На хвилі прогресу: нанобезпека
Бурхливий розвиток нанотехнологій, безумовно, сприяє прогресу науки та техніки. Між тим, провідні фахівці називають наночастинки «Дволицим Янусом», адже механізм впливу на організм людини речовин, які знаходяться в так званому нанорозмірному стані, істотно відрізняється від існуючих наукових уявлень. Це зумовлює необхідність пошуку біомаркерів для оцінки функціонального стану організму працюючих у сфері нанотехнологій та вдосконалення засобів індивідуального захисту
Сфера інтересів — нанотехнології
Вивчення впливу частинок нанодіапазону на людський організм є одним з найпріоритетніших напрямків сучасної науки. Всі ми знаємо, що наночастинки існують у космосі, атмосфері, гідросфері, гірських породах і магмі. Можливо, цілком доречно було б визнати «батьком» нанотехнології Демокрита, який сказав, що «атом — це світ». Але сьогодні людство цікавлять в першу чергу так звані синтетичні, тобто індустріальні наночастинки. В більшості країн світу наноматеріали й, особливо, наночастинки перебувають на самому гребені нанотехнологічної хвилі.
Власне, термін «нанотехнологія» був введений у 1974 р. професором-матеріалознавцем Токійського університету Норіо Танагучі, який визначив його як «технологія виробництва, що дозволяє досягти надвисокої точності та ультрамалих розмірів порядку 1 нм».
За аналітичними прогнозами, інноваційний розвиток і рівень економіки у XXI ст. визначатимуть саме нанотехнології, що викличе істотні зміни в усіх сферах діяльності. Нанотехнології та виготовлення нових наноматеріалів стане одним з основних рушіїв прогресу в таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина та екологія.
Малий розмір — нова якість
Частинки нанодіапазону умовно поділяють на ультратонкі (ультрадисперсні або ультрамалі; аеродинамічний діаметр < 100 нм) та тонкі (малі; аеродинамічний діаметр > 100 нм).
Для порівняння: розмір клітин становить 1000–10 000 нм, вірусів — 20–450 нм, молекул білків — 5–50 нм, генів — 2 нм завширшки та 10–100 нм завдовжки.
Інтерес вчених до наночастинок зумовлений тим, що вони займають проміжне положення між атомно-молекулярним та конденсованим станом речовини. Навіть прості нанооб’єкти (наприклад, наночастинки металів) мають фізичні і хімічні властивості, відмінні від таких більш великих об’єктів з того самого матеріалу, а також від властивостей окремих атомів.
Так, одна з головних відмінних рис наночастинок полягає у великій площі питомої поверхні. Крім того, наночастинкам притаманні виразні каталітичні властивості. Розмір і форма нанооб’єкта може істотно впливати на його оптичні, електричні, теплофізичні, магнітні властивості та навіть на колір, а групи наночастинок набувають нових якостей, що виникають в результаті їхньої взаємодії одна з одною. Наприклад, при малих концентраціях значно зростають магнітні і парамагнітні властивості, і наночастинки речовини виявляють унікальну властивість — «самоскладання кристалічної структури».
Із префіксом «нано»
В нанотехнології виділяють напрямки, пов’язані з проміжними продуктами: наноматеріали, наноструктури, нанопристрої (нанороботи) та з виробництвом цих продуктів: нанотехнологічне обладнання; інструменти нанотехнологій.
Окремим напрямком є нанонаука, до якої можуть бути віднесені нанотоксикологія, наноосвіта та нанобезпека (вплив нанотехнологій на навколишнє середовище та життєдіяльність).
«Дволиций Янус»
Чому саме виник такий напрямок, як нанобезпека, адже наночастинки такі корисні для прогресу всього людства? Справа в тому, що фундатори нанотоксикології недаремно називають наночастинки «Дволицим Янусом».
Незаперечним є факт, що сучасні нанотехнології зумовлюють значний прорив у медицині та фармації, біотехнології та різноманітних галузях промисловості. Однак, якщо наноматеріали для біотехнологій підлягають дуже суворому тестуванню на предмет співвідношення користі та ризиків, то про так звані індустріальні наночастинки цього сказати не можна. Наприклад, карбонові нанотрубки спочатку вважали цілком безпечними, але виявилося, що нанотрубки проникають крізь мембрану і накопичуються в цитоплазмі та ядрі, що призводить до загибелі клітини. Встановлено також, що карбонові нанотрубки можуть спричиняти таке захворювання, як мезотеліома плеври.
Виходячи з даних щодо фізико-хімічних властивостей наночастинок, можна припустити, що й їхня біологічна дія має свої особливості.
Вважається, що існують три основні шляхи потрапляння наноматеріалів в організм людини: інгаляційний, трансдермальний й пероральний.
Сьогодні відомо, що у порівнянні з малими ультрамалі частинки мають вищу біологічну активність і здатні індукувати інтенсивні запальні реакції. Високі рівні впливу респірабельних частинок з аеродинамічним діаметром < 100 нм можуть спричиняти підвищення захворюваності та смертності внаслідок патології дихальної і серцево-судинної систем. Існують переконливі дані про те, що, потрапляючи в організм, вони дифундують у різні відділи респіраторного тракту, через епітеліальні та ендотеліальні клітини потрапляють у кровоносну і лімфатичну системи і згодом накопичуються в кістковому мозку, лімфатичних вузлах, селезінці та серці.
Адсорбція наночастинок на поверхні еритроцитів може призводити до дестабілізації мембрани та гемолізу. Вони також можуть здійснювати транзит металів та органічних токсикантів до клітин-мішеней, індукувати пошкодження ДНК або інгібувати процеси репарації.
Дослідження німецьких вчених показали, що ультрадисперсні частинки кремнію діоксиду майже за лічені секунди проникають у цитоплазму, а щоб дістатися ядра, їм потрібно трохи більше часу — близько 2 год. Клітинна оболонка для них взагалі не є перешкодою. Наночастинки можуть зруйнувати майже будь-яку молекулу, з якою стикаються, тим самим завдаючи величезної шкоди живій клітині. Наприклад, наночастинки кремнію діоксиду накопичуються всередині клітинного ядра, призводить до утворення в ньому білкових агрегатів. Цей процес має катастрофічні наслідки: клітина впадає у своєрідний стан спокою, перестає функціонувати та зростати. Найголовнішим є те, що цей стан є необоротним.
Утворення внутрішньоклітинних білкових агрегатів спостерігається при таких захворюваннях, як хорея Хантінгтона та хвороба Паркінсона. Іншими словами, наночастинки зумовлюють у клітинах патологічні зміни, які асоціюються із нейродегенеративними захворюваннями. Ці дані цілком відповідають сучасним уявленням про інгаляційний шлях надходження наночастинок не тільки до органів респіраторного тракту, а й до головного мозку.
Об’єктивно та незаангажовано
Дослідження унікальних властивостей наночастинок тривають у лабораторіях багатьох країн світу, але й досі бракує даних, щодо їхньої токсичності, транслокації, біодеградації та елімінації з організму людини. Неясними залишаються поведінка частинок нанодіапазону в біологічних системах та механізми взаємодії наночастинок із біологічними об’єктами.
Тому актуальними є такі аспекти вивчення проблем:
- медико-біологічні (дослідження особливостей біологічної дії наночастинок, параметрів токсичності, впливу на здоров’я та довкілля);
- юридичні (державне законодавство в галузі нанотехнологій);
- етичні (інформування виробників та населення про потенційну небезпеку наноматеріалів).
Щодо медико-біологічних проблем, то йдеться про подальше вивчення впливу наночастинок та наноматеріалів на організм людини з метою запобігання потенційній шкоді для здоров’я.
Пріоритетною є оцінка токсичності нових матеріалів, експозиції на робочому місці працюючих у сфері нанотехнологій та професійних ризиків.
Водночас експерти провідних міжнародних організацій наполягають на тому, що нанотехнології — це безумовний прогрес, тому треба зробити все можливе, аби медико-біологічні дослідження задля нанобезпеки були об’єктивними та незаангажованими.
Олександра Демецька, канд. біол. наук
“Фармацевт Практик” #12′ 2020
