Влияние нанотехнологий и наноматериалов на человека и остальной живой мир

«За последние несколько лет в мировое сознание быстро вошло короткое слово с большим потенциалом. Это слово — «нано». Оно будит в воображении догадки о сильнейших сдвигах практически во всех аспектах науки и техники, имеет последствия для этики, экономики, международных отношений, повседневной жизни и даже понимания человеком своего места во Вселенной. Мечтатели расхваливают его как панацею от всех бед. Паникёры видят в нём новый этап биологических и химических войн или, в крайних случаях, возможность создания биологических типов, которые, в конце концов, заменят человечество». (Марк Ратнер профессор Нортвестернского университета).

Прошло не так уж много времени с момента открытия Жакоба и Мано и расшифровки механизма синтеза белка. Но уже сегодня наука способна воспроизводить механизмы репликации на микроструктурах, создавая вещества, основанные на совершенно новых технических принципах. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции с отдельными атомами и молекулами дал начало новому направлению в науке — нанотехнология. Основой сегодняшней наноиндустрии является управляемый механосинтез, т. е. составление молекул из атомов по средствам их сближения до тех пор, пока не вступят в действие необходимые химические связи. В последнее время во всем мире все больше внимания уделяется будущему нанотехнологий. Наибольшие надежды подает определение, данное директором Национального Фонда Науки США Ритой Колвелл: «Нанотехнологии — это ворота, открывающиеся в иной мир».

Нанотехнологии делятся на три типа [1]:

-        «инкрементные» составляют промышленное использование наночастиц в автокосметике и красках для автомобилей;

-        эволюционные» представлены наномерными датчиками, пользующими флуоресцентные характеристики квантовых точек и электрические свойства углеродных нанотрубок. Данные разработки находятся пока в начальном состоянии;

-        «радикальные» нанотехнологии.

Продукцией нанотехнологий являются различные материалы и препараты, содержащие наночастицы. Под наночастицами понимаются частицы, размер которых не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении с заданном структурой и свойствами. Следует отметить, что термин «наночастицы» не отражает принципиально нового содержания, вкладываемого в данное понятие. Во-первых, наночастицы отличаются от объемного материала наличием двумерной метастабильной фазы, обладающей особыми структурными и энергетическими свойствами. Во-вторых, наиболее активные наноструктуры имеют неплоскую форму двумерных слоев, что сопровождается наведением дополнительного дипольного момента и появлением межмолекулярного сопряжения вдоль двумерных границ. В-третьих, появление протяженных плоскостей (особенно сферической и цилиндрической формы) электронного сопряжения возбуждает коллективные электронные и колебательные состояния и способствует делокализации, т. е. распространению валентных электронов по нескольким химическим связям в соединении [2].

Классификация наночастиц может быть построена на характеристиках их формы. В этом случае различают точечные наночастицы (с размером менее 100 нм в любом измерении), линейные (протяженные) объекты, такие как углеродные нанотрубки, нановолокна, нанонити, нанофиламенты, обладающие одним протяженным макроскопическим измерением (длиной), двумерные объекты (плёнки километровой толщины) и, наконец, трехмерные объекты с тонкой структурой в нанометровом диапазоне (нанопен), нанокомпозиты и др. Другой тип классификации основан на химическом составе и включает наночастицы углерода (фуллерены, нанотрубки, графен), наночастицы элементарных веществ, бинарных соединений (окислов, сульфидов, нитридов и др.), сложных химических соединений, наночастицы органических полимеров и биологических макромолекул. И следующий тип классификации, который основан на пути получения веществ в наноформе — это получение наночастиц путём сверхтонкого помола веществ в форме сплошных фаз или макродисперсий [3].

Поскольку вещество в виде наночастиц и наноматериалов обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических дисперсий или сплошных фаз, наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его обитания. Вникая в существо вопроса, следует отчетливо себе представлять неизбежность возникновения сложных научных проблем, связанных с воздействием нанотехнологии на организм человека и окружающую среду и опасность вмешательства нанофактора в интимные жизненно важные процессы, протекающие как в живом организме, так и во всей экосистеме. Отсюда вытекает первая задача — изучение процессов превращения продуктов нанотехнологии в организме человека. Необходимо знать, как поведут себя в организме искусственно собранные вещества и каковы будут особенности их метаболизма, как будет протекать коньюгация и транспорт токсиканта в клетке,а также механизмы регулирования этими процессами. Следует предполагать возможность влияния продуктов нанотехнологии на генные структуры и механизмы регуляции синтеза белка. Неизбежно возникает комплекс проблем, связанных с иммунотоксикологией и аллерготоксикологией и, наконец, то, что называют отдаленными последствиями интоксикации, включая опасность для системы воспроизводства и потомства. К сожалению, малоизвестно о потенциальных экологических последствиях использования наноматериалов. Учитывая уникальные свойства наноматериалов, необходимо разработать методы оценки риска возможного негативного воздействия материалов на здоровье человека и организацию контроля над их оборотом [3].

При разработке путей и подходов к оценке безопасности наноматериалов, в первую очередь необходимо рассмотреть особенности их физико-химических свойств и биологического действия, которые отличают их от аналогов того же химического состава в виде сплошных фаз микроскопических дисперсий. Можно выделить следующий ряд физико-химических признаков веществ в наноразмерном состоянии.Во-первых, нарастание химического потенциала на межфазной границе высокой кривизны. Наночастицы обладают большой кривизной поверхности, что послужило причиной модификации их химических потенциалов. Ввиду этого значительно меняется реакционная и каталитическая способность наночастиц и их составляющих, растворимость. Во-вторых, немалая удельная поверхность наноматериалов. Огромная удельная поверхность наноматериалов преумножает их каталитические свойства, адсорбционную емкость и химическую реакционную способность. Это может привести, например, к приумножению продукции активных форм кислорода и свободных радикалов и далее к повреждению биологических структур (нуклеиновые кислоты, липиды, белки).В-третьих, малые размеры и многообразие форм наночастиц. Наночастицы в силу своих небольших размеров могут объединяться с белками, нуклеиновыми кислотами, закрепляться в мембраны, прорываться в клеточные органеллы и, как следствие, преобразовывать функции биоструктур. При этом наночастицы могут не возбуждать иммунный ответ и не устраняться защитными барьерами живого организма. Процессы перемещения наночастиц в окружающей среде с водными и воздушными потоками, их накопление в донных отложениях, почве могут также ощутимо разниться с поведением частиц веществ, размеры которых превышают размеры наночастиц. В-четвертых, внушительная адсорбционная активность. Ввиду своей высокоразвитой поверхности для наночастиц характерны признаки высокоэффективных адсорбентов, то есть, они способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможна, например, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспортировки вовнутрь клетки, что преумножает токсичность последних. Многие из наноматериалов являются электрически заряжёнными или обладают гидрофобными свойствами, что преумножает процессы адсорбции на них различных токсикантов и также их умение прорываться через защитные барьеры организма. В-пятых, высокая способность к аккумуляции. Из-за своего небольшого размера наночастицы не распознаются защитными барьерами живого организма, они не подчиняются биотрансформации и не выводятся из организма, что служит причиной скопления наноматериалов в растительных и животных организмах, а также микроорганизмах, передачи по пищевой цепи, тем самым, увеличивят вероятность их попадания в организм человека. Все эти факторы доказывают, что наноматериалы обладают совершенно иными химико-физическими характеристиками и биологическим действием, чем вещества в обычном состоянии. Поэтому они должны быть приписаны к совершенно иным видам материалов и продукции, оценка потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является чрезвычайно необходимой.

Все вышеизложенное позволяет заключить, что при оценке безопасности наноматериалов в первую очередь следует учитывать их воздействие на такие важнейшие биологические характеристики, как проницаемость биомембран, генотокснчность, активность окислительно-восстановительных процессов, включая перекисное окисление липидов, биотранформация и элиминация из организма [3].

Одним из основных вопросов методики оценки риска наноматериалов являетсяналичие высокочувствительных методов обнаружения, распознавания и качественного обнаружения наноматериалов в объектах окружающей среды, биологических средах и пищевых продуктах. Методы, применяемые для характеристики физико-химических свойств [3,4]:

-        химический состав частиц;

-        фазовый состав частиц;

-        распределение частиц по размерам;

-        форма наночастиц;

-        оценка взаимодействия с биологическими макромолекулами, возможность проникновения через биологические барьеры.

Использование этих методов позволяет изучить закономерности взаимодействия наночастиц с биологическими объектами в диапазоне от молекулы до клетки и те изменения свойств наноматериалов, которыми это взаимодействие может сопровождаться, позволяет охарактеризовать нарушения в структуре биологических макромолекул, надмолекулярных комплексов, мембран и клеточных органелл, которые могут возникать под влиянием наноматериалов.

Определяющим моментом в оценке риска является установление возможной токсичности наноматериалов. Имеющееся в настоящее время незначительное количество исследований в этом направлении указывает на токсичность наноматериалов. Известно, что даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок и наночастиц некоторых других типов приводит к воспалительному процессу в легочной ткани с последующим развитием фиброза и некрозом клеток. Наноматериалы обладают нейротоксичностью за счет преодоления гематоэнцефалического барьера, вызывая окислительный стресс в клетках мозга. Кардиотоксичность и гепатотоксичность наноматериалов определяются развитием окислительного стресса и воспалительной реакции, что приводит к некрозу и апоптозу клеток. Также известно, что наночастицы могут неблагоприятно влиять на систему свёртываемости крови. Фактически в настоящее время токсичность наноматериалов изучена недостаточно, в том числе нет данных по метаболизму и механизму действия, не определены критические органы системы. При оценке риска также следует обратить внимание на три важнейших характеристики наноматериалов. Во-первых, в большинстве проведенных исследований указывается на то, что определяющим в токсичности наноматериалов является развитие окислительного стресса и повреждение ДНК, что может приводить к апоптозу, некрозу клетки и воспалительной реакции. Во-вторых, принципиально важной характеристикой является их нерастворимость в воде и биологических средах. Еще одной важной характеристикой наночастиц является показатель их формы — «аспектное отношение», т. е. отношение длины частиц к их минимальному линейному размеру.

Следующим важным этапом является оценка поступления, распределения и выведения наноматериалов из организма. В настоящее время существуют три основных способа попадания наноматериалов в организм человека: перорально, ингаляционный и через кожу. Вопрос о возможных путях поступлении наночастиц различной природы в организм, их прохождения через биологические барьеры, распределения и накопления в различных органах и тканях в настоящее время интенсивно исследуется. Таким образом, оценка безопасности наноматериалов должна включать следующие основные блоки [5]:

-          методы количественного определения, обнаружения и идентификации наноматериалов в объектах окружающей среды, биологических средах и пищевых продуктах, позволяющие отличить наноматериалы от их аналогов в макродисперсной форме;

-          изучение действия наноматериалов на белки, липиды, нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты);

-          изучение способов проникновения наноматериалов через биомембраны, взаимодействия с мембранными рецепторами;

-          изучение изменения свойств наночастиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды живого организма (кишечное и желудочное содержимое, лимфа, кровь, моча, желчь и т. д.);

-          определение параметров хронической и острой токсичности, органотоксичности (нейротоксичность, гепатотоксичность, кардиотоксичность, иммунотоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения наноматериалов по органам и тканям;

-          определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы антиоксидантной защиты;

-          изучение влияний наноматериалов на апоптоз генов, генотоксичность, экспрессию;

-          изучение выживаемости пробиотических микроорганизмов нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта в присутствии наноматериалов, определение воздействия наноматериалов на микробиоценоз желудочно-кишечного тракта.

Таким образом, полная система оценки риска наноматериалов включает обширный комплекс физико-химических, биохимических, молекулярно-биологических, токсикологических тестов и специальных исследований, позволяющих провести оценку их воздействия на биологические объекты [5].

Учитывая вышеизложенное, следует отметить актуальность исследования токсичности и опасности наночастиц при различных путях поступления в организм, оценки степени потенциального вреда здоровью человека, расчет рисков.

Литература:

1.      Алфимов М. В., Разумов В. Ф., Доклад рабочей группы «Индустрия наносистем и наноматериалов», Российские нанотехнологии,Т.2, 2007г.

2.      Арчаков А. И., Иванов Ю. Д., Плешаков Т. О. и др., «Атомно-силовая микроскопия для медицинской диагностики. Физикохимия ультрадисперсных наносистем», Материалы VII Всероссийской конференции,Москва,2005г.

3.      «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы». Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации № 54 от 23.07.2007 г.

4.      «О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы». Информационное письмо Роспотребнадзора № 0100/4502–07–02 от 02.05.2007 г.

5.      Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду,Р 2.1.10.1920–04. Рахманин Ю. А., Новиков С. М., Шашина Т. А. и др., М., Федеральный центр Россанэпидемнадзора Минздрава России, 2004г.