Embedded Files
http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_17/perst.htm#N_9_17_14
Что нужно для безопасного использования наноматериалов?
Учёные разных стран продолжают активно обсуждать вопросы, связанные с безопасностью применения наноматериалов (НМ). К сожалению, вопросов этих меньше не становится. “Известные неизвестные” (“the known unknowns”) аспекты НМ обсуждаются в работе датских исследователей [1]. Авторы проанализировали 31 документ (недавние отчёты и статьи ведущих учёных о возможных рисках применения наноматериалов) и обнаружили серьёзные пробелы в знаниях о воздействии НМ на здоровье, окружающую среду, безопасность. В основном неопределенность связана с отсутствием эталонов и стандартизации методологии тестирования; также неизвестны судьба и поведение НМ в окружающей среде, токсичность для человека и среды, и, в меньшей степени, торгово-промышленные аспекты (включая жизненный цикл). Авторы признают, что их анализ не обязательно отражает все неопределенности, связанные с НМ. Тем не менее, он важен, поскольку является первой попыткой систематического описания неопределенности как научного понятия, связанного с потенциальными рисками наноматериалов. Выводы исследователей таковы - мы находимся на самом начальном этапе понимания того, как воздействуют НМ. Для эффективного и быстрого уменьшения пробелов в знаниях в первую очередь требуется разработать необходимые методы тестирования и полного определения характеристик наноматериалов. С этим согласны и авторы обзора [2], посвященного оценке токсичности с целью безопасного применения НМ. Они проанализировали, как влияют на токсичность характеристики наноматериалов - размер, химия поверхности, морфология, кристаллическая структура и др. Вот некоторые примеры, приведенные в [2]. Наночастицы TiO2 размером 20 нм, в отличие от 250 нм - частиц, приводят к серьезным воспалениям в легких. Наночастицы золота, считающиеся нетоксичными, при размере 1.4 нм могут вызвать быструю гибель клеток. Наночастицы 50-120 нм Al снизили жизнеспособность клеток, а от аналогичных по размеру наночастиц Al2O3 заметного эффекта не было. Покрытие наночастиц серебра полисахаридами снизило токсичность. Наночастицы анатаза и рутила, имеющие один и тот же химический состав TiO2, но разную кристаллическую структуру, имеют разные уровни токсичности.
Как уже говорилось выше, кроме характеристик самих материалов важны и методические особенности исследований. Например, при проведении экспериментов in vitro в зависимости от среды (вода, клеточная среда, добавление сыворотки) сильно меняется агломерация частиц. Это тоже надо учитывать при оценке токсичности, ведь наночастицы малых размеров в агломератах могут вести себя как крупные. В таблице показано, как меняется размер частиц при приготовлении раствора в деионизированной воде (DI H2O) и клеточной среде определенного типа (RPMI Media).
Важно учитывать и методы приготовления растворов, суспензий (ультразвуковое или магнитное перемешивание и др.). Авторы [2] рекомендуют использовать кратковременное УЗ перемешивание непосредственно перед экспериментом, а агломерацию снижать, применяя ПАВ (см., например, [3]).
Таблица. Размер частиц в разных растворах
Уровень токсичности наноматериала зависит и от функциональных групп, присутствующих на его поверхности. Например, мыши, в трахею которых вводили 5 мг/кг многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT), погибали сразу, в их легких были патологические изменения, а такая же доза CNx-MWCNT не вызвала воспалительных реакций (рис.1).
Рис.1. Изменения в легких у мышей, в трахеи которых были введены CNx-MWCNT (А)
и чистые MWCNT (В) [2].
Споры о том, какие нанотрубки вредны и насколько, подтверждают необходимость тщательного исследования поверхности, в том числе и при применении ПАВ. Недавно испанские исследователи получили результаты, свидетельствующие о вредном воздействии MWCNT на эмбрионы дафнии (мелкие рачки) и рыбы-зебры (zebrafish)* [4]. Это значит, что наноматериалы могут повлиять и на потомство. Авторы не исключают, что эффект мог быть вызван применением ПАВ или присутствием катализатора.
Еще одна проблема, на которую указывают авторы [2], но которая пока не привлекла большого внимания - для изучения отдаленных эффектов in vivo, да и in vitro тоже, наноматериалы должны быть стерилизованы, чтобы исключить загрязнение бактериями. Обычно применяют автоклавы, но это не подходит для наноматериалов – возможны структурные и другие изменения - оксидирование, образование агрегатов, подтвержденное экспериментально для наносфер и нанокапсул. Другой вариант – использование химикатов – может быть вреден и для людей, и для окружающей среды. Облучение УФ может изменить поверхностные свойства НМ и структуру. Обработка в этаноле не убирает споры. Таким образом, следует разработать новые методы стерилизации, возможно, на основе γ-облучения.
Неясным остается и вопрос определения дозы – по числу частиц, по удельной поверхности, отношению массы к объему?.. В целом авторы обзора [2] считают, что для изучения воздействия НМ надо научиться создавать однородные дисперсии наночастиц, четко и полно определять их физико-химические свойства (состав, концентрацию, удельную поверхность, поверхностную энергию, размеры и форму, размеры и заряд в растворе). Синтез, обработка, определение характеристик, применение наноматериалов находятся на начальной стадии развития. Требуется междисциплинарный подход (рис.2), который поможет ответить на важнейшие вопросы: 1) контактируют ли НМ с клетками, и попадают ли внутрь (механизм)?; 2) воздействуют ли НМ на белки цитоскелета (клеточного каркаса)? 3) разрывают ли они мембраны внутренних органелл**; 4) каково общее воздействие на клеточную функцию (токсичность, клеточный стресс)?
Рис.2. Схема междисциплинарного
подхода определения воздействия НМ, предлагаемая авторами [2].
Дополнительные проблемы возникают при оценке иммунотоксикологии [5]. Фармацевтическая промышленность постоянно увеличивает выпуск лекарств и диагностических средств на основе наночастиц. Некоторые из них должны целенаправленно воздействовать на иммунную систему, другие, наоборот, не должны никак на нее влиять. Необходимо разработать стандартизованные методы оценки для каждого вида наноматериалов, чтобы можно было сравнивать результаты, полученные в разных лабораториях. Более того, нужно изучить взаимодействие НМ со всеми реагентами, используемыми в экспериментах по оценке иммунотоксикологии in vitro, сначала без клеток, чтобы исключить ложные эффекты. Эксперименты in vivo авторы рекомендуют проводить не на крысах, а на свиньях, поскольку они более чувствительны к иммунотоксикологии наночастиц. Но главное – необходимость разработки новых нормативных документов для оценки иммунотоксичности лекарственных средств на основе НМ. Нельзя пользоваться правилами, утвержденными для обычных лекарств. Процесс разработки длительный и не может начаться без предварительной научной проработки.
О.Алексеева
* Рыба-зебра всё чаще используется в лабораторных опытах вместо мышей. Ее сердце, почки, кости, кровь во многом аналогичны таковым у высших животных. Кроме того, каждые 4-5 дней она способна откладывать до 200 икринок.
** Органеллы – постоянные структуры клеток (например, клеточное ядро, митохондрии), осуществляющие определенные жизненно важные функции.
1. K.D.Grieger et al., Nanotoxicology 3, no. 3, 1 (2009).
2. S.M. Hussain et al., Adv. Materials 21, 1549 (2009)..
3. ПерсТ 15, вып. 8, с. 5 (2008).
4. M.Olasagasti et al., J. Phys.: Conf. Series 170, 012018 (2009).
5. M.A.Dobrovolskaia et al., Nature Nanotech. 4, 411 (2009).
Google Sites
Report abuse