Результат интеллектуальной деятельности: Способ прогнозирования морфологических изменений в тканях внутренних органов от токсического воздействия микро- и наноразмерных частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля

Изобретение относится к области медицины, а именно к токсикологии, гигиене, и профессиональной патологии, в частности, к способам прогноза токсического действия на ткани внутренних органов при хроническом воздействии на них частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля, т.е. оксидов металлов и неметаллов s-, р-, d- элементов таблицы Менделеева Д.И. Предлагаемый способ предназначен для оптимизации профилактических мероприятий в здравоохранении, рационализации и повышения информативности экспериментальных исследований в области промышленной и экологической токсикологии.

В современных условиях развитие фундаментальной и прикладной медицины должно соответствовать темпам развития науки и техники в целом, поэтому достоверное прогнозирование является одной из основных ее задач, так как позволяет сократить время на поисковые исследования. Задачи прогнозирования зачастую решаются с привлечением нейронных сетей и сложных алгоритмов.

Известен метод и для создания модели прогноза химической токсичности, описанный в патенте CN 101903895 В. Данный метод предлагает модель для обработки и классификации данных о веществе с предполагаемой токсичностью с применением самообучающихся нейронных сетей. Использование модели в известном методе подразумевает высокую точность прогнозирования только при наличии большого массива данных, в иных случаях достоверность прогноза будет снижена, кроме того, реализация метода возможна лишь при использовании специализированного аппаратного комплекса и сложной нейронной сети, что на данный момент времени, не является доступным средством.

Из уровня техники известен патент «Сетевое моделирование для прогнозирования токсичности лекарств» (патент US 20160306948 A1), в котором также предполагается использование алгоритмов машинного обучения для формирования прогноза токсичности. Алгоритм подразумевает анализ данных генетических и системно-биологических онтологических классификаторов, однако, прогноз морфологических эффектов проявления токсического действия веществ данный известный способ не обеспечивает.

Известны «Системы и методы персонализированного снижения рисков на основе данных генома пациента» (патент US 9779214 B2), которые позволяют обеспечить персональный прогноз негативных эффектов, ассоциированных с применением лекарственной терапии, однако, прогноз не имеет долгосрочный характер и ориентирован на принятие решения только в текущей ситуации.

Кроме того вопросы прогнозирования токсического воздействия частиц на ткани внутренних органов успешно решаются также с применением математических моделей без привлечения нейронных сетей. Так известен способ экспресс-прогноза обращаемости населения за скорой медицинской помощью по поводу болезней органов дыхания в период массовых пожаров сосновых лесов (Патент РФ №2578542), включающий определение площади лесного пожара; разницы между направлением ветра и осью «очаг лесного пожара - селитебная зона», расстояние от очага лесного пожара до селитебной зоны, скорость ветра; рассчитывают коэффициент, учитывающий отклонение направления ветра от оси «очаг лесного пожара - селитебная зона»; далее рассчитывают прогностический индекс. При прогностическом индексе в интервале 1-50 прирост обращаемости за скорой медицинской помощью (СМП) населения по поводу болезней органов дыхания (БОД) относительного фонового уровня обращаемости прогнозируют в пределах 15-30%; при интервале 51-100 прирост обращаемости за СМП населения по поводу БОД относительного фонового уровня обращаемости прогнозируют в пределах 31-70%; при интервале 101-180 прирост обращаемости за СМП населения по поводу БОД относительного фонового уровня обращаемости прогнозируют в пределах 71-110%; при интервале 181-300 прирост обращаемости за СМП населения по поводу БОД относительного фонового уровня обращаемости прогнозируют в пределах 111-200%; при прогностическом индексе более 300 прирост обращаемости за СМП населения по поводу БОД относительного фонового уровня обращаемости прогнозируют более 200%. Способ позволяет за счет расчета прогностического индекса оценивать возможный медико-социальный ущерб и оптимизировать работу скорой медицинской помощи. Недостаток метода в узкой применимости и отсутствии возможности прогнозирования конкретных патологий в организме.

Известен способ комплексной оценки влияния экологических факторов на здоровье городского населения (Патент РФ №2412643), предусматривающий учет влияния электромагнитных полей, уровня шума, гамма-излучения, частоту колебаний грунта и сравнение отклонения указанных факторов от рекомендуемых с ростом заболеваемости на исследуемой территории. Недостатком указанного способа является зависимость результатов оценки от количества точек измерений показателей факторов и географического положения точек замера.

Известен способ прогнозирования токсической энцефалопатии от воздействия комплекса химических веществ (Патент РФ №2299674), согласно которому для расчета прогностического индекса собирают анамнез, проводят реоэнцефалографию (РЭГ), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и тест стандартизированного многофакторного исследования личности (СМИЛ). Недостатком указанного способа является, то, что не учитываются свойства химического вещества и отсутствует возможность прогнозирования токсического эффекта вне рамок энцефалопатии.

Известен способ определения величины острой токсичности химических веществ по данным энергии связи в молекуле (патент РФ №2164684). Способ основан на определении величины острой токсичности химических веществ (DL₅₀) при пероральном воздействии на живой организм. Острую токсичность рассчитывают по формуле в зависимости от суммарной энергии связей в молекуле веществ: DL₅₀=0.00065 Е_св+1.570 (г/кг), где - суммарная энергия связей в молекуле, n_i - количество связей данного вида в молекуле вещества, - энергия связи данного вида. Известный способ учитывает природу вещества, что является общим признаком с предлагаемым решением. Недостатками данного способа является то, что не учитывается форма вещества, применительно к оксидам не учитывается размер частиц, оказывающих токсическое действие. При этом доказано, что размер частиц определяет степень их токсичности, т.к. известно, что наноразмерные частицы обладают более выраженным токсическим действием.

Недостатком известного способа является то, что прогноз имеет общий характер и не позволяет определить возможные морфологические изменения и характерные конкретные органы-мишени от воздействия токсикантов.

При этом из уровня техники не были выявлены известные способы прогнозирования морфологических изменений в тканях внутренних органов от токсического воздействии микро- и наноразмерных частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля, поэтому сделать выбор ближайшего аналога к заявляемому изобретению не представляется возможным.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - получение прогноза токсического действия частиц микронного и нанометрического размеров оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении установления общей степени повреждения тканей внутренних органов и получении прогностической диаграммы, которая позволяет определить орган, в котором будут наиболее выражены морфологические изменения при воздействии частиц оксида магния, алюминия, кремния, марганца и никеля с учетом их размера.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом прогнозирования морфологических изменений в тканях внутренних органов от токсического воздействии микро- и наноразмерных частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля, характеризующийся тем, что проводят определение морфологических изменений тканей внутренних органов, при хроническом воздействии на организм лабораторного животного микро- и наночастиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля, для каждого оксида устанавливают степень поражения тканей СП_общ по формуле:

СП_общ=n/N,

где n - количество внутренних органов, в которых установлены морфологические изменения тканей при воздействии этого оксида;

N - общее количество исследованных тканей внутренних органов; проводят факторный анализ, устанавливая корреляцию между установленной ранее степенью поражения СП_общ тканей внутренних органов конкретным оксидом и характеристиками частиц этого оксида: размером его частиц, молярной массы оксида и порядковым номером химического элемента, образовавшего оксид, в таблице Д.И. Менделеева, выявляют те характеристики частиц оксида, при влиянии которых наблюдаются наиболее значимые морфологические изменения тканей конкретных внутренних органов со степенью поражения СП_общ не менее 0,3; далее строят для всех исследуемых оксидов общую диаграмму зависимости размера частиц оксида от выявленной характеристики частиц оксида, при влиянии которых наблюдаются наиболее значимые морфологические изменения тканей, с указанием на диаграмме конкретных внутренних органов, ткани которых были подвержены морфологическим изменениям, используя указанную диаграмму, прогнозируют морфологические изменения в тканях внутренних органов от токсического воздействии частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля в зависимости от их конкретных микро- и наноразмеров.

В качестве внутренних органов исследуют легкие, сердце, печень, почки, головной мозг, селезенку, костный мозг, толстую кишку, тонкую кишку, желудок, пищевод.

Поставленный технический результат достигается за счет следующего.

Для понимания существа вопроса следует указать, что частицы оксида магния, оксида алюминия, оксида кремния, оксида марганца и оксида никеля бывают микроразмерные (1-500 мкм) и наноразмерные (3-100 нм). Данные оксиды в дисперсном состоянии указанного фракционного состава, могут оказывать неблагоприятное воздействие на внутренние органы живого организма, например, вызвать фиброзные изменения, гипертрофированный иммунный ответ и т.д. Поэтому весьма актуальной задачей является изучение характерных изменений внутренних органов при воздействии частиц оксидов различной дисперсности.

При реализации предлагаемого способа проводят определение морфологических изменений тканей внутренних органов именно при хроническом воздействии на организм лабораторного животного микро- и наночастиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля. Это обусловлено тем, что например, однократное воздействие этих оксидов может и не оказать вредное воздействие на организм, в то время как хроническое воздействие таких микро- и наночастиц вызовет необратимые морфологические изменения внутренних органов и приводит к нарушению гомеостаза.

Благодаря тому, что, согласно предлагаемому способу, для каждого оксида при хроническом воздействии частиц устанавливают степень поражения тканей СП_общ по формуле: СП_общ=n/N, где n - количество внутренних органов, в которых установлены морфологические изменения тканей при воздействии этого оксида; N - общее количество исследованных тканей внутренних органов, появилась возможность объективно оценить это поражение именно через относительный показатель, что повышает точность исследования. При этом в качестве внутренних органов исследованию подлежат, например, легкие, сердце, печень, почки, головной мозг, селезенку, костный мозг, толстую кишку, тонкую кишку, желудок, пищевод.

Проведение в последующем факторного анализа для каждого оксида с использованием ранее полученного показателя степени поражения СП_общ тканей внутренних органов конкретным оксидом и характеристиками частиц этого оксида: размером его частиц, молярной массы оксида и порядковым номером химического элемента, образовавшего оксид, в таблице Д.И. Менделеева, позволило выявить именно те характеристики частиц оксида, при влиянии которых наблюдаются явные, т.е. наиболее значимые морфологические изменения тканей конкретных внутренних органов, т.е. при которых степень поражения СП_общ составляет величину не менее 0,3. Выбор именно данной границы «СП_общ не менее 0,3» обусловлен тем, что при величине менее нее морфологические изменения тканей не будут явно выраженными, а потому не подлежат учету.

Благодаря тому, что строят для всех исследуемых оксидов общую диаграмму зависимости размера частиц оксида от выявленной характеристики частиц оксида, при влиянии которой наблюдаются наиболее значимые морфологические изменения тканей, с указанием на диаграмме конкретных внутренних органов, ткани которых были подвержены морфологическим изменениям, позволяет наглядно и иллюстративно представить картину морфологических изменений в тканях внутренних органов для каждого оксида в зависимости от размерности частиц.

Использование такой диаграммы позволит в дальнейшем прогнозировать морфологические изменения в тканях внутренних органов от токсического воздействии частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля в зависимости от их конкретных микро- и наноразмеров.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что поставленный технический результат обеспечивается за счет совокупности операций предлагаемого способа, их последовательности и режимов его реализации.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

При реализации предлагаемого способа использовали микро- и наночастицы оксидов следующих химических элементов:

- оксид магния MgO (s-элемент по таблице Менделеева Д.И.) (рег. номер CAS 1309-48-4, микроразмерные частицы - 0,3-25,0 мкм; наноразмерные частицы - 5-100 нм);

- оксид алюминия Al₂O₃ (р-элемент по таблице Менделеева Д.И.) (рег. номер CAS CAS 1344-28-1, микроразмерные частицы - 10-20 мкм; наноразмерные частицы - 13-20 нм),

- оксид кремния SiO₂ (р-элемент по таблице Менделеева Д.И.) (рег. номер CAS 7631-86-9, микроразмерные частицы - 1-50 мкм; наноразмерные частицы - 25-35 нм)

- оксид марганца MnO (d-элемент по таблице Менделеева Д.И.) (рег. номер CAS 313-13-09, микроразмерные частицы - 5,5-37,0 мкм; наноразмерные частицы - 34-39 нм),

- оксид никеля NiO (d-элемент по таблице Менделеева Д.И.) (рег. номер С AS 1313-99-1, микроразмерные частицы - 10-50 мкм; наноразмерные частицы - 20-50 нм).

Эксперименты проводили в соответствии с Методическими рекомендациями (MP 1.2.2522-09) «Выявление наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека».

Расчет доз для ежедневного введения животным групп опыта осуществляли с учетом установленной ранее ЛД50 (ЛД50 - средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов испытуемой группы. Один из наиболее широко применяемых показателей опасности ядовитых и умеренно-токсичных веществ. Обычно указывается в единицах массы вещества на единицу массы испытуемого объекта для каждого вещества).

Введение веществ осуществляли по схеме: в первые 4 дня ежедневно вводили дозу равную 1/10 ЛД50, затем каждые последующие 4 дня дозу увеличивали в 1,5 раза до тех пор, пока срок воздействия не достиг заданного в методике периода (периоды соответствуют методике исследования субхронической токсичности (по Лимму)).

Из материала внутренних органов лабораторных животных были приготовлены гистологические препараты. Микрофотографию гистологических препаратов выполняли на светооптическом микроскопе при увеличении ×100, ×200, ×400.

В таблицах 1 и 2 приведены результаты морфологической оценки состояния тканей внутренних органов лабораторных животных после многократного (хронического) воздействия оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля в микро- и наноразмерной форме соответственно.

В этих же таблицах 1 и 2 приведены расчетные данные для каждого оксида о степени поражения тканей СП_общ по формуле: СП_общ=n/N, где n - количество внутренних органов, в которых установлены морфологические изменения тканей при воздействии этого оксида; N - общее количество исследованных тканей внутренних органов.

Далее проводят факторный анализ, устанавливая корреляцию между установленной ранее степенью поражения СП_общ тканей внутренних органов конкретным оксидом и характеристиками частиц этого оксида: размером его частиц, молярной массы оксида и порядковым номером химического элемента, образовавшего оксид, в таблице Д.И. Менделеева. Полученные данные приведены в таблицах 3-6 (факторный анализ проведен с использованием программного продукта BioStat 6.0 по методу стохастического анализа, что означает, что установленная связь между результативным и факторными показателями является вероятностной).

По корреляционным матрицам (таблица 5) установлено, что в случае воздействия микроразмерных оксидных частиц, фактором, влияющим на степень поврежденности в тканях, является порядковый номер в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева вещества, образующего оксид. В случае воздействия наноразмерных оксидных частиц (таблица 6) на степень поврежденности оказывает и размер частиц, и порядковый номер в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, элемента, образующего оксид. В указанных таблицах 5 и 6 значимые значения выделены жирным шрифтом.

Далее, с учетом полученных данных, строят для всех исследуемых оксидов общую диаграмму (Рис. 1) зависимости размера частиц оксида от выявленной характеристики частиц оксида, при влиянии которой наблюдаются наиболее значимые морфологические изменения тканей, с указанием на диаграмме конкретных внутренних органов, ткани которых были подвержены морфологическим изменениям.

Используя указанную диаграмму, прогнозируют морфологические изменения в тканях внутренних органов от токсического воздействии частиц оксидов магния, алюминия, кремния, марганца и никеля в зависимости от их конкретных микро- и наноразмеров.

Данные, приведенные на указанной диаграмме (Рис. 1) позволяют спрогнозировать, что, например, микроразмерные частицы оксида марганца и оксида никеля размером 1000 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких и органов ЖКТ; а наноразмерные частицы оксида марганца и оксида никеля размером 100 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких, почек, ЖКТ, печени и селезенки.

Микроразмерные частицы оксида алюминия и оксида кремния размером 1000 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких, почек, ЖКТ, печени и селезенки; а наноразмерные частицы оксида алюминия и оксида кремния размером 100 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких, почек, ЖКТ, печени, селезенки, сердце, головном и костном мозге. Микроразмерные частицы оксида магния размером 1000 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких, почек, ЖКТ, печени и селезенки; а наноразмерные частицы оксида магния размером 100 нм способны вызвать существенные морфологические изменения в тканях легких, почек, ЖКТ, печени, селезенки, сердце, головном и костном мозге, а меньше 60 нм в тканях органов всех систем организма.

Таким образом, приведенные данные показывают, что при реализации предлагаемого способа с использованием совокупности операций обеспечивается его назначение.

Заявляемый способ позволяет с достаточной достоверностью сформулировать прогноз того, в каких органах будут наблюдаться морфологические изменения тканей в зависимости от основных параметров оксидных частиц - размер и порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, образовавшего оксид.