на китайском (традиционный)

на японском языке

На французском

на каталонском

по-арабски

на чешском

на датском

на индонезийском

на тайском

на вьетнамском

на малайском

на немецком

на норвежском

на корейском

на португальском

на китайском (упрощенный)

на итальянском

на испанском

пищевых наночастиц и воспаление кишечника: реальный риск?

1. Введение

Нанотехнологии - это быстро развивающаяся область исследований и промышленных инноваций со многими потенциально многообещающими приложениями в сельском хозяйстве, здравоохранении, машиностроении, переработке, упаковке или доставке лекарств или пищевых добавок. Инженерные наноматериалы (ЭНМ) уже стали частью нашей повседневной жизни в качестве агентов для упаковки пищевых продуктов, систем доставки лекарств, терапевтических средств, биосенсоров и т.д. обычно потребляемые ЭНМ, за которыми следуют TiO ₂ , SiO ₂ , ZnO, Au, Pt и т. д. (http: // www.nanotechproject.org). Согласно последнему определению Европейского парламента и Совета [1] «наноматериал» (НМ) - это любой материал, который характеризуется как минимум одним размером ≤ 100 нм, или который состоит из отдельных функциональных частей, внутренних или на поверхности, которые иметь один или несколько размеров ≤ 100 нм, включая структуры, например агломераты или агрегаты, которые могут иметь размер более 100 нм, но сохраняют типичные свойства наноразмеров.

Во многих странах ЭНМ уже используются в качестве пищевых добавок и в упаковке пищевых продуктов: (i) наноглины в качестве диффузионных барьеров [2]; (ii) Ag-NP как противомикробный агент [3,4]; (iii) силикаты и алюмосиликаты (E554, E556, E559) в качестве агентов против слеживания и слипания, а также в зубных пастах, сырах, сахаре, сухом молоке и т. д. [5]; (iv) TiO ₂ (E171) для отбеливания и осветления, e.г. в соусах и заправках, в некоторых порошкообразных пищевых продуктах [6] и т. д. Согласно отчету ФАО / ВОЗ [7], ENM имеют несколько текущих или планируемых применений в агропродовольственном секторе: наноструктурированные пищевые ингредиенты; системы нанодоставки; органические и неорганические наноразмерные добавки; нанопокрытия на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами; поверхностные функционализированные НМ; нанофильтрация; наноразмерные агрохимикаты; наносенсоры; обеззараживание воды,…

С увеличением количества ЭНМ, присутствующих в потребительских и промышленных товарах, риск воздействия на человека возрастает, что может стать угрозой для здоровья человека и окружающей среды [8].Отдельные ENM могут вести к одной или нескольким конечным точкам, которые не являются уникальными для NM, но которые необходимо учитывать, например цитотоксичность, стимуляция воспалительной реакции, образование активных форм кислорода (АФК) и / или генотоксичность. Хотя точный механизм, лежащий в основе токсичности НЧ, еще предстоит выяснить, исследования показали, что окислительный стресс и перекисное окисление липидов регулируют вызванное НЧ повреждение ДНК, разрушение клеточной мембраны и гибель клеток [9-12]. Было высказано предположение, что АФК, в свою очередь, модулируют внутриклеточные концентрации кальция, активируют факторы транскрипции, индуцируют продукцию цитокинов [13], а также приводят к усилению воспаления [14,15].Малогабаритные металлические НЧ, например Ag-NP, TiO ₂ , Co-NP также могут вызывать повреждение ДНК [16-20]. Исследования in vitro с различными типами НЧ (металл / оксид металла, TiO ₂ , углеродные нанотрубки, диоксид кремния) на различных линиях клеток продемонстрировали воспалительные реакции, связанные с окислительным стрессом. Считается, что этот ответ во многом определяется удельной поверхностью НЧ и / или их химическим составом [21-25]. Обычно биологическая активность частиц увеличивается с уменьшением размера частиц [26-29].Более того, в зависимости от химического состава НЧ демонстрируют различное клеточное поглощение, субклеточную локализацию и способность индуцировать продукцию АФК [30]. Напротив, также есть сообщения о случаях НЧ, обладающих противовоспалительными свойствами, таких как определенный оксид Се [31] и Ag-НЧ [32]. Было продемонстрировано, что нанокристаллический Ag обладает антимикробными и противовоспалительными свойствами и снижает воспаление толстой кишки после перорального введения на модели язвенного колита у крыс, что позволяет предположить, что нано-серебро может иметь терапевтический потенциал для лечения этого состояния [32].

Подводя итог, можно сказать, что на основе имеющейся в настоящее время информации нельзя сделать общих предположений относительно токсичности при воздействии НМ, их конечных точек и последствий для различных органов и тканей.

2. Поведение и судьба ENM в ЖКТ

Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) представляет собой сложную систему обмена барьеров и является одним из наиболее важных путей проникновения макромолекул в организм, а также ключевым участником иммунная система. Эпителий тонкого и толстого кишечника находится в тесном контакте с проглоченными материалами, которые всасываются ворсинками.На сегодняшний день исследования воздействия, абсорбции и биодоступности в основном сосредоточены на ингаляционном и кожном путях, и мало что известно о токсикокинетических и токсикодинамических процессах после перорального воздействия, особенно в отношении проглатывания ENM, которые присутствуют в пище.

ENM могут достигать желудочно-кишечного тракта либо после мукоцилиарного клиренса из дыхательных путей после вдыхания [33], либо могут попадать непосредственно в пищу, воду, лекарства, устройства доставки лекарств и т. Д. [8,34]. Потребление NP с пищей в развитых странах оценивается примерно в 10 ¹² частиц на человека в день, состоящих в основном из TiO ₂ и смешанных силикатов [35].Было показано, что некоторые характеристики, такие как ( i ) размер частиц [36], ( ii ) поверхностный заряд [37], ( iii ) присоединение лигандов [38,39], ( iv ) покрытия с поверхностно-активными веществами [40], а также ( v ) время введения и доза [41] влияют на судьбу и степень абсорбции ENMs в ЖКТ. Опубликованная литература о безопасности перорального воздействия ENMs, связанных с пищевыми продуктами, в настоящее время не предоставляет достаточных надежных данных для проведения четкой оценки безопасности ENM [42], что связано в первую очередь с неадекватной характеристикой ENMs [43].Например, было продемонстрировано, что более мелкие частицы проходят через слой слизи толстой кишки быстрее, чем более крупные [37]. Кинетика НЧ в ЖКТ также сильно зависит от их заряда, т.е. положительно заряженных латексных частиц остаются захваченными в отрицательно заряженной слизи, в то время как отрицательно заряженные частицы диффундируют через слой слизи, и становится возможным их взаимодействие с эпителиальными клетками [41].

НЧ, которые проходят через слизистый барьер, могут перемещаться через эпителий кишечника, что будет зависеть не только от физико-химических характеристик НЧ [36-41], но и от физиологического состояния ЖКТ [44].Транслокация NPs, потенциально используемых в качестве пищевых компонентов, через GIТ еще предстоит изучить [45]. Большая часть текущих знаний о потенциальной токсичности НЧ была получена с помощью тест-систем in vitro, или in silico, . После приема внутрь транслокация частиц через ЖКТ может происходить разными путями:

1. Эндоцитоз через «обычные» эпителиальные клетки (НЧ <50–100 нм) [46].

2. Трансцитоз посредством поглощения микроскладчатыми (M) клетками на поверхности лимфоидной ткани кишечника (НЧ размером 20-100 нм и мелкие микрочастицы i.е. 100 - 500 нм) [47]. М-клетки представляют собой специализированные фагоцитарные энтероциты, локализованные в лимфатической ткани кишечника - пейеровы пятна (PP). Этот трансцитотический путь происходит через образование пузырьков на апикальной (, т.е. просвет) клеточной мембране, которая поглощает некоторый внеклеточный материал, который затем перемещается по клетке, ускользая, таким образом, для слияния с лизосомами, сливается с базолатеральной мембраной (, т.е. серозной) и высвобождает материал на противоположной стороне кишечного барьера.Механизм зависит от размера - чем меньше размер частицы, тем легче проходит через эпителий [48-50].

3. Персорбция, при которой «старые» энтероциты вытесняются из ворсинок в просвет кишечника, оставляя «дыры» в эпителии, которые позволяют перемещаться даже крупным частицам, таким как крахмал и пыльца [51-53].

4. Другой возможный путь, с помощью которого NPs могут получить доступ к тканям желудочно-кишечного тракта, - это параклеточный путь через плотные соединения (TJs) слоя эпителиальных клеток.TJ чрезвычайно эффективны в предотвращении проникновения параклеток, хотя на их целостность могут влиять болезни, например воспаление и / или метаболиты (например, глюкоза), хелаторы кальция (например, цитрат) [54] и даже эндоцитоз частиц [55].

Все вышеперечисленные пути могут участвовать в транслокации НЧ. Существует ряд опубликованных отчетов, в которых говорится об участии различных типов эндоцитоза в процессе интернализации НЧ: клатрин-опосредованный путь, кавеолин-опосредованный эндоцитоз и макропиноцитоз для TiO ₂ [56], размерно-зависимый эндоцитоз для Au-NP. [57]; эндоцитотические пути описаны для SiO ₂ [58,59] и Ag-NP [60] и т. д.

Несколько исследований показали, что явление персорбции справедливо и для НЧ, например в случае коллоидных Au-НЧ [36]. Малые и большие НЧ потенциально получают доступ к этому маршруту, тем не менее, его количественная значимость остается низкой, поскольку он кажется очень неэффективным по сравнению с активным захватом частиц М-клетками. Например, было показано, что один купол лимфоидного фолликула кроличьего ПП может транспортировать около 10 ⁵ микрочастиц диаметром 460 нм за 45 мин [61].Можно было предположить, что для более мелких частиц это будет еще более эффективно.

Поглощение частиц может происходить не только через М-клетки лимфоидного фолликул-ассоциированного эпителия (FAE) в PP [49,62], но также через нормальные кишечные энтероциты [46]. В ряде сообщений о поглощении микро- и наночастиц в кишечнике утверждается, что поглощение инертных частиц происходит трансклеточно через нормальные энтероциты и через М-клетки [61,63-65], а также, в меньшей степени, через параклеточные путь [66].

3. Соответствующая модель in vitro кишечного барьера

В настоящее время существует несколько признанных параметров, используемых для оценки цитотоксичности ENM in vitro , таких как жизнеспособность клеток, стрессовые и воспалительные реакции, генотоксичность и т. Д. [67]. Однако следует отметить, что из-за специфических физико-химических свойств ENM существующие в настоящее время анализы токсичности in vitro могут иметь ограниченное применение, и методы должны быть тщательно разработаны, чтобы исключить влияние материалов наноразмеров на сам анализ [ 28].Оценка риска еще более затрудняется отсутствием стандартизированных систем тестирования, отвечающих этим критериям. В соответствии с новым европейским законодательством о химических веществах (REACH) должны быть разработаны новые тестовые системы для скрининга токсичности ENM, например системы клеточных культур, которые будут лучше отражать параметры токсичности in vivo и [68].

Клетки аденокарциномы толстой кишки человека (Caco-2) воспроизводимо проявляют ряд свойств, характерных для дифференцированных энтероцитов, и являются наиболее популярной системой культивирования клеток для изучения кишечного пассажа и транспорта [69,70].Культивируемые клетки Caco-2 спонтанно дифференцируются в поляризованные монослои [71], которые обладают апикальной щеточной каймой и экспрессируют функциональные TJs, ферменты биотрансформации и оттокные насосы [72]. Клетки Caco-2 растут как монослой и полностью дифференцируются также на полупроницаемых мембранах двухкамерных вставок. Это позволяет отделить апикальный (AP) компартмент от базолатерального (BL), отражая просвет кишечника и серозную сторону соответственно [65]. Транспорт молекул и ионов от AP к стороне BL и наоборот требует прохождения либо через клетки (трансклеточный путь), либо между клетками через TJ (параклеточный путь).

Эпителий выстилки кишечника по большей части непроницаем для микроорганизмов и микрочастиц, за исключением лимфоидного FAE, обнаруженного в PP [49,73,74]. М-клетки ответственны за транспорт антигенов, бактерий, вирусов, а также микро- и НЧ к антигенпрезентирующим клеткам внутри и под эпителиальным барьером, что является первым шагом в развитии иммунных ответов [75]. Существует лишь неполное и неадекватное понимание развития и функции FAE, а также генов и белков, ответственных за их специализированные функции.Одним из возможных подходов к изучению таких сложных и специализированных тканей является использование систем клеточных культур, более точно воспроизводящих особенности ткани in vivo . Kernéis et al. [76] продемонстрировали, что совместное культивирование клеток Caco-2 с мышиными PP-лимфоцитами, по-видимому, превращает клетки Caco-2 в M-подобные клетки, включая усиленный транспорт частиц через монослой эпителия. Для индукции этого фенотипа не требовался прямой контакт с клетками, так как это было также достигнуто посредством физически разделенного совместного культивирования клеток Caco-2 и лимфомы Беркитта человека (Raji B) во вставках для двухкамерных культур [77].Хотя неясно, точно ли эта модель воспроизводит все особенности функции in vivo M-клеток, тем не менее исследования подтвердили, что клетки Caco-2, совместно культивируемые с Raji B-клетками in vitro , экспрессируют несколько генов, специфически экспрессируемых в FAE. in vivo [78].

В улучшенной модели совместного культивирования in vitro в двухкамерной системе клетки Caco-2 подвергались воздействию лимфоцитов из камеры BL. В так называемой «инвертированной» модели (рис. 1) было показано, что лимфоциты мигрируют в монослой и вызывают преобразование фенотипа энтероцитов в фенотип М-клеток [76,79].Недавно des Rieux et al. [65] охарактеризовал инвертированную модель и сравнил ее с ранее разработанной [77]. Согласно этим результатам, в инвертированной модели, степень конверсии М-клеток оценивалась в диапазоне от 15 до 30% (для сравнения она составляла <10% в FAE человека [80]). Сравнение моделей in vitro и показало, что инвертированная модель оказывается физиологически и функционально более воспроизводимой и эффективной, чем нормально ориентированная [65].Таким образом, эту улучшенную модель можно использовать для лучшего описания и понимания биологических эффектов, механизмов абсорбции и транспорта НЧ в клетках кишечника.

Рисунок 1.

Модель совместного культивирования В-клеток Caco-2 и Raji [63].

4. Целостность эпителиального барьера и воспалительный ответ под действием НЧ

Во время своей дифференцировки эпителиальные клетки развивают соединительные структуры между соседними клетками и образуют плотный защитный барьер, который ограничивает всасывание некоторых питательных веществ и веществ, в то же время, обеспечивает физический барьер, затрудняющий проникновение провоспалительных молекул, например.г. патогены, токсины, антигены и ксенобиотики из просветной среды в ткани слизистой оболочки и систему кровообращения. Этот барьер состоит из нескольких структур [81], где TJs являются наиболее апикальными компонентами соединительного комплекса и являются основными привратниками эпителиального параклеточного прохода. Нарушение барьера TJ и увеличение межклеточной проницаемости с последующим проникновением провоспалительных молекул в просвет может активировать иммунную систему слизистой оболочки, что приводит к хроническому воспалению и повреждению тканей [75].Доказано, что кишечный барьер TJ играет решающую роль в патогенезе кишечных и системных заболеваний [82–84]. В физиопатологических условиях провоспалительные цитокины, антигены и патогены способствуют нарушению барьера [85,86]. Принимая во внимание нарушения целостности TJs в условиях воспаления, можно было предположить, что NP, которые вызывают стресс и / или воспалительные реакции, также могут влиять на целостность TJs.

Несколько методических подходов позволяют измерить барьерную функцию в культурах клеток, например.г. оценка трансэпителиального электрического сопротивления (TEER) и прохождения маркерных молекул, таких как Lucifer Yellow (LY) [87]. Наши результаты показали, что под воздействием НЧ Ag <20 нм происходит нарушение целостности барьера. На рисунке 2А показаны значения TEER как моно-, так и совместных культур клеток Caco-2 после 3 часов инкубации с различными концентрациями Ag-NP. Значения TEER уменьшались по мере увеличения концентрации Ag-NP, хотя это снижение было менее очевидным в условиях совместного культивирования - модель, которая ближе к физиологическим условиям FAE.

Рисунок 2.

(A) и пассаж LY (B) моно- и совместных культур клеток Caco-2 при инкубации с Ag-NP (NM-300K, репозиторий JRC, Ispra, IT) при 15 - 90 мкг / мл. Эксперименты проводились на моно- и совместных культурах (т.е. клетках Caco-2 с лимфоцитами Raji B), культивируемых в течение 21 дня в бикамерных вставках из поликарбоната с размером пор 3 мкм (Transwell TM, Corning Costar, NY) для достижения полной дифференцировки и совместные культуры, частичное превращение в М-подобные клетки. Значения TEER измеряли с помощью вольт-омметра Millicell-ERS (World Precision Instruments, Сарасота, Флорида) в начале и после 3-часового инкубационного периода с Ag-NP.Транспортировка LY наблюдалась в течение 3-часового периода с 30-минутным временем отбора проб из отсека BL. Оба изменения значений TEER (P <0,0001) и прохождения LY (P <0,003) были рассчитаны как процент от исходного значения. Данные представляют собой средние значения ± SEM из 4 независимых экспериментов. * Образцы достоверно отличались от контроля (результаты считались достоверными при P <0,05).

Прохождение LY оценивали по количеству LY, которое прошло из AP в компартмент BL (рис. 2B).Присутствие Ag-NP увеличивает уровень LY в компартменте BL, который зависит от концентрации NP. Эти результаты коррелируют со снижением значений TEER, вызванным NP. Интересно, что в отличие от результатов TEER, совместные культуры имели более высокую скорость пассажа LY, чем соответствующие монокультуры.

Чтобы иметь представление о молекулярных механизмах индуцированного Ag-NPs нарушения целостности барьера, было реализовано иммуноокрашивание с анализом конфокальной микроскопии двух белков TJs окклюдина и ZO-1.Как показано на Фигуре 3, в клетках, обработанных Ag-NP, непрерывность как окклюдина, так и ZO-1 была нарушена при контрольном сравнении, и наблюдалась агрегация обоих белков. Далее следует отметить, что монокультуры были более восприимчивы к влиянию Ag-NP, чем сокультуры, и изменения в распределении белков были более заметны в монокультурах. Результаты иммуноокрашивания, в свою очередь, подтвердили данные TEER, где более очевидное снижение было оценено в случае монокультуры (рис. 2).

Рис. 3.

Субклеточная локализация каркасных белков окклюдина и ZO-1 TJs. Моно- и совместные культуры клеток Caco-2, выращенных на бикамерных вставках, обрабатывали Ag-NP (45 мкг / мл) в течение 3 часов, а затем обрабатывали для иммуноокрашивания (B и D). Необработанные клетки использовали в качестве контроля (A и C). Для визуализации окклюдина и ZO-1 мышиный анти-окклюдин и мышиный анти-ZO-1 (оба от Invitrogen) использовали в качестве первичных антител, а также козьи антимышиные антитела Alexa Fluor 488 (Invitrogen) в качестве вторичных антител.Изображения были получены с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа; масштабные линейки составляют 15 и 25 мкм для окрашивания окклюдином и ZO-1 соответственно.

Наблюдаемые изменения были обратимы при низких концентрациях Ag-NPs (до 30 мкг / мл): значения TEER и распределения белков TJs восстанавливались до контрольного уровня. Сообщалось также, что другие НП обладают способностью открывать TJ. Например, НЧ хитозана были способны временно и обратимо открывать эпителиальные ТС [88].

В отличие от Ag-NP мы не наблюдали изменений ни значения TEER, ни скорости пассажа LY, ни распределения белков TJs при инкубации моно- и сокультив клеток с аморфным SiO ₂ <25 нм (NM-200, Репозиторий JRC, Ispra, IT) (результаты не показаны).Эти находки предоставляют дополнительные доказательства того, что основной вклад в нарушение целостности барьера, обеспечиваемое NPs, по-видимому, принадлежит заряду NPs. В частности, ранее сообщалось, что нейтральные и низкие концентрации анионных НЧ не влияют на целостность гематоэнцефалического барьера, в отличие от анионных НЧ в высоких концентрациях и катионных НЧ [89]. Ряд недавних исследований in vitro, и in vivo, подчеркивают важность поверхностного заряда НЧ для клеточного поглощения и биораспределения [90-92], указывая на то, что для большинства НЧ положительный поверхностный заряд усиливает интернализацию клеток [92-94 ].Последнее, вероятно, связано с адсорбцией различных биомолекул на поверхности НЧ в зависимости от заряда поверхности, а также от химических характеристик НЧ [95].

Другим основным условием разрушения TJs, вероятно, является клеточный окислительный стресс, возможно, вызванный NPs [96]. Наши результаты показали, что интенсивность флуоресценции индикатора окислительного стресса дихлорфлуоресцеина увеличивалась при воздействии на клетки Ag-NP в течение 3 часов (рисунок 4).Индукция генерации АФК зависела от концентрации НЧ, достигающей от 1,5 до 3-кратного увеличения по сравнению с необработанными клетками. Таким образом, один из механизмов токсичности Ag-NPs, вероятно, может быть опосредован окислительным стрессом, который, как уже сообщалось, участвует в модуляции целостности TJs [97].

Рисунок 4.

Влияние Ag-NP (5-90 мкг / мл) на внутриклеточную генерацию ROS в клетках Caco-2. Генерацию ROS исследовали с использованием анализа дихлорфлуоресцеина (DCFH).После окисления внутриклеточными окислителями DCFH становится DCF и излучает флуоресценцию, количественная оценка которой является надежной оценкой общего образования разновидностей кислорода. Уровень внутриклеточных ROS представлен как процент от соответствующего начального значения после инкубации вместе с NP в течение 3 часов при 370 ° C. Данные представляют собой средние значения ± стандартная ошибка среднего для 3 экспериментов с 3 различными образцами для каждого условия, P <0,0001.

В целом результаты показывают, что некоторые НЧ, например хитозан или Ag-NP могут увеличивать проницаемость эпителиального барьера и, следовательно, могут служить эффективным носителем для пероральной доставки лекарств [44].Однако следует отметить, что увеличение проницаемости эпителия, в свою очередь, может способствовать системной абсорбции ENM, токсинов и других ксенобиотиков и, вероятно, вызвать активацию иммунной системы.

5. Потенциальная токсичность ENM в случае измененной физиологии кишечника

Сообщалось, что воздействие некоторых НЧ связано с возникновением аутоиммунных заболеваний, таких как системная красная волчанка, склеродермия и ревматоидный артрит [35] . Заболевания, такие как диабет, также могут приводить к увеличению абсорбции частиц в ЖКТ [41].Кроме того, воспаление может приводить к захвату и перемещению частиц размером до 20 нм [98]. Таким образом, вопрос, который следует учитывать в связи с приемом ENMs внутрь, - это возможное увеличение их кишечной абсорбции в случае системного воздействия, такого как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) и / или болезнь Крона (БК), которые представляют собой хронические заболевания, характеризующиеся рецидивирующим и серьезным воспалением ЖКТ [99]. Болезнь Крона поражает в первую очередь людей в развитых странах, где самые высокие показатели заболеваемости и распространенности БК и язвенного колита (ЯК) были зарегистрированы в Северной Европе, Соединенном Королевстве и Северной Америке [100] с частотой 1 из 1000 человек в Западный мир [5].Однако сообщения о росте заболеваемости и распространенности из других регионов мира, например Южная или Центральная Европа, Азия, Африка и Латинская Америка констатируют прогрессирующий характер и распространение этих болезней во всем мире [100].

Нарушение функции кишечного барьера играет ключевую роль в ВЗК [101]. Повышенная кишечная проницаемость была воспроизводимо описана у пациентов с CD, что, вероятно, является предрасполагающим фактором к патогенезу и нарушению устойчивости эпителия [102,103].Сообщалось о дисфункции барьера в слизистой оболочке толстой кишки пациентов с синдромом раздраженного кишечника (СРК), которая возникает в результате повышенной межклеточной проницаемости, предположительно из-за измененной экспрессии ZO-1 [104]. Более того, считается, что стресс способствует индукции СРК и рецидива кишечного воспаления и может увеличивать межклеточную проницаемость [105]. Следует отметить, что медиаторы воспаления, такие как АФК, эндотоксины (липополисахариды) и цитокины, способны спровоцировать нарушение ТС и тем самым увеличить параклеточную проницаемость [97].Существенные изменения в структуре и функции эпителиальных ТС наблюдались также при ЯК [106,107]. Таким образом, изменение кишечной проницаемости, безусловно, может быть результатом прогрессирования заболевания, но есть свидетельства того, что это также может быть основным причинным событием.

Недавно было высказано предположение, что может существовать связь между высоким уровнем поглощения НЧ с пищей и CD. Экспериментальные результаты указывают на то, что накопление нерастворимых НЧ у человека может быть причиной нарушения функционирования желудочно-кишечного тракта, как описано в случае БК и ЯК [5].Микроскопические исследования также показали, что макрофаги, расположенные в лимфоидной ткани, могут поглощать НЧ, например сферический анатаз (TiO ₂ ) размером 100-200 нм из пищевых добавок, алюмосиликатов 100-400 нм, типичных для природной глины, и силикатов окружающей среды 100-700 нм [108]. Согласно другому исследованию, некоторые нерастворимые НЧ, такие как TiO ₂ , ZnO и SiO ₂ , при их абсорбции и прохождении через ЖКТ вступают в контакт и адсорбируют ионы кальция и липополисахариды.Образующиеся конъюгаты НЧ-кальций-липополисахарид активируют как мононуклеарные клетки периферической крови, так и фагоциты кишечника, которые обычно устойчивы к стимуляции [109].

Несмотря на недостаточность данных, связывающих потребление НЧ с инициированием ЦД и ЯК, кажется, что частицы размером 0,1–1,0 мкм могут быть вспомогательными триггерами для обострения этих заболеваний [110]. Микро- и НЧ постоянно обнаруживаются в органах, например. в ткани толстой кишки и крови больных раком, БК и ЯК, тогда как у здоровых НЧ отсутствовали [111].Некоторые данные свидетельствуют о том, что диетические НЧ могут усиливать воспаление при БК [6]. Точнее, некоторые члены популяции могут иметь генетическую предрасположенность, когда на них больше влияет потребление НЧ, и поэтому у них развивается БК [9]. Также сообщалось, что микро- и НЧ в тканях толстой кишки могут приводить к раку и прогрессированию CD [111]. Напротив, было показано, что диета с низким содержанием кальция и экзогенных микро- и НЧ облегчает симптомы CD [5]. Этот анализ до сих пор остается спорным, поскольку некоторые предполагают, что причиной этого заболевания может быть патологический ответ на пищевые NP, а не их избыточное потребление [6].

Хотя существует четкая связь между воздействием / поглощением частиц и CD, мало что известно о точной роли фагоцитирующих клеток в кишечном эпителии и, в частности, о патофизиологической роли М-клеток. Было показано, что М-клетки теряются из эпителия в случае CD. Другие исследования показали, что эндоцитотическая способность М-клеток индуцируется при различных иммунологических условиях, например. Было продемонстрировано большее поглощение частиц размером 0,1-10 мкм воспаленной слизистой оболочкой толстой кишки крыс по сравнению с неязвенной тканью [109,112].

Таким образом, более уязвимые члены населения, , т. Е. лиц с уже существующими расстройствами пищеварения, потенциально могут больше пострадать от присутствия ENM, хотя, напротив, ENM могут предлагать множество потенциальных путей лечения тех же заболеваний. Заболевания, связанные с поглощением НЧ желудочно-кишечным трактом, такие как CD и UC, неизлечимы и часто требуют хирургического вмешательства. Лечение направлено на поддержание заболевания в стадии ремиссии и в основном состоит из противовоспалительных препаратов и специально разработанной жидкой пищи [5].Если убедительно доказано, что НЧ с пищей вызывают эти хронические заболевания, их употребление в пищу следует избегать или строго регулировать.

6. Потенциальные риски / преимущества для здоровья пищевых материалов на основе нанотехнологий

Параметры абсорбции, распределения, метаболизма и экскреции (ADME), вероятно, будут зависеть от агрегации, агломерации, диспергируемости, размера, растворимости и площади поверхности. заряд и физико-химия НЧ [113]. Среди этих параметров размер, химический состав и обработка поверхности оказываются наиболее важными с точки зрения нанотоксичности [114].В химический состав, помимо химической природы самой наночастицы, входит также покрытие поверхности наночастиц [115]. Покрытия можно использовать для стабилизации НЧ в растворе, для предотвращения кластеризации или для добавления функциональности НЧ, в зависимости от предполагаемого использования. Покрытия поверхности могут влиять на реакционную способность НЧ в различных средах, включая воду, биологические жидкости и лабораторные тестовые среды [116,117]. С этой точки зрения взаимодействие НЧ с пищевыми компонентами - еще один аспект, который может потребовать рассмотрения и о котором в настоящее время имеется мало информации.Возможное взаимодействие пищевых компонентов может изменить физико-химические свойства ENM, что, в свою очередь, может повлиять на их прохождение через ЖКТ и их свойства ADME.

ENM с их очень большой площадью поверхности могут адсорбировать биомолекулы на своей поверхности при контакте с пищей и / или биологическими жидкостями с образованием биомолекулярной «короны» [96,118]. В зависимости от природы короны поведение НЧ может различаться, и может существовать потенциал для новой токсичности, не характерной ни для НЧ без покрытия, ни для адсорбированного биологического материала.Эти биомолекулы включают белки, липиды, сахара, различные вторичные метаболиты, и именно эти взаимодействия могут фактически определять, как ENM будут взаимодействовать с живыми системами. Таким образом, вышеизложенная информация о пище должна быть тщательно рассмотрена с учетом ее основных ингредиентов или компонентов, которые обладают физиологическими свойствами, которые могут влиять на абсорбцию / перемещение ENM в ЖКТ.

Несколько исследований показали, что различные пищевые компоненты оказывают благоприятное противовоспалительное и антимутагенное действие на ЖКТ.Хотя информация об этих эффектах на целостность кишечного барьера TJ ограничена, некоторые результаты доступны, например, для глутамина [119, 120] и жирных кислот [121-123]. Все больше данных свидетельствует о потенциальном защитном действии фенольных соединений на барьерную функцию эпителия и их противовоспалительные свойства [124, 125]. В частности, некоторые флавоноиды, которые входят в ежедневное питание человека, например эпигаллокатехин галлат, генистеин, мирицетин, кверцетин и кемпферол, как сообщается, проявляют промотирующее и защитное действие на кишечный барьер TJ [124, 126].

Мы наблюдали (не показаны результаты), что кверцетин ослабляет цитотоксический эффект Ag-NP на клетки Caco-2, а также позволяет восстанавливать функцию эпителиального барьера, о чем свидетельствует восстановление до исходного значения TEER и скорость пассажа LY как в моно-, так и в совместных культурах. Иммуноокрашенный анализ окклюдина и ZO-1 также выявил восстановление распределения белков в присутствии кверцетина, что дополнительно указывает на защитный эффект последнего от вредного воздействия Ag-NP.В аналогичном исследовании сообщалось, что положительно заряженные Ni-NP могут эффективно увеличивать проникновение и поглощение кверцетина раковыми клетками, что может иметь важные биомедицинские и химиотерапевтические применения [127].

Ряд опубликованных отчетов указывает на потенциальное применение антиоксидантов [10,128-130] и противовоспалительных препаратов [6,131], которые способны лечить неблагоприятные последствия для здоровья, вызванные НЧ. Например, было показано, что берберин, алкалоид с потенциальным биомедицинским применением, ослабляет дефекты барьера TJ, вызванные TNF-α, которые, как известно, нарушают целостность TJ при ВЗК [132].Сообщалось, что у крыс, которым вводили НЧ в легкие вместе с антиоксидантом , т.е. нацистелином , наблюдалось снижение воспаления до 60% по сравнению с крысами, подвергавшимися воздействию только НЧ [10].

Чтобы иметь представление о состоянии Ag-NP в присутствии кверцетина, NP были охарактеризованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM) (рис. 5). Видно, что в присутствии кверцетина происходит «кэппинг» Ag-NPs, что подтверждает уже имеющиеся данные о стабилизации Ag-NPs восстановителями.Считается, что поверхностно-активные молекулы, такие как терпеноиды и / или восстанавливающие сахара, стабилизируют НЧ в растворах, , т.е. , они, как полагают, реагируют с ионами серебра (Ag ⁺ ) и стабилизируют Ag-НЧ [133,134] . Было высказано предположение, что флавоноиды ответственны за восстановление Ag ⁺ до Ag-NP [135]. Жирные кислоты, такие как стеариновая, пальмитиновая и лауриновая кислоты, используются в качестве агентов для образования и стабилизации Ag-NP [136].

Рис. 5.

ТЕМ-анализ Ag-NPs <20 нм (NM-300K) отдельно (A) и в присутствии кверцетина (B).Средний размер Ag-NP составлял около 20 нм, масштабная линейка: 100 нм. НЧ были охарактеризованы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) (Technai Spirit TEM, FEI Company, Eindhoven, NL) доктором Дж. Мастом в отделении электронной микроскопии Центра ветеринарных и агрохимических исследований VAR-CODA-CERVA, Uccle, BE.

Еще одним важным фенольным соединением, присутствующим в рационе человека, является ресвератрол, который обладает множеством полезных эффектов для здоровья [137-141]. Принимая во внимание изобилие и полезные для здоровья эффекты ресвератрола, мы также исследовали его потенциальную защитную активность против цитотоксичности, вызванной Ag-NP.Результаты показали отсутствие защитного действия ресвератрола и, более того, в концентрации 100 мкМ, не являющейся сам по себе токсичной, он усиливал токсический эффект Ag-NP, что свидетельствует о синергетическом эффекте.

В заключение можно предположить, что фенольные соединения, в зависимости от природы и концентрации, могут оказывать различное воздействие на клетки в присутствии на НЧ. Это неудивительно, поскольку известно, что эти вещества в зависимости от концентрации могут проявлять как полезные, так и токсические эффекты [141].

7. Перспективы будущего

Нанотехнологии предлагают широкий спектр возможностей для разработки инновационных продуктов и приложений в сельском хозяйстве, производстве пищевых продуктов, переработке, консервировании и упаковке. Тем не менее, нынешний уровень знаний все еще содержит много пробелов, не позволяющих специалистам по оценке риска установить безопасность многих возможных применений нанотехнологий, связанных с пищевыми продуктами [142]. В настоящее время рутинная оценка ENM in situ в матрице пищевых продуктов или кормов невозможна, равно как и невозможно определить физико-химическое состояние ENM, что увеличивает неопределенность в оценке воздействия.Сложные матрицы, присутствующие в пище, затрудняют обнаружение и определение характеристик ENM в конечных продуктах питания / кормах, которые сами по себе содержат широкий спектр природных структур в наноразмерном масштабе. Информация о способности ENMs преодолевать эпителиальные барьеры, такие как GIT, гематоэнцефалический барьер, плацента и гемато-молочный барьер, также важна для идентификации опасностей. Также очевидно, что оценка провоспалительного потенциала ENM является еще одним актуальным вопросом, поскольку само воспаление связано с рядом высокочастотных заболеваний, например.г. рак, диабет, заболевания кишечника и т. д.

Из приведенного выше обсуждения и исследований, представленных в этом обзоре, очевидна потребность в дополнительных токсикологических исследованиях производимых ENM. В дополнение к стандартным тестам необходимо разработать соответствующие и быстрые методы скрининга, чтобы иметь возможность контролировать уровень воздействия, а также улучшенные модели, которые позволят оценить токсичность и позволят лучше понять задействованные механизмы. Использование разработанных и хорошо охарактеризованных систем культивирования клеток in vitro и может иметь значение для оценки кишечных и иммунных ответов на ENM, а также для адаптации условий к конкретным состояниям здоровья или группам потребителей с особыми потребностями, например, в случае заболеваний кишечника.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить, может ли характерное ежедневное потребление ENM усугублять или вызывать симптомы заболевания у субъектов с повышенной восприимчивостью, такие как воспаленное состояние ЖКТ в случае ВЗК, БК, ЯК, или даже быть его причиной.

Еще один аспект, заслуживающий тщательного изучения, - это возможное взаимодействие ENM с пищевыми продуктами / компонентами кормов, которое, в свою очередь, может влиять на общее поведение и эффект не только ENM, но и на биодоступность пищевых компонентов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность д-ру Яну Масту, главе отдела электронной микроскопии в VAR-CODA-CER VA, Uccle, Бельгия, за научную и техническую поддержку в реализации анализа с помощью просвечивающей электронной микроскопии, а также за биологическую Платформа визуализации (IMAB) Католического университета Лувена (Лувен-ла-Нев, Бельгия) для реализации конфокальной микроскопии. Это исследование финансировалось Федеральной государственной службой Бельгии и Федеральной научной политикой Бельгии (BELSPO).

Бактерии и вирусы | FoodSafety.gov

Смотрите также

• 
  Урчание в кишечнике и жидкий стул причина
• 
  В кишечнике лопнул сосуд
• 
  Как заваривать тысячелистник для кишечника
• 
  Желчь в кишечнике симптомы
• 
  Зарядка для кишечника в домашних условиях
• 
  Сыр склеивает кишечник
• 
  Что такое спайки кишечника
• 
  Боли в желудке и кишечнике лечение
• 
  Аминокислоты подвергающиеся гниению в кишечнике
• 
  Способ очистить кишечник самый простой
• 
  Линекс при синдроме раздраженного кишечника