів на сьогодні не існує, але їх причетність до ураження нирок не може бути заперечена повністю. Наприклад, у експерименті на морських свинках пероральне застосування трисиліката магнію викликало центральний тубуло-інтерстиціальний нефрит з переважаючим пошкодженням дистального нефрону частіше, ніж рівна доза подрібненого кварцу [3, 9]. Проте, використання високодисперсного аморфного кремнезему у якості сорбенту (3,0 г у вигляді водної зависі 2—3 рази на добу, per os) в комплексному лікуванні хворих на хронічний гломерулонефрит виявило прискорення позитивної динаміки, особливо на І—ІІІ стадіях ХНН. Зниження рівню креатиніну та сечовини у них було в 1,6—2,1 рази більшим ніж у пацієнтів, що отримували лише традиційну терапію. Схожі результати зафіксовано у щурів з моделлю гострої ниркової недостатності, котрим для лікування перорально вводили водну суспензію цеоліту — природного алюмосилікату [7, 24]. Проте існують численні підтвердження калькульозного ефекту саме розчинних форм діоксиду кремнію. Так, кремнеземний уролітіаз визнаний наслідком тривалого застосування трисилікату магнію (антацидний засіб) та аморфного кремнезему (наповнювач у лікарських формах) [23].У тварин до аналогічних наслідків призводило пероральне введення тетраетилортосилікату [25]. Утворення кремнеземних каменів пов'язують із неадекватним діурезом, підвищенням рН сечі, дефіцитом фосфатів, Zn та Cu [23, 25], а при відсутності вищезазначених факторів цей ефект не реалізується. Так, субхронічне введення високодисперсного аморфного кремнезему навіть у дозі 1000 мг/кг не супроводжувалось зростанням рівню кремнію у крові і в нирках дослідних тварин чи збільшенням його виведення із сечею, як і макро- та мікроскопічніх змін будови нирок. Одноразове пероральне введення щурам аморфного кремнезему у дозі 10 г/кг також не відображувалось на морфології нирок [7]. За тих же умов доза 2,5 г у здорових волонтерів не викликала суттєвого збільшення екскреції кремнію із сечею [9]. Отже, не викликає сумнівів здатність кристалічного кремнезему викликати ураження нирок як шляхом автоімімунізації (гломерулонефрити, синдром Вегенера), так і в результаті його прямого дозозалежного нефротоксичного ефекту. Можливість розвитку уролітіазу при пероральному надходженні в організм аморфного кремнезему визначається цілим рядом факторів, таких як діурез, рН сечі, вміст в сечі інших іонів і залежить не стільки від дози кремнезему, скільки від функціонального стану нирок. 3. Кремнеземи і шлунково-кишковий тракт Якщо вплив на тканину легень краще вивчений стосовно кристалічного кремнезему, то для аморфного більш детально розглянуті його ефекти на рівні шлунково-кишкового тракту. При вдиханні пилу кристалічний кремнезем частково потрапляє і в шлунково-кишковий тракт, отож, існує думка, що реалізація його цито- та генотоксичного ефектів при контакті зі слизовими оболонками ШКТ збільшить ризик виникнення пухлин стравоходу та шлунку. Але чіткої залежності, як для азбесту, пероральне введення якого збільшувало рівень тимідину та синтез ДНК в слизових оболонках ШКТ експериментальних тварин та проліферацію ентероцитів, для кристалічного кремнезему не встановлена [3, 9, 10, 13]. Хоча подібні ефекти і спостерігались в дослідах in vitro з культурами клітин, 6-денне введення щурам кристалічного кремнезему per os у дозі 50 мг/добу не супроводжувалось відкладанням кристалів кремнезему чи проліферативними змінами в підслизовій і м'язовій оболонках кишківника та у регіональних лімфовузлах [9, 10, 18]. Пероральне введення аморфних кремнеземів не викликало патологічних змін морфо-функціонального стану ШКТ [9, 7]. Так, у дозі 100 мг/кг високодисперсний аморфний кремнезем при субхронічному введенні не порушував моторно-евакуаторну функцію кишківника, його довжину та білково-ліпідний склад слизової оболонки, не викликав активації перекисного окислення ліпідів. Вміст основних компонентів глікозаміногліканів — глюкуронової кислоти та гексозамінів у слизовій оболонці тонкого кишківника не змінювало і трьохмісячне введення ВДК у дозі 330 мг/кг [7]. Тільки в дозі 1000 мг/кг він дещо пригнічував активність ферментів плазматичних мембран — 5-нуклеотидази та Na+, K+-АТФ-ази та достовірно зменшував активність ферментів щіткової обкладинки — сахарази та лужної фосфатази. Активності Mg2+-АТФ-ази, глутаматдегідрогенази, g-глутамілтрансферази, глутатіон-S-трансферази, NADH- і NADPН-редуктаз та арілестерази взагалі не змінювались. Хоча після місячного введення ВДК мала місце активація лізосомальних ферментів — катепсину Д та кислої фосфатази, наприкінці третього місяця введення ці показники нормалізувались [7]. Пероральне введення ВДК у дозі 100 мг/кг помітно не змінювало морфології слизової оболонки тонкого кишківника у порівнянні з контролем. Доза 1000 мг/кг викликала лише помірне вкорочення ворсин, зменшення відстані між ними та збільшення кількості бокаловидних клітин — тобто, звичайну адаптаційну реакцію на змінений склад хімусу. 4. Інші види токсичності кремнеземів При ентеральному введенні жодної з форм кремнезему не було зафіксовано автоалергічних реакцій чи фіброзу органів ШКТ, можливо, через феномен супресії імунної відповіді. Проте, підшкірне чи внутрішньоочеревинне введення кристалічного кремнезему дослідним тваринам призводить до ураження печінки у вигляді силікозу, цирозу, аденоми чи карциноми [10,14]. А у хворих на силікоз легень в деяких випадках розвивався перітонеальний силікоз з переважним ураженням печінки і селезінки [14]. Інтраперітонеальне введення аморфного кремнезему також викликало склеротичні зміни внутрішніх органів, але ці зміни не були незворотними. Щоденне внутрішньошлункове введення аморфного кремнезему в дозах 100, 330 та 1000 мг/кг протягом 20 днів, 1, 2, 3 і 6 міс суттєво не впливало на рівень лізоциму, титр гетерофільних аглютининів та бактерицидну активність сироватки крові. Доза 1000 мг/кг в ранніх термінах спостереження (20 днів, 1 та 2 міс) викликала деяке зниження активності комплементу, але в подальшому цей показник не відрізнявся від контролю. Не відмічено суттєвих змін лейкограми та показників клітинного імунітету у щурів після 20, 30, 60 та 90 добового введення аморфного кремнезему у вказаних дозах. Тільки 14-денне та місячне введення ВДК у дозі 1000 мг/кг дещо знижувало кількість лімфоцитів, здатних давати реакцію Е-РОК, та Т-супресорів; згодом відхилень від фонових показників не було зафіксовано. Отже, імунний статус піддослідних тварин не зазнавав значних змін при ентеральному введенні аморфного кремнезему навіть у дозі 1000 мг/кг [7]. Стосовно місцево-подразнюючої дії кристалічного кремнезему описано випадки виникнення шкірних гранульом у контактних осіб [3, 9, 10]. Аплікаційне застосування високодисперсного аморфного кремнезему як у зневодненому стані, так і у вигляді 10% гелю не викликало порушень функцій шкіри, потових залоз та шкірно-судинних рецепторів [7]. У кролів, яким в кон'юктивальний мішечок очей закапували 3% завись аморфного кремнезему, відмічено нетривалий блефароспазм, миготіння повік, звуження очної щілини, незначну ін'єкцію судин і гіперемію кон'юнктиви, а в медіальному куті ока — грудочки густого слизу . Корнеальний рефлекс, діаметр зіниці, прозорість рогівки не змінювались, набряку слизової оболонки не спостерігалось. Вже на Місцево-подразнююча дія аморфного кремнезему при внутрішньошкірному введенні була оцінена по місцевому накопиченню барвника — трипанового синього, яке не було інтенсивним, як в перші години експерименту, так і в подальшому, а через 2 тижні зникало безслідно [7]. Отже, порівняння впливу кристалічної та аморфної форм діоксиду кремнію щодо легень, нирок, шлунково-кишкового тракту та імунної системи засвідчило значно меншу токсичність останньої. Такі разючі відмінності в токсичності двох форм діоксиду кремнію, в спектрі і перебігу біохімічних реакцій, опосередкованих їх поверхнею, незважаючи на велику кількість проведених спостережень та експериментальних досліджень, все ж не знайшли пояснення. Це питання залишається відкритим і потребує подальшого вивчення. Література |