Российские ученые впервые с помощью компьютерного моделирования показали, как нанопластик проникает в клеточные мембраны и вытесняет из них холестерин. Это нарушает жесткость и барьерную функцию оболочки, что может провоцировать гибель клеток или их злокачественное перерождение, приводя к тяжелым заболеваниям, включая онкологические. Открытие дает импульс созданию точных тестов токсичности и разработки безопасных полимеров нового поколения, отметили эксперты. Однако, какие концентрации нанопластика в организме по-настоящему опасны, еще предстоит выяснить.
Чем важен холестерин в клетках
Ученые из Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого с помощью компьютерного моделирования впервые показали, как мельчайшие частицы пластика, попадая в клеточные мембраны, способны изменять распределение холестерина.
— Это важнейший строительный материал клеточных оболочек. Он отвечает за их механические свойства и фазовое поведение мембраны (делает ее прочной и при этом подвижной, чтобы клетка нормально работала. — «Известия»). Также опосредованно холестерин влияет на функционирование мембранных белков, — рассказал «Известиям» главный научный сотрудник Центра исследования проблем микропластика НовГУ Андрей Гуртовенко.
Как показали результаты исследования, попадая в организм, нанопластик вызывает повреждение клетки. Это, в свою очередь, чревато их гибелью или злокачественным перерождением, что в перспективе может привести к хроническим воспалениям и онкологическим заболеваниям, добавил он.
Справка «Известий»
Пластиковый мусор под воздействием солнца, ветра, воды и микроорганизмов «перемалывается» в мелкие фрагменты — размером до нескольких нанометров. Также такие частицы попадают в окружающую среду из косметики, моющих средств и синтетической одежды при стирке. Они находятся повсюду — в океанах, реках, почве, растениях. В организм нанопластик проникает вместе с едой, водой, воздухом и — в меньшей степени — через кожу. Внутри эти частицы способны преодолевать естественные барьеры, проникать в кровоток, а оттуда — во внутренние органы и даже в головной мозг.
Как нанопластик повреждает клеточную мембрану
Чтобы понять, что происходит при контакте нанопластика с организмом, была создана модель клеточной оболочки, сообщил Андрей Гуртовенко. Она представляет собой двойной слой липидов — жировых молекул. Виртуальная мембрана содержит 33% молекул холестерина, что соответствует концентрации, характерной для человеческих клеток.
Затем в систему поместили сферические частицы из двух самых распространенных пластиков — полипропилена и полистирола. Из них, как правило, изготавливают одноразовую посуду и упаковку. Размер частиц — около 4–4,5 нм, что сопоставимо с толщиной клеточной мембраны.
По словам ученого, согласно расчетам, проникновение такой частицы в оболочку клетки занимает от сотых долей секунды до нескольких часов. Попадая внутрь мембраны, она занимает положение между слоями и вытесняет молекулы холестерина, в результате чего в структуре образуются участки, лишенные этих молекул. Такие зоны изменяют свойства мембраны, делая ее либо избыточно текучей, либо чрезмерно жесткой, либо хрупкой.
Кроме того, нанопластик может вызывать перераспределение холестерина между слоями мембраны, из-за чего она теряет способность эффективно выдерживать механическое напряжение. Нарушается и барьерная функция клеточной оболочки — она начинает пропускать вещества, которые ранее задерживались.
При этом ученый отмечает, что подобные эффекты возможны лишь при крайне высоких концентрациях нанопластика в организме. При каких условиях они могут возникать, остается предметом дальнейших исследований.
Почему нужно различать микро- и нанопластик
— Описанное внедрение инородных частиц в структуру клеточных мембран может влиять на работу синапсов в нервной системе, клеток иммунитета и даже на метаболические параметры — такие как сахар в крови, чувствительность к инсулину и другие, — пояснил «Известиям» молекулярный биолог, научный сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова Сергей Харитонов.
Однако полученные результаты — итог моделирования на упрощенной модели, а не на живых клетках, добавил эксперт. В реальном организме мембраны устроены сложнее: снаружи они покрыты гликокаликсом — «пушистым» слоем из цепочек сахаров (углеводов), а до 50% площади мембраны занимают белки, которые могут сглаживать или предотвращать эффекты, предсказанные моделью.
Тем не менее работа помогает понять, какие свойства наночастиц делают их потенциально опасными для клеток. Это важно для создания точных систем проверки токсичности нанопластика и для разработки новых безопасных материалов, которые при разрушении образуют менее биологически агрессивные частицы.
— Атомистическая компьютерная симуляция — «золотой стандарт» для изучения взаимодействий на молекулярном уровне. Работа показывает строгий механизм, как частицы нанопластика вытесняют холестерин, нарушая жесткость мембраны, — прокомментировал доцент кафедры «Общая и клиническая фармакология» Пензенского государственного университета Евгений Курдюков.
По его словам, изучение этого механизма может помочь врачам лучше понять, каким образом нанопластик потенциально связан с развитием инфарктов и влияет на нейродегенеративные процессы. Кроме того, полученные результаты могут лечь в основу разработки лекарственных препаратов, которые будут способствовать агрегации нанопластика в крупные частицы, легко выводимые из организма.
В целом, исследование служит аргументом в пользу необходимости разграничения микропластика и нанопластика в законодательстве, поскольку их поведение в организме существенно различается, подчеркнул специалист.
— Практическая польза таких исследований — в том, что они помогают понять, какие размеры частиц, типы пластика и свойства поверхности потенциально опаснее и на что токсикологам нужно смотреть во время экспериментов: проницаемость мембран, воспалительный ответ, гибель клеток, изменения в работе мембранных белков, — объяснил «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан Альберт Ризванов.
Это полезно для оценки рисков, разработки безопасных материалов, средств фильтрации воды и воздуха, а также для будущего регулирования оборота пластиковых продуктов, сообщил он. При этом в исследовании отсутствуют данные о путях поступления и распределении частиц в тканях, учета их выведения из организма, сравнение разных форм, а также проверка результатов на живых клетках при дозах, близких к реальным.
Авторы подчеркивают, что повреждающий эффект может проявляться лишь при высоких концентрациях нанопластика, однако их уровень в организме пока не известен, отметил Альберт Ризванов. По его словам, исследование важно как шаг к пониманию потенциальных рисков, но не как окончательное подтверждение угрозы.