CC BY-ND
29
ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Е.И. Акимова
HYGIENIC PROBLEMS CONCERNING THE SECURITY OF NANOTECHNOLOGIES DEVELOPMENT
E.I. Akimova
МПФ ППО Московская медицинская академия имени И.М. Сеченова
В перспективе ожидается расширение непосредственного контакта человека и других биологических объектов с наноматериалами, поэтому изучение потенциальных рисков их использования является первостепенной задачей для гигиенической науки. Разработанные в радиационной гигиене, радиоэкологии, токсикологии и экотоксикологии подходы и методики по оценке соответствующих рисков могут быть применены и для оценки рисков нанообъектов для человека.
In view of the fact that the extension of direct interaction between humans and other biological species with nanomaterials is expected, research of potential risks related to their utilization forms the primary task of hygienic science. Approaches and methods on evaluation of corresponding risks developed in radiation hygiene, radioecology, toxicology and ecotoxicology may also be used for evaluation of risks caused by nanoobjects to humans.
В настоящее время развитие нанотехнологий признано в Евросоюзе, США и России одним из приоритетных направлений научнотехнического прогресса. В связи с этим расширение промышленного производства наноматериалов влечет за собой увеличение числа людей, контактирующих с ними как в процессе производства, так и в результате использования, а также утилизации объектов, содержащих наночастицы.
Особые свойства наночастиц — малые размеры (1—100 нм), небольшое количество атомов в морфологических элементах, значительная удельная поверхность, дополнительная энергия, вызванная экстремальными условиями синтеза и неравновесным состоянием атомно-кристаллической структуры, все это может оказаться опасными при взаимодействии с биологическими объектами и проникновении в них [1].
Учитывая, что в перспективе ожидается расширение непосредственного контакта человека и других биологических объектов с наноматериалами, изучение потенциальных рисков их использования, — это является первостепенной задачей для гигиенической науки. Такие исследования проводятся в США (FDA), Евросоюзе, а также ряде международных организаций (ВОЗ, ФАО, ILSI) [2; 3; 5; 6; 7].
Разработанные в радиационной гигиене, радиоэкологии, токсикологии и экотоксикологии подходы и методики по оценке соответствующих рисков могут быть применены
и для оценки рисков нанообъектов для человека.
На начальном этапе работы определяются нанотехнологические источники опасности и характер вызываемых ими эффектов. Немногочисленные экспериментальные исследования нанообъектов позволили получить результаты, свидетельствующие об опасности для здоровья человека и благополучия других живых объектов окружающей среды.
Для количественной оценки риска, создаваемого нанообъектами, необходимо охарактеризовать их источники, пути переноса, мишени воздействий и выход неблагоприятных изменений в зависимости от уровня воздействия, так называемые «дозы» [2].
В качестве путей воздействия нанообъектов на человека следует учитывать возможное их поступление через:
— органы дыхания за счет вдыхаемого, загрязненного нанобъектами, и особый случай -при ингаляции медицинских препаратов, содержащих нанообъекты;
— органы пищеварения в результате загрязнения нанообъектами поверхности пищевых продуктов, содержания в воде и пищевой продукции, а также при приеме внутрь медицинских препаратов, в состав которых входят нанообъекты;
— поверхность кожи вследствие оседания нанообъектов из воздуха или при использовании медицинских, гигиенических и косметических препаратов, содержащих нанообъекты.
Среди исследователей существует несколько методических подходов в определении «дозы» по отношению к нанообъектам [4; 5; 6; 8]:
— «массовый», при котором дозовой характеристикой служит общая масса наночастиц в рассматриваемойм объеме, массе или объекте;
— «численный», где учитывается общее число наночастиц в рассматриваемом объеме, массе или объекте;
— «поверхностный», где используется общая поверхность наночастиц в рассматриваемом объеме, массе или объекте.
Следует отметить, что «массовый» подход имеет значительные ограничения в использовании, т. к. не учитывает различие в токсическом эффекте наночастиц разного диаметра.
Как показывает целый ряд экспериментальных исследований, в качестве описания «дозы» наиболее приемлемо применять общую поверхность наночастиц в единице объема воздуха (при ингаляционном воздействии), в массе поступившей пищи или воды (при воздействии через ЖКТ), на единицу поверхности кожи (для поступления через кожу).
Полученные в настоящее время данные позволяют рассматривать зависимость «доза-эффект» как линейную, однако возможны и другие формы зависимости, в т. ч. пороговую [2].
Специфическое токсическое воздействие нанообъектов на живые организмы предполагает необходимость оценки риска с учетом их полного жизненного цикла:
1. Производство сырья для нанотехнологий.
2. Производство конечного продукта с использованием нанотехнологий.
3. Использование продукта потребителем.
4. Завершение стадии жизненного цикла:
4.1. Переработка, в том числе для повторного использования.
4.2. Сжигание.
4.3. Захоронение вместе с отходами производства и потребления.
Риск для работающих, занятых в нанотехнологическом производстве, возникает на этапах 1, 2, 4.1 и 4.2 за счет воздействия самих нанообъектов (основной риск), а также за счет неспецифического риска этих производств от других источников (дополнительный риск).
Риск для населения возникает в результате выбросов и сбросов нанообъектов (основной риск) и сопутствующих полютантов (дополнительный риск) на этапах 1, 2, 4.1 и 4.2. С определенным риском связано и потребление
населением нанотехнологичного продукта. Кроме того, риск для населения представляют и нанообъекты, захороненные на полигонах (этап 4.3).
Таким образом, общая оценка риска для работающих и населения, создаваемая полным жизненным циклом нанообъектов, состоит из суммы основного и дополнительного рисков:
Дополнителный риск для каждого конкретного производства может быть определен уже сейчас по разработанным методикам в соответствие со стандартными процедурами. Для оценки основного риска требуются дополнительные экспериментальные данные [2].
Несмотря на использование наноматериалов в мире уже более 10 лет, ни один вид наноматериалов не был изучен в полном объеме на безопасность. Как в США, так и странах Евросоюза и Англии проводилось незначительное количество таких исследований, которые не позволили точно оценить потенциальные риски использования наноматериалов.
Постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 31 октября 2007 г. № 79 была принята Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов. Она относит наночастицы и наноматериалы к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Особое внимание уделяется тому, что методология оценки риска для наночастиц и наноматериалов может быть неприменима или применима ограниченно. Это ставит перед необходимостью изучения в токсикологическом аспекте каждого наноматериала с определением допустимой суточной дозы или условно переносимого недельного (месячного) поступления.
Разработки в области нанотехнологий и наноматериалов привело к формированию нового направления исследований — нанотоксикологии, где изучаются возможные вредные последствия контакта человека с нанообъектами.
На данный момент наиболее изучен ингаляционный путь поступления наноматериалов.
Было установлено, что вдыхаемые наночастицы оседают на всей протяженности дыхательных путей, проникают через клеточные мембраны или между клетками, распространяясь как эндоцитозом, так и трансцитозом в различные органы и системы [12].
Результаты изучения особенностей биологического действия наночастиц различного химического состава и дисперстности показали, что их токсическое действие в значительной степени отличается от действия традиционных порошков. Имеющиеся в настоящее время результаты пока немногочисленных исследований указывают на то, что наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Выявлено, что даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза.
Исследования воздействия нанопорошков на организм, выполненные in vivo и in vitro свидетельствуют о возникновении воспалительных процессов, окислительных стрессов в легких и периферийных органах при вдыхании таких порошков. Выявленные изменения тканей и клеточных культур подтверждают физиологическую реакцию организма модельных животных, проявляющуюся в окислительных стрессах, в апоптозе как следствие контакта клеток организма с наночастицами.
Согласно имеющимся данным научных исследований, токсичность наноматериалов обусловлена, в первую очередь, развитием окислительного стресса и повреждением ДНК, однако нельзя исключать и наличия других механизмов токсичности наноматериалов. Они могут быть связаны с их повреждающим действием на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также усиливать ответы на аллергены.
Было установлено, что наночастицы нитрида кремния, карбида вольфрама и серебра могут воздействовать на целостность барьера «кровь-мозг» и оказывать на мозг непосредственное воздействие. Наночастицы размером 30—60 нм через несколько дней после интра-трахеального введения проникают в клетки печени, почек, гонад. При этом наночастицы повреждают в первую очередь митохондрии, проникают в ядро клетки, неся на «своих плечах» вирусы и бактерии сопоставимые по размеру с наночастицей.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что при использовании наноматериалов существует опасность возникновения бактерионосительства, а также митохондриальных болезней, связанных с мутагенным воздействием ультрадисперстных систем на митохондриаль-
ную и бактериальную ДНК. Апоптоз многих ядер, содержащих бактерии, дает основания полагать, что причиной гибели клеток является не только повреждение митохондрий, но и воздействие бактерий и вирусов, попавших вместе с наночастицами в ядро клетки.
Вывод. На основе приведенных данных можно сделать вывод, что нанотехнологии ставят перед гигиенической наукой целый ряд задач по разработке безопасных условий получения, применения и утилизации различных наноматериалов, в т. ч. разработку подходов к нормированию содержания наночастиц в окружающей среде, токсикологические исследования наноматериалов и создание экспресс-методов их оценки, разработку методов для оценки экспозиции, а также создание специальных средств защиты работников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В.И., Сопова Е.А. Особенности гигиенической оценки нанотехнологий и наноматериалов. //Медицина труда: реализация глобального плана действий по здоровью работающих на 2008—2017 гг.: Материалы всероссийской конференции с международным участием, посвященной 85-летию ГУ НИИ медицины труда РАМН / Под ред. акад. РАМН Н.Ф. Измерова. М.: МГИУ. 2008. С. 46—47.
2. Лысцов В.Н., Мурзин Н.В. Проблемы безопасности нанотехнологий. М.: МИФИ. 2007 г. 70 с.
3. Kenny L.(ed). The risk governance of nanotechnology: recommendations for managing a global issue, conf. rep. 6—7 July 2006. Swiss Re Centre for Global Dialogue. 2007. 80 p.
4. Maynard A.D., Aitken R.J. Assessing exposure to airborne nanomaterials: Current abilities and future requirements. //Nanotoxicology. 2007 V. 1. № 1. P. 26—41.
5. Monteiro-Riviere N.A., Tran C. L. Nanotoxicology characterization, dosing and health effects. 2007. 392 р.
6. Oberdorster G, Oberdorster E, Oberdorster J.
Nanotoxicology: an emerging discipline
evolving from studies of ultrafine particles. //Environ.Health Perspect. 2005. № 113. P. 823—839.
7. Seaton A., Donaldson K. Nanoscience, nanotoxicology, and the need to think small.Lancet.
2005. № 365. P. 923—924.
8. Warheit D.B., Webb T.R., Sayes C.M., Colvin V.L., Reed K.L. 2006. Pulmonary Instillation Studies with Nanoscale TiO2 Rods and Dots: Toxicity Is Not Dependent Upon Particle Size and Surface Area. //Toxicol. Sci.
2006. № 91(1). P. 227—236.
