ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Теория растворимости

В настоящее время считают, что теория растворимости не способна объяснять развитие типичного силикоза, который включает и фиброз. Однако поликремневые кислоты и коллоид­ные кремнеземы, конечно, оказывают и другие токсические воз­действия на ткани и живые клетки. В большинстве работ, пер­воначально направленных на поиски причин заболеваний сили­козом и основанных на теории растворимости, не объяснялся механизм образования фиброза и силикоза, но тем не менее это направление представило большую часть сведений относи­тельно других воздействий кремнезема.

В своей монографии по пневмокониозу Холт [330] собрал * много важных факторов: 1) наблюдения относительно того, что поликремневые кислоты или коллоидный кремнезем денату­рируют белки и проявляют цитотоксичность; 2) полученные в экспериментах на мономолекулярных пленках доказательства того, что белковые монослои сильно адсорбируют поликремне­вую кислоту и тем самым постоянно изменяются и связываются поперечными связями; 3) сведения о способности белковых монослоев на поверхности воды концентрировать кремневую кислоту путем ее адсорбции, а также стимулировать полимери­зацию такой кислоты, когда общая концентрация кремнезема настолько низка, что в иных условиях полимеризация кремне­зема была бы невозможна.

В теории растворимости принимается, что повреждение тка­ней вызывается присутствием в них поликремневых кислот или коллоидных частиц кремнезема. Растворимый или мономерный кремнезем Si (ОН) 4 оказывается инертным при низкой темпе­ратуре. Такие полимерные формы кремнезема не образуются до тех пор, пока концентрация растворимого кремнезема не превысит растворимость аморфного кремнезема, которая оказы­вается значительно большей чем 0,01 % Si02. Однако кварц растворяется только до — 0,001 % Si02. Одно из объяснений об­разования ноликремневой кислоты и коллоидных частиц из от­носительно нерастворимого кварца заключается в том, что раст­воримый кремнезем первоначально концентрируется с помощью каких-то биологических процессов. В вышеприведенном пере­числении установленных закономерностей (п. 3) Холт приводил доводы, что кремнезем мог концентрироваться на мембранах, и там нолимеризоваться. Другой возможный - путь самопроиз­вольного концентрирования кремнезема состоит в следующем. В экспериментах, выполненных Айлером, раствор монокремне­вой кислоты, не насыщенный по отношению к аморфному крем­незему, подвергался старению в нейтральном растворе, содер - 42*

Жащем небольшое количество бромида цетилтриметиламмония. Кремнезем осаждался вместе с ПАВ. Судя по всему, мицело - образующий катион способен притягивать и концентрировать мономерный кремнезем так, что последний может полимеризо - ваться вплоть до образования частиц, растворению которых пре­пятствует окружающий их слой катионов, т. е. частица будет находиться внутри мицеллы. Таким образом, можно предста­вить, что внутри живых клеток катионные группы могут соби­рать кремнезем и вызывать затем его полимеризацию. Процесс идет до тех пор, пока полимер окажется настолько большим, что станет способным денатурировать белок.

Еще одно объяснение образования поликремневой кислоты * и коллоидного кремнезема из кварцевых частиц заключается в том, что свежеприготовленные кварцевые частицы содержат какую-то фракцию. высокорастворимого кремнезема. Таким образом, Холт предложил «расширенную теорию растворимо­сти», в которой постулировалось, что пылевидные частицы кремнезема могут вначале образовать пересыщенный раствор кремнезема, который затем полимеризуется., Как Холт [331], так и Соффге [306] придавали значение растворению кремне­зема, за которым следует полимеризация. Частицы кремнезема собираются и концентрируются фагоцитами, и создаются высо­кие локальные концентрации кремнезема. Коллаген адсорби­руется. на кремнеземе и затем связывается поперечными свя­зями за счет кремневой кислоты способом, сильно напоминаю­щим кремнеземное дубление.

Этой теории уже давно' придерживался Кеттль [332], кото­рый поставил следующий опыт. Кремнеземный порошок в кол - лодиевой оболочке, через которую мог проходить только раст­воримый кремнезем, был имплантирован в боку у кролика. В этом случае у животного начиналась воспалительная реак­ция. Однако никакой подобной реакции не происходило, когда в коллодиевом мешочке кремнезема не содержалось.

Фабер [333] был одним из первых, кто предположил, что растворимый кремнезем полимеризовался с образованием поли­кремневой кислоты, которая представляла собой активный агент. Другое направление экспериментальных наблюдений, базирующихся на теории растворимости, заключалось в том, что когда кварцевые частицы размером меньше 2 мкм вводились в организм животного (например, в уши кролика), то кремнезем осаждался в печени, легких, селезенке и костном мозге. Однако частицы субмикронного размера могли быть внесены и в кро­воток животного. Эти эксперименты, конечно, наводят на мысль, что растворимый кремнезем присутствовал во всей живой си­стеме.

Возражение против «расширенной теории растворимости» Холта состояло в том, что теория не давала никакого объяс­нения, почему частицы кварца субмикронного размера оказы­вались более токсичными, чем частицы таких же размеров более растворимых типов кремнезема. Однако Ягер отметил необык­новенно высокую растворимость нарушенного слоя на поверх­ности кварца и предположил, что это обеспечивает получение мономерного кремнезема, который затем диффундирует по орга­низму, полимеризуется и образует токсичные поликремневые кислоты [34]. Свежеизмельченный в порошок кварц имеет высокое значение поверхностной энергии по сравнению с дру­гими типами кремнезема, и, таким образом, очень небольшие по размеру частицы кварца или острые углы и края более крупных частиц могли служить источником мономерного крем­незема, создавая его относительно высокую концентрацию в течение более продолжительного периода времени, чем дру­гие более растворимые модификации кремнезема. В последних подобные области повышенной растворимости должны были бы быстро исчезнуть. Как уже рассматривалось в гл. 1, поверх­ностная энергия на границе раздела фаз кварц—вода состав­ляет, вероятно, около 416 эрг/см2 в отличие от 50 эрг/см2 для системы аморфный кремнезем—вода. В соответствии с эффек­том Томпсона — Гиббса, кварцевые частицы с очень малыми ра­диусами кривизны (т. е. либо частицы очень небольшого диа­метра, либо острые углы и края) должны быть более раство­римы по сравнению с частицами аморфного кремнезема с та­кими же радиусами кривизны, Айлер [1] подсчитал, что при радиусе кривизны 1,5 нм растворимость поверхности кварца должна быть порядка 0,1 %.

Штобер и Арнольд [335] установили, что тонкоизмельчен - ный кварц вследствие отмеченного выше эффекта может раст­воряться в воде с образованием мономерного кремнезема с кон­центрацией 0,008 %, даже если концентрация кварцевого по­рошка в суспензии ограниченна. Вблизи поверхности частицы, внедренной в ткань, концентрация растворенного мономера мо­жет становиться еще более высокой, и, следовательно, возможна его полимеризация с образованием вредной для организма поли­кремневой кислоты. Мономер даже мог сначала продиффундиро - вать через примыкающие мембраны, а затем образовать по­лимер.

Было показано [336], что свежеизмельченный сухой кварц оказывается более активным, чем порошок, полученный при влажном помоле, при одинаковых размерах частиц в обоих случаях. Это можно было бы объяснить получением более раст­воримого кремнезема за счет острых углов и краев. При влаж­ном помоле такие выступы с высокой поверхностной энергией должны подвергаться закруглению благодаря процессу раст­ворение—осаждение. Об активности кремнезема судили по воз­растанию содержания оксипролина в легких, который накапли­вается одновременно с развитием фиброза. Другое объяснение заключается в том, что в процессе влажного помола кварцевая поверхность покрывается адсорбированным слоем аморфного кремнезема и таким образом становится менее активной.

Имеются и другие факты в пользу применимости теории ра­створимости для объяснения силикоза. Наименее растворимые типы кремнезема оказываются и наименее вредными. Так, осаж­дение ионов растворимого алюминия на поверхности кремне­зема понижает растворимость, а также токсичность последнего [337—340]. К тому же алюмосиликатные минералы, такие, как глины, которые еще менее растворимы, чем кварц, не вызывают силикоза. Сообщение о том, что пораженные силикозом - ткани легких содержат сложные эфиры кремневой кислоты, например холестерин [341], по-видимому, также поддерживает идею об участии в подобных системах растворимого кремнезема. ,

Теория растворимости не была «заблуждением», поскольку была основана на многих убедительных наблюдениях и объяс­няла многие цитотоксические и другие вредные воздействия, ко­торые могли происходить в организмах животных, когда крем­незем вводился каким-либо неестественным способом. Однако, хотя она и давала ошибочные данные, приверженцы этой тео­рии упорно продолжали верить, что эти эффекты должны при­водить к фиброзу, который характерен для силикоза.

Растворимый кремнезем не вызывает силикоза. Стишовит — кристаллическая форма кремнезема — способен растворяться в воде; при этом концентрация получаемого растворимого крем­незема оказывается намного большей по сравнению с растворе­нием кварца в подобных условиях [309]. Если растворимый кремнезем представляет собой активный агент, способствующий возникновению силикоза, то в таком случае стишовит должен был бы проявить токсичность даже большую, чем кварц. Но на самом деле стишовит безвреден.

Аморфный тонкодиспергированный кремнезем не вызывает силикоза. У животных вдыхание кремнезема вызывало брон­хит или интерстициальную пневмонию, но не силикоз. Однако это как раз тот тип кремнезема, из которого легко получается насыщенный раствор мономерного кремнезема в воде. Справед­ливо, конечно, что введение очень большого количества дан­ного типа кремнезема в легкие, под кожу или в полость тела вызывало развитие плотной фиброзной ткани, что, по-видимому, не имеет ничего общего с силикозом, возникающим под дей­ствием кварца.

Если растворимый кремнезем получался бы из кварца, то он должен был бы обнаруживаться в легких. Уитли [342] не уда­лось найти какой-либо формы аморфного кремнезема в легких в тех случаях, когда вводился кварц. Кроме того, он не нашел и никаких разновидностей поликремневых кислот в водных экс­трактах кварца.

Идея о том, что силикоз порождается кремнеземом в раст­воримой форме, получающимся при растворении свежеобразо­ванных кварцевых частиц, оказалась ошибочной. Это было по­казано Кингом и др. [343], которые перед проведением исследо­ваний на легочных тканях подопытных животных удаляли вы­сокорастворимый кремнезем из кварцевых частиц. Слой такого растворимого кремнезема устранялся обработкой щелочью, так что получаемый кварцевый порошок имел истинную раствори­мость кварца (около 0,001 %). Однако этот порошок оказался "фиброгенноактивным. (Порошки кварца, предварительно обра­ботанные HF, проявляли даже еще большую токсичность, воз­можно, из-за того, что адсорбированный на кварце фтор нельзя уда'лить промыванием водой; он может замещаться на ОН" только при промывании основанием.)

Авторы работы [344] при изучении культуры эмбриональ­ных миокардиальных клеток цыплят пришли к заключению, что добавление как очень тонкодисперсного кварцевого порошка, так и аморфного кремнезема не вызывает никаких воздействий. Авторы полагали, что введенные частицы должны были нахо­диться полностью внутри клеток, так что токсичность могла быть обусловлена контактом поверхности частиц с цитоплаз­мой, как и в случае введения кремнезема внутрь фагоцитов. Таким образом, растворимый кремнезем, несомненно, не уча­ствует в рассматриваемых воздействиях. Теорию растворимости подкрепляли также наблюдения относительно токсичности поли­кремневых кислот, проведенные не на легких, а на других ор­ганах. Применяя внутрибрюшинные инъекции, Петерсон и Уитли [345] решительно утверждали, что возникающий при этом так называемый силикоз вызывался раствором кремневой кис­лоты, полученным в результате растворения поверхности кварца, и что токсичность проявляли исключительно мономерная или олигомерные кремневые кислоты (поддающиеся контролю мо - лнбдатным методом) при инъекциях внутрибрюшинно это спра­ведливо, и нет никаких сомнений в том, что поликремневые кислоты могут вызвать денатурацию белка и как следствие воспалительные реакции. Однако при развитии истинного сили­коза, т. е. при фиброзе легких, вдыхаемые кремнеземные ча­стицы, по-видимому, вызывают некий добавочный эффект, имею­щий другой механизм.

Именно поверхность кварцевых частиц вызывает силикоз при условии, что частицы имеют определенные размеры. Што­бер [346] писал: «Кажется маловероятным, что выделяемая, с поверхности кремнеземной частицы кремневая кислота как - либо воздействует на тот химический механизм, который вызы­вает развитие силикоза».