Студентом МИФИ разработана математическая модель биокинетики наночастиц серебра в организме животных и человека

В настоящее время наблюдается растущий спрос на продукцию из наноматериалов. Так, например, наночастицы (НЧ) серебра уже нашли свое применение в сельском хозяйстве, легкой промышленности и медицине. Однако проблема оценки степени их опасности для здоровья человека все еще является предметом научных дискуссий.

Студентка 4 курса кафедры №85 НИЯУ МИФИ

Е.С. Кормазева (научный руководитель – заведующий лабораторией анализа техногенных рисков ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России В.Ю. Соловьев) разработала математическую модель биокинетики НЧ серебра сферической формы разных размеров. «С ее помощью можно не только оценить содержания наночастиц в жизненно важных органах животных, но и прогнозировать их распределение в человеке», – пояснила Екатерина Кормазева. Данная модель с возможностью оценки биокинетических параметров по экспериментальным данным и экстраполяции результатов на человека может стать полезным инструментарием в различных практических применениях.

В модели биокинетики наночастиц учитываются три возможных пути поступления НЧ в организм (пероральный, ингаляционный и внутривенный) и два режима поступления (разовый и хронический). Математически модель описывается системой уравнений, полученных на основе концепции PBPK-моделирования (Physiologically based pharmacokinetic modeling). Этот подход рассматривает физиологические характеристики исследуемого организма (размер, состав органов, потоки протекающей крови) и физико-химические свойства вводимых препаратов.

Рис. 1. Система уравнений, где M(i) – содержание НЧ в i-ом органе, Ktb(i), Kbt(i) – биокинетические константы i-того органа, K1ex, K2ex, K3ex – константы, моделирующий вывод НЧ из организма, F(D,t) – функции, моделирующие введение НЧ

Рис.2. Схема модели биокинетики.

В качестве исходных данных взяты экспериментальные значения распределения НЧ серебра в органах крыс-самцов линии Вистар для одномоментного внутрижелудочного введения. Методом последовательных приближений были найдены константы для каждого из органов.

Поскольку в рамках РВРК-модели константы имеют однозначную зависимость от физиологических параметров организма, то был выполнен пересчет констант с лабораторных животных на человека.

Рис.3. Распределение наночастиц серебра сферической формы диаметром 35 нм при разовом пероральном поступлении в организм: а) крысы; б) человека.

Алгоритм нахождения констант можно распространить для наночастиц другого вида, размера и формы. Полученные значения констант позволяют смоделировать другие условия эксперимента.

Работа выполнялась в рамках проекта ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И.Бурназяна ФМБА России по Соглашению №14.604.21.0114 с Минобрнаукой от 11.08.2014 г.