Нанотоксикология

О научном журнале с таким названием см. Нанотоксикология (журнал) .

Нанотоксикология это изучение токсичности наноматериалов . – Из-за квантово-размерных эффектов и большого отношения площади поверхности к объему наноматериалы обладают уникальными свойствами по сравнению с их более крупными аналогами, которые влияют на их токсичность. Из возможных опасностей ингаляционное воздействие наибольшее беспокойство вызывает : исследования на животных показали такие последствия для легких, как воспаление , фиброз и канцерогенность некоторых наноматериалов. Контакт с кожей и проглатывание также вызывают беспокойство.

Фон

Наноматериалы имеют по крайней мере один первичный размер менее 100 нанометров и часто обладают свойствами, отличными от свойств их объемных компонентов, которые являются технологически полезными. Поскольку нанотехнологии являются новейшей разработкой, последствия воздействия наноматериалов на здоровье и безопасность, а также то, какие уровни воздействия могут быть приемлемыми, еще полностью не изучены. Наночастицы можно разделить на наночастицы, полученные в результате сгорания (например, дизельная сажа), искусственные наночастицы, такие как углеродные нанотрубки, и наночастицы естественного происхождения, образующиеся в результате извержений вулканов, атмосферной химии и т. д. Типичными изученными наночастицами являются диоксид титана , оксид алюминия, оксид цинка, технический углерод , углеродные нанотрубки и бакминстерфуллерен .

Нанотоксикология - это раздел токсикологии частиц. Наноматериалы, по-видимому, обладают необычными токсичными эффектами, которые не наблюдаются у более крупных частиц, и эти более мелкие частицы могут представлять большую угрозу для человеческого тела из-за их способности двигаться с гораздо более высоким уровнем свободы, в то время как тело предназначено для нападения. более крупные частицы, а не частицы наноразмера. Например, даже инертные элементы, такие как золото, становятся высокоактивными при нанометровых размерах. Нанотоксикологические исследования призваны определить, могут ли эти свойства представлять угрозу для окружающей среды и человека и если да, то в какой степени. Наночастицы имеют гораздо большее соотношение площади поверхности к единице массы, что в некоторых случаях может привести к более сильному провоспалительному эффекту, например, в легочной ткани. Кроме того, некоторые наночастицы, по-видимому, способны перемещаться из места своего осаждения в отдаленные места, такие как кровь и мозг.

Наночастицы можно вдыхать, проглатывать, впитывать через кожу, а также намеренно или случайно вводить во время медицинских процедур. Они могут случайно или непреднамеренно выделяться из материалов, имплантированных в живую ткань. Одно исследование считает весьма вероятным выброс переносимых по воздуху наночастиц на рабочих местах и ​​связанное с этим воздействие на работников в ходе различных производственных и погрузочно-разгрузочных работ.

Свойства, влияющие на токсичность

Размер является ключевым фактором в определении потенциальной токсичности частицы. Однако это не единственный важный фактор. Другие свойства наноматериалов, влияющие на токсичность, включают: химический состав, форму, структуру поверхности, поверхностный заряд, агрегацию и растворимость. и наличие или отсутствие функциональных групп других химических веществ. Большое количество переменных, влияющих на токсичность, означает, что трудно делать общие выводы о рисках для здоровья, связанных с воздействием наноматериалов: каждый новый наноматериал необходимо оценивать индивидуально и учитывать все свойства материала.

Состав

На основе металла

на основе металлов Наночастицы (НЧ) представляют собой известный класс НЧ, синтезируемых для выполнения их функций в качестве полупроводников , электролюминесцентных материалов и термоэлектрических материалов . С биомедицинской точки зрения эти антибактериальные наночастицы использовались в системах доставки лекарств для доступа к областям, ранее недоступным для традиционной медицины. В связи с недавним ростом интереса и развитием нанотехнологий было проведено множество исследований, чтобы оценить, могут ли уникальные характеристики этих НЧ, а именно их большое соотношение площади поверхности к объему, негативно повлиять на окружающую среду, в которую они были введены. Исследователи обнаружили, что некоторые НЧ металлов и оксидов металлов могут влиять на клетки, вызывая разрыв и окисление ДНК, мутации, снижение жизнеспособности клеток, искажение морфологии , индуцирование апоптоза и некроза , а также снижение пролиферации. Более того, наночастицы металлов могут сохраняться в организме после введения, если их не тщательно спроектировать.

На основе углерода

Основная статья: Токсикология углеродных наноматериалов

Последние токсикологические исследования на мышах, проведенные в 2013 году, связанные с воздействием углеродных нанотрубок (УНТ), показали ограниченный воспалительный потенциал МУНТ в легких на уровнях, соответствующих средним концентрациям вдыхаемого элементарного углерода, наблюдаемым на объектах УНТ в США. По оценкам исследования, для возникновения серьезной патологии необходимы значительные годы воздействия.

В одном обзоре делается вывод, что доказательства, собранные после открытия фуллеренов, в подавляющем большинстве случаев указывают на _{C 60} нетоксичность . Как и в случае с профилем токсичности при любой химической модификации структурного фрагмента, авторы предлагают оценивать отдельные молекулы индивидуально.

Другой

Другие классы наноматериалов включают полимеры, такие как наноцеллюлоза и дендримеры .

Размер

Есть много способов, которыми размер может повлиять на токсичность наночастицы. Например, частицы разного размера могут откладываться в разных местах легких и выводятся из легких с разной скоростью. частиц Размер также может влиять на реакционную способность и конкретный механизм их токсичности.

Дисперсионное состояние

Наноматериалы, присутствующие в аэрозольных частицах, часто находятся в агломерированном или агрегированном состоянии, что влияет на их токсикологические свойства. Показанные здесь примеры — наночастицы серебра , наночастицы никеля и многостенные углеродные нанотрубки .

Многие наночастицы агломерируются или агрегируются, когда их помещают в окружающую среду или биологические жидкости. Термины «агломерация» и «агрегация» имеют разные определения в соответствии с организациями по стандартизации ISO и ASTM, где агломерация означает более слабосвязанные частицы, а агрегация означает очень прочно связанные или слитые частицы (обычно возникающие во время синтеза или сушки). Наночастицы часто агломерируются из-за высокой ионной силы окружающей среды и биологических жидкостей, которая сглаживает отталкивание, вызванное зарядами наночастиц. К сожалению, агломерация часто игнорировалась в исследованиях нанотоксичности, хотя можно было бы ожидать, что агломерация повлияет на нанотоксичность, поскольку она изменяет размер, площадь поверхности и свойства седиментации наночастиц. Кроме того, многие наночастицы в некоторой степени агломерируются в окружающей среде или в организме, прежде чем достигнут своей цели, поэтому желательно изучить, как агломерация влияет на токсичность.

Потенциал агломерации/деагломерации (механическая стабильность) переносимых по воздуху кластеров наночастиц также оказывает существенное влияние на их профили распределения по размерам в конечной точке их маршрутов транспортировки в окружающей среде. Для проверки стабильности агломератов наночастиц были созданы различные системы аэрозолизации и деагломерации.

Химия поверхности и заряд

НЧ при их реализации покрываются покрытиями и иногда получают положительные или отрицательные заряды в зависимости от предполагаемой функции. Исследования показали, что эти внешние факторы влияют на степень токсичности НЧ.

Пути введения

Дыхательная система

Изображение , полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, пучков многостенных углеродных нанотрубок, пронизывающих альвеолярную эпителиальную клетку .

Воздействие через дыхательные пути является наиболее распространенным путем воздействия частиц, переносимых по воздуху, на рабочем месте. Депонирование наночастиц в дыхательных путях определяется формой и размером частиц или их агломератов, и они депонируются в легких в большей степени, чем более крупные вдыхаемые частицы. Согласно исследованиям на животных , наночастицы могут попадать в кровоток из легких и перемещаться в другие органы, включая мозг. На риск вдыхания влияет запыленность материала, склонность частиц подниматься в воздух в ответ на раздражитель. На образование пыли влияют форма частиц, размер, объемная плотность и собственные электростатические силы, а также то, является ли наноматериал сухим порошком или включен в суспензию или жидкую суспензию .

Исследования на животных показывают, что углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна могут вызывать легочные эффекты, включая воспаление , гранулемы и легочный фиброз , которые имели аналогичную или большую эффективность по сравнению с другими известными фиброгенными материалами, такими как диоксид кремния , асбест и ультрадисперсный технический углерод . Некоторые исследования на клетках или животных показали генотоксические или канцерогенные эффекты, а также системные сердечно-сосудистые эффекты в результате воздействия на легкие. Хотя степень, в которой данные о животных могут предсказать клинически значимые последствия для легких у рабочих, неизвестна, токсичность, наблюдаемая в краткосрочных исследованиях на животных, указывает на необходимость защитных мер для рабочих, подвергающихся воздействию этих наноматериалов. По состоянию на 2013 год потребовались дальнейшие исследования в области долгосрочных исследований на животных и эпидемиологических исследований на рабочих. По состоянию на 2013 год не было зарегистрировано никаких сообщений о реальных неблагоприятных последствиях для здоровья работников, использующих или производящих эти наноматериалы. Пыль диоксида титана (TiO ₂ ) считается источником риска возникновения опухолей легких , поскольку ультрамелкие (наноразмерные) частицы имеют повышенную эффективность по массе по сравнению с мелким TiO ₂ за счет вторичного механизма генотоксичности, который не специфичен для TiO _2, но в первую очередь связан с частицами. размер и площадь поверхности.

Дермальный

Некоторые исследования показывают, что наноматериалы потенциально могут проникать в организм через неповрежденную кожу во время профессионального воздействия. Исследования показали, что частицы диаметром менее 1 мкм могут проникать в механически согнутые образцы кожи, а наночастицы с различными физико-химическими свойствами способны проникать в неповрежденную кожу свиней. Такие факторы, как размер, форма, растворимость в воде и покрытие поверхности, напрямую влияют на способность наночастиц проникать в кожу. В настоящее время до конца не известно, приведет ли проникновение наночастиц через кожу к неблагоприятным последствиям на животных моделях, хотя было показано, что местное применение необработанных ОУНТ на голых мышах вызывает раздражение кожи, а in vitro исследования с использованием первичной или культивированной кожи человека показали, что углеродные нанотрубки могут проникать в клетки и вызывать высвобождение провоспалительных цитокинов , окислительный стресс и снижение жизнеспособности. Однако остается неясным, как эти результаты можно экстраполировать на потенциальный профессиональный риск. Кроме того, наночастицы могут попасть в организм через раны, при этом частицы мигрируют в кровь и лимфатические узлы.

Желудочно-кишечный

Проглатывание может произойти в результате непреднамеренной передачи материалов из рук в рот; Было обнаружено, что это происходит с традиционными материалами, и с научной точки зрения разумно предположить, что это также может происходить при обращении с наноматериалами. Проглатывание может также сопровождать воздействие через дыхательные пути, поскольку частицы, выведенные из дыхательных путей через мукоцилиарный эскалатор, могут быть проглочены.

Биораспределение

Пути воздействия наночастиц и связанные с ними заболевания, предложенные эпидемиологическими исследованиями, исследованиями in vivo и in vitro.

Чрезвычайно малый размер наноматериалов также означает, что они гораздо легче проникают в организм человека, чем частицы большего размера. Как эти наночастицы ведут себя внутри организма, все еще остается важным вопросом, который необходимо решить. Поведение наночастиц зависит от их размера, формы и реакции поверхности с окружающей тканью. организма В принципе, большое количество частиц может перегрузить фагоциты — клетки, которые поглощают и уничтожают инородные вещества, вызывая тем самым реакции стресса, которые приводят к воспалению и ослабляют защиту организма от других патогенов . Помимо вопросов о том, что произойдет, если неразлагаемые или медленно разлагаемые наночастицы накапливаются в органах тела, еще одной проблемой является их потенциальное взаимодействие или вмешательство в биологические процессы внутри организма. Из-за большой площади поверхности наночастицы при воздействии на ткани и жидкости немедленно адсорбируют на своей поверхности некоторые макромолекулы, с которыми они сталкиваются. Это может, например, повлиять на механизмы регулирования ферменты и другие белки.

Наноматериалы способны проникать через биологические мембраны и получать доступ к клеткам , тканям и органам, чего обычно не могут сделать частицы большего размера. Наноматериалы могут попасть в кровоток при вдыхании или проглатывание. Поврежденная кожа является неэффективным барьером для частиц , что позволяет предположить, что прыщи, экзема, раны от бритья или сильные солнечные ожоги могут ускорить поглощение наноматериалов кожей . Затем, попав в кровоток, наноматериалы могут транспортироваться по всему телу и поглощаться органами и тканями, включая мозг , сердце, печень, почки, селезенку , костный мозг и нервную систему . Наноматериалы могут быть токсичными для тканей и клеточных культур человека (приводя к усилению окислительного стресса , выработке воспалительных цитокинов и гибели клеток ) в зависимости от их состава и концентрации.

Механизмы токсичности

Окислительный стресс

Для некоторых типов частиц , чем они меньше, тем больше отношение площади их поверхности к объему и тем выше их химическая реакционная способность и биологическая активность. Более высокая химическая активность наноматериалов может привести к увеличению производства активных форм кислорода (АФК), включая свободные радикалы . Производство АФК было обнаружено в широком спектре наноматериалов, включая углеродные фуллерены , углеродные нанотрубки и наночастицы оксидов металлов. Производство АФК и свободных радикалов является одним из основных механизмов токсичности наночастиц; это может привести к окислительному стрессу, воспалению и последующему повреждению белков, мембран и ДНК. Например, применение наночастиц оксида металла с магнитными полями , которые модулируют АФК, что приводит к усилению роста опухоли.

Цитотоксичность

Первичным маркером повреждающего действия НЧ была жизнеспособность клеток, определяемая состоянием и площадью открытой поверхности клеточной мембраны. В случае с оксидом меди в клетках, подвергшихся воздействию металлических НЧ, до 60% клеток стали нежизнеспособными. В разбавленном состоянии положительно заряженные ионы металлов часто испытывают электростатическое притяжение к клеточной мембране близлежащих клеток, покрывая мембрану и не позволяя ей проникать в нее необходимому топливу и отходам. Из-за менее открытой мембраны для транспортировки и коммуникации клетки часто становятся неактивными.

Было обнаружено, что НЧ индуцируют апоптоз в определенных клетках, главным образом, из-за повреждения митохондрий и окислительного стресса, вызванного электростатическими реакциями чужеродных НЧ.

Генотоксичность

НЧ металлов и оксидов металлов, таких как серебро, цинк, оксид меди, уранинит и оксид кобальта Также было обнаружено, что ДНК . , вызывают повреждение Повреждение ДНК часто приводит к мутированию клеток и колоний, как это обнаруживается с помощью генного теста HPRT .

Методы и стандарты

Характеристика физических и химических свойств наноматериалов важна для обеспечения воспроизводимости токсикологических исследований, а также имеет жизненно важное значение для изучения того, как свойства наноматериалов определяют их биологические эффекты. Свойства наноматериала, такие как распределение по размерам и состояние агломерации, могут меняться по мере подготовки материала и его использования в токсикологических исследованиях, поэтому важно измерять их на разных этапах эксперимента.

По сравнению с более традиционными токсикологическими исследованиями, в нанотоксикологии характеристика потенциальных загрязнителей является сложной задачей. Сами биологические системы в этом масштабе еще полностью не изучены. Такие методы визуализации, как электронная микроскопия (SEM и TEM) и анализ атомно-силовой микроскопии (AFM), позволяют визуализировать наномир. Дальнейшие нанотоксикологические исследования потребуют точной характеристики особенностей данного наноэлемента: размера, химического состава, детальной формы, уровня агрегации, сочетания с другими переносчиками и т. д. Прежде всего, эти свойства придется определять не только на нанокомпонент до его введения в живую среду, а также в (в основном водную) биологическую среду.

Существует потребность в новых методологиях для быстрой оценки присутствия и реакционной способности наночастиц в коммерческих, экологических и биологических образцах, поскольку современные методы обнаружения требуют дорогостоящего и сложного аналитического оборудования.

Политические и нормативные аспекты

Токсикологические исследования наноматериалов являются ключевым вкладом в определение пределов профессионального воздействия .

Королевское общество определяет возможность проникновения наночастиц в кожу и рекомендует, чтобы использование наночастиц в косметике зависело от положительной оценки соответствующего консультативного комитета по безопасности Европейской комиссии .

Проект Центра Вудро Вильсона по новым технологиям пришел к выводу, что финансирование исследований в области здоровья и безопасности человека недостаточно, и в результате в настоящее время существует ограниченное понимание рисков для здоровья и безопасности человека, связанных с нанотехнологиями. В то время как Национальная инициатива по нанотехнологиям США сообщает, что около четырех процентов (около 40 миллионов долларов США) выделяется на исследования и разработки, связанные с рисками, по оценкам Центра Вудро Вильсона, только около 11 миллионов долларов фактически направляются на исследования, связанные с рисками. В 2007 году они утверждали, что в следующие два года необходимо будет увеличить финансирование как минимум до 50 миллионов долларов, чтобы заполнить пробелы в знаниях в этих областях.

Потенциал воздействия на рабочем месте был подчеркнут в отчете Королевского общества 2004 года, в котором рекомендовалось пересмотреть существующие правила для оценки и контроля воздействия наночастиц и нанотрубок на рабочем месте. В докладе выражается особая обеспокоенность по поводу вдыхания больших количеств наночастиц работниками, участвующими в производственном процессе.

Заинтересованные стороны, обеспокоенные отсутствием нормативной базы для оценки и контроля рисков, связанных с выбросом наночастиц и нанотрубок, проводят параллели с губчатой ​​энцефалопатией крупного рогатого скота («коровье бешенство»), талидомидом , генетически модифицированными продуктами питания , ядерной энергетикой, репродуктивными технологиями, биотехнологиями. и асбестоз . В свете подобных опасений канадская группа ETC призвала ввести мораторий на исследования, связанные с нанотехнологиями, до тех пор, пока не будет разработана комплексная нормативная база, обеспечивающая безопасность на рабочем месте.

См. также

• Международный центр оценки технологий
• Токсикология

Внешние ссылки

• Бергер, Майкл (2 февраля 2007 г.). «Токсикология – от угольных шахт до нанотехнологий» . ООО «Нановерк» . Проверено 15 мая 2007 г.
• Центр биологических и экологических нанотехнологий (CBEN), Университет Райса