Разработка и апробация программного обеспечения для количественной оценки микрочастиц пластика в биологических объектах на примере почечной ткани крыс

Актуальность: Микрочастицы пластика повсеместно обнаруживаются в окружающей среде и доказано накапливаются в тканях животных и человека, вызывая окислительный стресс, воспаление и другие токсические эффекты. Точность оценки их органоспецифического распределения ограничена, поскольку высокочувствительные спектроскопические методы являются дорогими и трудоёмкими, а визуальная гистология – субъективной.

Цель исследования: Разработка и апробация программного обеспечения для автоматизированной количественной оценки микрочастиц пластика в биологических тканях на основе методов компьютерного зрения.

Материалы и методы: Экспериментальная апробация проведена на биологических образцах, полученных от лабораторных животных, подвергшихся воздействию микрочастиц полистирола размером 100, 500 и 1000 нм. Обработка микрофотографий выполнялась с применением светофильтра EGFP. Представлены результаты разработки и апробации программного обеспечения для количественной оценки микрочастиц пластика в тканях экспериментальных животных с использованием библиотек OpenCV, NumPy и Tkinter на языке Python 3.10.

Результаты: Полученные количественные данные подтверждают, что после однократного системного введения полистирольные частицы диаметром 100, 500 и 1000 нм накапливаются в паренхиме почек, и характер их депонирования зависит от геометрических параметров. Наибольшее число отдельных частиц обнаружено в группах 100 и 1000 нм, тогда как максимальная плотность конгломератов пришлась на фракцию 500 нм.

Заключение: Разработанное программное обеспечение обеспечивает гибкость за счет настройки параметров обработки изображений, что делает его применимым для различных типов биологических образцов. Полученные данные подтверждают эффективность предложенного подхода, который позволяет минимизировать влияние человеческого фактора и стандартизировать процесс анализа.

1. Zhao S, Kvale KF, Zhu L, et al. The distribution of subsur face microplastics in the ocean. Nature. 2025;641(8061):51-61. PMID: 40307520. PMCID: PMC12043517. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08818-1

2. Kwon JH, Kim JW, Pham TD, et al. Microplastics in Food: A Review on Analytical Methods and Challenges. Int J Environ Res Public Health. 2020;17(18):6710. PMID: 32942613. PMCID: PMC7559051. https://doi.org/10.3390/ijerph17186710

3. Guševac Stojanović I, Drakulić D, Todorović A, Martinović J, Filipović N, Stojanović Z. Acute Toxicity Assessment of Orally Administered Microplastic Particles in Adult Male Wistar Rats. Toxics. 2024;12(3):167. PMID: 38535900. PMCID: PMC10974097. https://doi.org/10.3390/toxics12030167

4. Deng Y, Zhang Y, Lemos B, Ren H. Tissue accumulation of microplastics in mice and biomarker responses suggest widespread health risks of exposure. Sci Rep. 2017;7:46687. PMID: 28436478. PMCID: PMC5402289. https://doi.org/10.1038/srep46687

5. Abbasi S, Turner A. Human exposure to microplastics: A study in Iran. J Hazard Mater. 2021;403:123799. PMID: 33264903. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123799

6. Leslie HA, van Velzen MJM, Brandsma SH, Vethaak AD, Garcia-Vallejo JJ, Lamoree MH. Discovery and quantification of plastic particle pollution in human blood. Environ Int. 2022;163:107199. PMID: 35367073. https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107199

7. Золотова Н.А., Джалилова Д.Ш., Цветков И.С. и др. Морфологическая характеристика внутренних органов мышей при длительном потреблении микропластика. Клиническая и экспериментальная морфология. 2023;12 (3): 82-92. https://doi.org/10.31088/cem2023.12.3.82-92

8. Farag AA, Youssef HS, Sliem RE, et al. Hematological consequences of polyethylene microplastics toxicity in male rats: Oxidative stress, genetic, and epigenetic links. Toxicology. 2023;492:153545. PMID: 37169321. https://doi.org/10.1016/j.tox.2023.153545

9. Deng Y, Zhang Y, Lemos B, Ren H. Tissue accumulation of microplastics in mice and biomarker responses suggest widespread health risks of exposure. Sci Rep. 2017;7:46687. PMID: 28436478. PMCID: PMC5402289. https://doi.org/10.1038/srep46687

10. Hillery AM, Jani PU, Florence AT. Comparative, quantitative study of lymphoid and non-lymphoid uptake of 60 nm polystyrene particles. J Drug Target. 1994;2(2):151-156. PMID: 8069593. https://doi.org/10.3109/10611869409015904

11. Braakhuis HM, Park MV, Gosens I, De Jong WH, Cassee FR. Physicochemical characteristics of nanomaterials that affect pulmonary inflammation. Part Fibre Toxicol. 2014;11:18. PMID: 24725891. PMCID: PMC3996135. https://doi.org/10.1186/17438977-11-18

12. Powell JJ, Faria N, Thomas-McKay E, Pele LC. Origin and fate of dietary nanoparticles and microparticles in the gastrointestinal tract. J Autoimmun. 2010;34(3):J226-J233. PMID: 20096538. https://doi.org/10.1016/j.jaut.2009.11.006

13. Carr KE, Smyth SH, McCullough MT, Morris JF, Moyes SM. Morphological aspects of interactions between microparticles and mammalian cells: intestinal uptake and onward movement. Prog Histochem Cytochem. 2012;46(4):185-252. PMID: 22240063. https://doi.org/10.1016/j.proghi.2011.11.001

14. Li S, Qiao Z, Huang M, et al. Combined exposure of polystyrene microplastics and benzo[a]pyrene in rat: Study of the oxidative stress effects in the liver. Ecotoxicol Environ Saf. 2024;278:116390. PMID: 38705037. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.116390

15. Deng Y, Yan Z, Shen R, Huang Y, Ren H, Zhang Y. Enhanced reproductive toxicities induced by phthalates contaminated microplastics in male mice (Mus musculus). J Hazard Mater. 2021;406:124644. PMID: 33321324. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124644

16. Ho YW, Lim JY, Yeoh YK, et al. Preliminary Findings of the High Quantity of Microplastics in Faeces of Hong Kong Residents. Toxics. 2022;10(8):414. PMID: 35893847. PMCID: PMC9394468. https://doi.org/10.3390/toxics10080414

17. Zafiu C, Binner E, Beigl P, Vay B, Ebmer J, Huber-Humer M. The dynamics of macroand microplastic quantity and size changes during the composting process. Waste Manag. 2023;162:18-26. PMID: 36921437. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2023.03.002

18. Esteva A, Chou K, Yeung S, et al. Deep learning-enabled medical computer vision. NPJ Digit Med. 2021;4(1):5. PMID: 33420381. PMCID: PMC7794558. https://doi.org/10.1038/s41746020-00376-2

19. Kannan K, Vimalkumar K. A Review of Human Exposure to Microplastics and Insights Into Microplastics as Obesogens. Front Endocrinol (Lausanne). 2021;12:724989. PMID: 34484127. PMCID: PMC8416353. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.724989

20. Ахмадеев А.Р., Рябова Ю.В., Каримов Д.О., Хуснутдинова Н.Ю., Кудояров Э.Р., Валова Я.В. Полуколичественная оценка распределения микрочастиц пластика в организме при остром воздействии. Гигиена и санитария. 2025;104(5):643-647. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2025-104-5-643-647

21. Sukhanova A, Bozrova S, Sokolov P, Berestovoy M, Karaulov A, Nabiev I. Dependence of Nanoparticle Toxicity on Their Physical and Chemical Properties. Nanoscale Res Lett. 2018;13(1):44. PMID: 29417375. PMCID: PMC5803171. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2457-x

22. La Porta E, Exacoustos O, Lugani F, et al. Microplastics and Kidneys: An Update on the Evidence for Deposition of Plastic Microparticles in Human Organs, Tissues and Fluids and Renal Toxicity Concern. Int J Mol Sci. 2023;24(18):14391. PMID: 37762695. PMCID: PMC10531672. https://doi.org/10.3390/ijms241814391