Основы появления и развития нанотехнологий и риски, связанные с их использованием

Низкая токсичность суспензии оксида железа Fe2O3 в комплексе с гуминовыми кислотами была показана на клеточной культуре фибробластов человека [19].

Исследования острой токсичности на крысах и собаках показали, что Синерем (ультратонкие частицы окиси железа) проявляет остро-токсические свойства в дозах, превышающих 400мг/кг. Изучение хронической токсичности выявило увеличение активности АЛТ и АСТ в крови, ассоциированных с цитоморфологическими изменениями в печени. Синерем не обладал генотоксичностью. Тем не менее были обнаружены некоторые тератогенные эффекты и эмбриотоксичность [19].

Ингаляционное воздействие наночастиц оксида железа размерами 22 и 280 нм на крыс линии Sprague Dawley в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках, гиперемию, гиперплазию и фиброз тканей легких. Также было выявлено нарушение системы свертывания крови [19].

Иная картина, в сравнении с наночастицами железа, представляется с другими металлами и их оксидами. Исследования токсичности наночастиц кадмия, хрома, меди, никеля и цинка на водной культуре дафний (Daphnia magna) показали, что медь и цинк проявляют схожую токсичность, с усилением при низких значениях рН. Зависимость проявления токсических свойств для других металлов также зависело от значений рН среды [19].

Сравнительное изучение токсичности наночастиц меди (23,5 нм), микрочастиц меди (17 микрон) и ионов (CuCl2) на мышах при пероральном введении позволило рассчитать параметры острой токсичности (ЛД50): 413, 5000 и 110 мг/кг. Органами-мишенями токсического воздействия оказались печень, селезенка, почки. При этом масса тела животных не изменялась [19].

Фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка и его оксида на кукурузе (Zea mays L.), редисе (Raphanus sativus), рапсе (Brassica napus napus), огурце (Cucumis sativus) показали, что их концентрация 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана 50%-ая ингибиторная концентрация (IC50) для редьки, которая составила 50 мг/л, рапса – 20 мг/л [19].

Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний (Daphnia magna) и бактерий (Vibrio fischeri) выявило летальные концентрации (ЛК50) – 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно [19].

Различия в токсичности наночастиц и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем наночастицы. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, также нано-цинк вызывал анемию и нарушение системы свертывания крови [19].

Наиболее широко используемым как в чистом виде, так и в составе наноматериалов является оксид титана. Токсикологические исследования тонких (250 нм) и ультратонких (20 нм) TiO2 при ингаляционном введении крысам показали, что частицы размером 20 нм способны накапливаться в лимфоидных тканях, обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга. Эффект развивается за счет индицирования реактивных форм кислорода, окислительного стресса и накопление малонового диальдегида [19].

Основным механизмом токсического действия наночастиц оксида титана оказалась индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров наночастиц, но от того, какой структурой представлен TiO2: кристаллической или аморфной [19].

Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез м-РНК, вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий и т.д. [19]

Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН- радикалы, которые в дальнейшем окисляют липиды [19].

Из представленных данных видно, что токсические свойства наночастиц металлов сильно зависят от их размеров и структурной организации. В то же время одним из основных механизмов токсического действия является окислительный стресс, который обуславливается активными формами кислорода, генерируемыми наночастицами [19].

Углеродные нанотрубки и фуллерены. Углерод в форме полых сфер, эллипсоидов, трубок образует наноструктуры известные как фуллерены (Ф, C60) и собственно углеродные нанотрубки (УНТ). Углеродные нанотрубки существуют в двух формах: одностенные и многостенные. Среди всех известных наноструктур Ф и УНТ занимают особое положение, поскольку их уникальные свойства предоставляют возможность для самого их широчайшего использования.

Углеродные нанотрубки, в зависимости от их поступления в организм животных, проявляют различную токсическую активность. Так ингаляция крыс и мышей вызывает воспаление и фиброз, накопление нейтрофилов и белка в легочной ткани, приводит к увеличению массы легких и активности лактат-дегидрогеназы [19].

Исследование in vitro в культуре клеток эпидермальных кератоцитов человека и мыши показало, что УНТ проникают через мембрану, аккумулируется внутри клетки и индуцируют апоптоз. Одностенные УНТ в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл ингибируют пролиферацию эмбриональных клеток человеческой почки [19].

При пероральном введении гидроксилированные (растворимые в воде) УНТ распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Многостенные УНТ снижают жизнеспособность клеток, увеличивают содержание воспалительного маркера интерлейкина-8. Однако растворы и суспензии содержащие УНТ не вызывают аллергических реакций. Одностенные и многостенные УНТ отличаются степенью цитотоксичности и способностью индуцировать окислительный стресс [19].

Фуллерены и его водорастворимые формы были внутривенно введены крысам в дозах 15 и 25 мг/кг. Инъекция 25 мг/кг в течение 5 мин привела к смерти двух из двадцати крыс. Фуллерены почти полностью связывались с белками плазмы и инактивировали активность печеночных глутатион-S-трансферазы, глутатион-пероксидазы и глутатион-редуктазы и индуцировали окислительное повреждение гепатоцитов крыс [19].

При пероральном введении ЛД50 для крыс составила 600 мг/кг. При сублетальных дозах у животных наблюдалось снижение активности щелочной фосфатазы и содержания триацилглицеридов, уменьшение масс тимуса и сердца, увеличение селезенки, активности АСТ, а также развивалась нефропатия [19].

Исследования мутагенной активности трех производных C60 на Salmonella thyphimurium (Палочка мышиного типа) и Escherichia coli (Кишечная палочка) дали отрицательный результат. 
Изучение токсичности C60 на водной культуре водорослей (Pseudokirchneriella subcapitata – зеленая морская водоросль) и дафнии (Daphnia magna – Дафния магна) в присутствии атразина, метилпаратиона, пентахлорфенола и фенантрена показало, что фуллерен способен увеличивать токсичность фенантрена и уменьшать пентахлорфенола, при этом 85 % фенантрена агрегировано с C60. Таким образом, фуллерены способны аккумулировать ксенобиотики и тем самым усиливать их токсичность [19].

И фуллерены, и углеродные нанотрубки характеризуются высокой аффинитетностью к молекуле ДНК, что делает их потенциальными мутагенами. Все же, основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур является индукция активных форм кислорода и окисление биологических молекул [19].

Другие неорганические и органические наночастицы. Исследования цитотоксичности диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц in vitro на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является пороговой, ниже которой токсические эффекты не наблюдались. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны (маркером является цитозольная ЛДГ) и некроз клеток. Использование культуры клеток бронхоальвеолярной карциномы человека показали дозозависимый цитотоксический эффект наночастиц диоксида кремния размером 15 и 46 нм [19].

Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрофагами. Полиамидоаминовый (ПАМАМ) дендример (генерация-7) в концентрациях 10-100 нМ увеличивал поры в мембране клеток. В тоже время ПАМАМ (генерация-5) до 500 нМ не оказывал выраженного цитотоксического эффекта на культуру клеток [19]. Однако дендримеры не нарушали целостность клеточной мембраны, а лишь расширяли дефектные поры и тем самым способствовали высвобождению цитозольных ферментов ЛДГ и люциферазы. После удаления дендримера из среды утечка ферментов прекращалась [19].

Квантовые точки обладают рядом свойств, делающих их хорошими зондами для медицинской диагностики. Исследования квантовых точек на основе CdSe/ZnS в дозах от 1,4 до 3600 пМ/мышь (20 г) показали, что только при высоких дозах наблюдались тромбоз и воспаление легких. При этом в почках кадмий не обнаруживался [19].

Представленные данные по токсическим свойствам некоторых наноматериалов далеко не исчерпывающие. Было показано, что токсичность зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода. Другие способны проникать через тканевые барьеры внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи – дендримеры различной степени генерации, некоторые типы наноматериалов могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми. Рассматривая накопленный экспериментальный материал, можно обнаружить, что не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или иное повреждающее действие. Так, одни исследователи однозначно обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа, другие же, напротив, показали, что они безвредны. Представленные результаты показывают, насколько уникальны и разнообразны по своим свойствам наноматериалы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества [19].

2.3. Организация контроля над воздействием наночастиц на производстве

Для того чтобы понять, насколько влияют наночастицы в данной конкретной территории, необходимо разработать специальную методику. Как и любая система мониторинга, она должна состоять из наблюдений, оценки, прогноза и специальным образом организованных мероприятий.

В общем виде она может носить следующий вид:

1. Подготовительный этап:
1. Постановка цели и задач проводимого исследования;
2. Установление сроков реализации исследования и получения прогнозных данных;
3. Определение источников финансирования и оборудования, с помощью которого будет проводиться исследование. В случае отсутствия собственной научно-технической базы следует заключить договор с какой-либо независимой экологической компанией, занимающейся подобными исследованиями. Если говорить о нашей стране, то у нас практически отсутствуют такие организации, поэтому подобными исследованиями можно заниматься только при наличии собственного оборудования, причем, как правило, купленного зарубежом.
2. Организация наблюдений:
1. Выявление источников выбросов наночастиц на производстве;
2. Определение мест наблюдения и отбора проб;
3. Определение характера выбросов (контролируемые или нет, постоянные или эпизодические) и области распространения наночастиц;
4. Определение воздействия на работающий на производстве персонал, а также на компоненты окружающей среды в непосредственной близости от предприятия и на некотором расстоянии от него;
3. Составление отчета-оценки воздействия выбросов наночастиц на человека и компоненты экосистем.
4. На основе полученных данных составить прогноз изменения среды, прогноз воздействия на среду (сроки могут определяться целями, которые были поставлены перед началом исследования).

Данная методика не носит универсальный характер, она лишь отражает некоторые наиболее общие аспекты, которые важно учитывать при оценке рисков, связанных с производством, в том числе нанопроизводством. Можно смело констатировать тот факт, что в нашей стране отсутствует грамотно организованная система наблюдений и контроля над воздействием наночастиц. Методика должна носить в каждом конкретном случае свой вид, так как поведение наночастиц в окружающей среде весьма специфично, ее результаты также зависят от профессионализма научных работников, занимающихся исследованиями подобного рода, материального обеспечения и технической базы для исследования.

На основе анализа полученных данных можно составить план мероприятий по защите персонала и снижения воздействия на компоненты окружающей среды. Главная проблема заключается в том, что на данный момент не существует единой метрологической концепции, с помощью которой может быть оценено воздействие наночастиц. Тем не менее, оценки риска должны быть сделаны на основе лучших имеющихся данных, которые впоследствии станут основой для разработки стратегии контроля над поведением наночастиц.

Из-за высокой скорости диффузии наночастиц, их будет легко найти пути утечки в системах, в которых локализация не является полной. Инженерные системы контроля, предназначенные для использования в целях контроля наночастиц, это, к примеру, корпуса местной вытяжной вентиляции, вытяжные и общие вентиляции. В тоже время отсутствуют какие-либо специальные исследования, в которых проводился анализ эффективности инженерных систем управления по отношению к наночастицам [6].

В теории фильтрации был хорошо описан механизм отклонения траектории частиц от линии тока под действием различных факторов, в результате частицы могут столкнуться с фильтрующими элементами (белками) и осадиться на них. Для частиц менее 100 нм доминирующим механизмом является – броуновской диффузии. Эффективность броуновской диффузии возрастает с уменьшением размера частиц. Таким образом, метод фильтрации может весьма успешно применяться для улавливания наночастиц [6].

Конечно, не стоит забывать и о средствах индивидуальной защиты, таких как респираторы. Все эти устройства зависят от качества фильтрации воздуха до его вдыхания работником. Вполне вероятно, что для всех, кроме самых маленьких (< 2 нм), эффективность фильтрации будет высокой [6].

Существует ряд доказательств, что наночастицы могут напрямую попадать в эпидермис и. возможно, дальше, в поток крови. Следовательно, необходимо использовать средства защиты кожи, такие как костюмы, перчатки и др. Кроме того, сейчас многими производителями делается акцент на инвестиции в исследования, которые позволят максимально автоматизировать некоторые стадии технологического процесса в нанопроизводстве [6].