CC BY
18ИЮЛЬ - АВГУСТ 2012
УДК 615.099
К проблеме обоснования ориентировочных безопасных уровней воздействия металлосодержащих
наночастиц в воздухе зоны
В статье кратко обобщены ранее публиковавшиеся результаты проведенных авторами экспериментальных исследований, дающих сравнительную характеристику токсичности оксида железа Ре304 (магнетита) в виде микро- и наночастиц разного размера, а также равноразмерных наночастиц серебра и золота и активности, вызываемой ими защитной реакции альвеолярного фагоцитоза. На основе этого обобщения и анализа международного опыта предложены для обсуждения некоторые принципы обоснования допустимого содержания наночастиц металлов в воздухе рабочей зоны и, в частности, рекомендована величина ОБУВ для наночастиц магнетита, равная 0,4 мг/м3.
Ключевые слова: токсичность, наночастицы
рабочей
Кацнельсон Б.А., Привалова Л.И., I Дегтярева 1.Д1, Кузьмин С.В, Гурвич В.Б., Сутункова М.П., Киреева Е.П., Минигалиева И.А., Еременко О.С.
ФБУН «Екатеринбургский медицинский научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Роспотребнадзора, г. Екатеринбург
Введенне. Хотя проблема рисков для здоровья, создаваемых загрязнением воздуха рабочей зоны наночастицами, широко обсуждается в научной литературе (например, [6, 17, 22]) общая методология обоснования соответствующих гигиенических стандартов всё ещё отсутствует, а примеры их установления в мировой практике единичны. Поэтому в большинстве случаев рекомендации по оценке и управлению этими рисками делаются с оговоркой, что безопасные уровни экспозиции к конкретным НЧ неизвестны [11].
При такой существенной неопределённости, в мероприятиях по защите здоровья лиц, работающих в производстве и использовании наноматериалов преобладает подход, основанный на «парадигме предосторожности» (the precautionary approach (например, [8]). Полагая этот подход на данном этапе развития рассматриваемой проблемы вполне оправданным, мы однако убеждены в том, что обоснование хотя бы ориентировочных безопасных концентраций в воздухе рабочей зоны для всех наноматериалов, внедряемых в реальное производство, является актуальной задачей, нерешённость которой размывает ориентиры управления рисками и лишает нормативной опоры надзорные органы.
Тем не менее, прежде всего необходимо было обсудить вопрос о том, насколько эффективны нормальные физиологические механизмы защиты от отлагающихся в глубоких дыхательных путях аэрозольных частиц в том случае, когда эти частицы являются нано-размерными, поскольку если организм беззащитен по отношению к Нч, то едва ли в принципе возможны такие даже очень низкие уровни экспозиции к ним, которые могут быть безопасными для здоровья. Вопрос этот возник перед нами неслучайно, поскольку ещё совсем недавно в литературе преобладали взгляды, согласно которым Нч вообще плохо распознаются защитными механизмами и, в частности, вызывают слабую аттракцию альвеолярных макрофагов, а поэтому неэффективно выводятся из лёгких [16, 18]. Эти гипотезы с самого начала представлялись нам неубедительными с эволюционных позиций, поскольку все наземные позвоночные столкнулись с ингаляцией природных Нч (вулканической золы, распыляющейся морской воды, дыма лесных пожаров, сульфатов, образующихся в атмосфере в результате окисления ангидрида и т.д.) тогда же, когда и с ингаляцией микрочастиц, то есть сразу же при переходе на дыхание воздухом. При этом ключевые физиологические механизмы лёгочного клиренса (фагоцитоз и мукоцилиарный транспорт частиц) обнаруживаются уже у земноводных.
Теоретические предпосылки к ожиданию резкого повышения токсичности любого вещества в виде Нч по сравнению с его микрочастицами освещались многими авторами (например, [5, 7, 10, 16, 18]) Однако анализ литературы убеждает в справедливости утверждения, что « эта общая репутация более высокой токсичности наночастиц основывается на ограниченном числе исследований» [21], причём некоторые из опубликованных исследований эту репутацию не подтверждают (например[12, 22]). Результаты наших исследований неоднократно докладывались на представительных научных форумах, в том числе, международных и публиковались как в России, так и за рубежом [1-4, 13 -15]. Это позволяет ограничиться обобщённой констатацией основных итогов проведенной работы и впервые рассмотреть их в аспекте гигиенического нормирования.
Материалы, методы н основные нтогн экспериментов. Наши собственные эксперименты проводились с водными суспензиями специально синтезированных частиц оксида железа Fe3O4 (магнетита) диаметром 10 нм, 50 нм и 1 мкм (методика получения описана в [13, 15] ), а в дальнейшем - с наночастицами серебра и золота диаметром 3-4 нм, полученными методом лазерной абляции металла в воде; все эти наноматериалы использовались без каких-либо эмульгаторов или стабилизаторов. По отношению ко всем изученным материалам исследовалась реакция альвеолярного фагоцитоза частиц при однократном интратрахеальном введении малых доз с применением оптической, полуконтактной атомно-силовой, а для Нч
магнетита - также трансмиссионной электронной микроскопии. Для НЧ и микрочастиц магнетита была изучена также субхроническая токсичность при повторных внутрибрюшинных инъекциях с оценкой состояния организма по большому числу функциональных показателей, по биоаккумуляции железа и по гистопато-логическим изменениям в печени и селезенке.
Полученные в этих экспериментах результаты [1-4, 13, 15] в целом согласуются с упомянутым выше теоретическим ожиданием, что даже вещество, которое в грубодисперсном состоянии или в виде тонкой фракции частиц микрометрового диапазона является биологически мало агрессивным, в нано-состоянии может обладать высокой цитотоксичностью (в частности, показанной нами для альвеолярных макрофагов) и системной токсичностью (исследовавшейся путем повторных внутрибрюшинных инъекций). вместе с тем, мы показали, что эта высокая биоагрессивность определяется не только наноразмером частиц как таковым, но и их химической природой, так что при совпадающей нано-размерности токсичность разных металлов может отличаться весьма существенно. в частности, цитоток-сичность наносеребра оказалась существенно выше цитотоксичности нанозолота.
Однако соотношение между размером частиц в пределах условленного нано-диапазона и их токсичностью является сложным и неоднозначным. Это зависит от соотношения между интенсивностью первичного токсического действия Нч на клеточно-органном уровне и часто противоположно направленными токсико-кинетическими механизмами, контролирующих резорбцию (в том числе, прямую пенетрацию) и биоаккумуляцию вещества, воздействующего на организм в нано-состоянии. в результате накопление наномагнетита 50 нм в органах, богатых клетками РЭС, и их повреждение оказались более значительными, чем при действии наномагнетита 10 нм, хотя по многим другим показателям на организмен-ном уровне Нч 10 нм токсичнее. При этом по всем показателям обе фракции Нч намного токсичнее микрочастиц, которые к указанной пенетрации практически неспособны.
что же касается распространенной гипотезы о якобы неспособности защитных физиологических механизмов распознавать наночастицы и адекватно реагировать на их поступление в организм, то по крайней мере, в отношении фагоцитарной реакции самоочищения глубоких дыхательных путей эта гипотеза, судя по нашим результатам, должна быть отвергнута. Мы показали, что отложение Нч в глубоких дыхательных путях вызывает намного более интенсивный приток фагоцитирующих клеток, чем отложение не только микрочастиц того же оксида железа, но и полидисперсных частиц кварцевой пыли или пыли диоксида титана. высоко интенсивная реакция того же характера вызывается и наночастицами золота, а в еще большей степени - серебра. Очень высокая фагоцитарная активность не только альвеолярных макрофагов, но и параллельно мобилизуемых ней-трофильных лейкоцитов по отношению к Нч оксида железа была подтверждена взаимно согласующимися результатами оптической, полуконтактной атомно-си-ловой и трансмиссионной электронной микроскопии. При этом ультраструктурные изменения клетки выявили выраженную способность указанных Нч вызывать повреждение ее мембранных образований.
Обсуждение. С точки зрения проблемы гигиенической регламентации содержания НЧ в воздухе, наши результаты свидетельствуют о том, что:
(а) гигиенические нормативы, обеспечивающие безопасность для здоровья работающих под воздействием НЧ, в принципе возможны;
(б) вместе с тем, такие допустимые уровни должны быть хотя бы на порядок величин ниже тех, которые установлены или обоснованно рекомендованы в качестве ПДК или ОБУв (или соответствующих зарубежных стандартов) для химически идентичных микрочастиц;
(в) при наличии надежной сравнительно-токсикологической информации ускоренный подход к нормированию, основанный на этом принципе, является оп-
26
Токсикологический вестник №4 (115)
тимальным, если даже и ориентировочным, на данном этапе развития как нанотех-нологий, так и нанотоксикологии;
(г) в тех или иных конкретных случаях может оказаться необходимым и пока достаточным установление единого норматива для всего нанодиапазона частиц определённого вещества ввиду неоднозначности различий действия НЧ разного размера.
Обращаясь к международному опыту, можно сослаться на недавно предложенную американским National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) величину REL (Recommended Exposure Level) для НЧ диоксида титана 0,3 мг/ м3, что в 8 раз ниже, чем для «тонких» (т.е. микрометровых) частиц того же вещества (2,4 мг/м3) [9]. При этом было высказано мнение, что «подобным же образом для частиц других материалов, если их токсичность варьирует в зависимости от размера частиц (при одной и той же дозе по массе), установление различающихся пределов экспозиции для фракций, различающихся по размерам, может быть разумным подходом к защите подвергающихся экспозиции рабочих». Следует отметить однако, что разнообразные нанопорошки диоксида титана производятся промышленностью и поступают на мировой рынок для различного использования при существенно различающихся размерах первичных НЧ (например, приблизительно 10 нм, 10-30 нм, <50 нм). Следовательно, мы можем сказать, что предложение одной и той же величины REL для любых «искусственных» НЧ (engineered nanoparticles) этого вещества, причём почти на порядок ниже, чем для микрочастиц, хорошо согласуется с нашими вышеприведенными общими постулатами.
Австралийское правительственное агентство «Safe work Australia» [19] использует похожий, но более жёсткий подход в качестве общего способа установления ориентировочного норматива BEL (Benchmark Exposure Level) для различных наноматериалов, сгруппированных по природе и свойствам. В частности, для группы, включающей нанокристаллы, квантовые точки, керамические оксиды и металлы, BEL устанавливается путём умножения норматива WEL (Workplace Exposure Limit , что примерно соответствует российской ПДК) для соответствующего химического вещества на понижающий коэффициент 0,066. Другими словами, величина снижается в 15 раз (на полтора порядка), что радикальнее предложения NIOSH. При этом и в австралийской системе нормирования НЧ конкретная размерность частиц в пределах нанодиапазона не учитывается.
Некоторая условность использования предлагаемого подхода для обоснования допустимой концентрации НЧ Fe3O4 заключается в том, что ПДК в воздухе рабочей зоны или соответствующие нормативы других стран установлены не для пыли Fe3O4, а для пыли или дыма Fe2O3. Однако известно, что существенных различий токсичности этих двух оксидов железа нет. Свидетельством этого может служить следующий факт, также относящийся к установлению допустимых экспозиций: Объединённый Комитет экспертов по пищевым добавкам (Joint Expert Committee on Food Additives) Всемирной организации здравоохранения и Организации ООН по пище и сельскому хозяйству устанавливает одну и ту же величину допустимого ежедневного потребления (Acceptable Daily Intake) железа для Fe3O4 и для Fe2O3 .
Поэтому в качестве исходной величины для расчёта допустимого содержания нано-FeзO4 в воздухе рабочей зоны мы считаем возможным ориентироваться на имеющиеся нормативы для Fe2O3 в полидисперсном микрометрическом диапазоне. Мы сопоставили российскую среднесменную ПДК 6 мг/м3 с соответствующим федеральным нормативом США - PEL (Permissible Exposure Level) 10 мг/м3 (по Fe), используемой в той же стране рекомендацией NIOSH - REL 5 мг/м3 (по Fe), а также принятыми в отдельных провинциях Канады среднесменными OEL (Occupational Exposure Limit) 5 мг/м3 для респирабельной фракции (в провинции Альберта) или 10 мг/м3 для суммарной пыли (в провинции Британская Колумбия). Можно видеть, что при пересчёте российской ПДК, установленной без выделения респирабельной фракции, на элемент железо она оказывается равной 2 мг/м3, что ниже соответствующих нормативов США. Стремясь обеспечить наибольший запас безопасности, мы считаем оправданным принять не только российский норматив, но и жёсткий австралийский понижающий коэффициент для нормирования металлических НЧ, что даёт величину (по веществу без пересчёта на Fe), равную 6 х 0,066 « 0,4 мг/м3 Можно отметить также, что эта концентрация в 12,5 раз ниже канадского норматива для респирабельной фракции пыли оксида железа (такое сопоставление оправдано тем, что все НЧ являются респирабельными).
Учитывая заведомо ориентировочный характер использованного подхода к обоснованию этой величины, мы считаем целесообразным предложить ёё лишь в качестве ОБУВ. Вероятно, этот статус на данном этапе необходим и достаточен для аналогичных нормативов по многим другим металлосодержащим нано-материалам, а для перехода к ПДК понадобятся дальнейшие исследования на базе развитой техники строго дозированных хронических ингаляционных экспозиций к нано-аэрозолям и с углублённым анализом всех вредных эффектов, в том числе, к иногда подозреваемой генотоксичности и канцерогенности НЧ.
Выводы: 1. На основе обобщения собственных экспериментальных данных и анализа международного опыта управления рисками для здоровья при работе с на-номатериалами предложены для обсуждения следующие положения:
(а) допустимые концентрации наночастиц в воздухе рабочей зоны, обеспечивающие безопасность для здоровья работающих, в принципе возможны;
(б) такие допустимые концентрации должны быть хотя бы на порядок величин ниже тех, которые установлены или обоснованно рекомендованы для химически идентичных микрочастиц;
(в) при наличии надёжной сравнительно-токсикологической информации ускоренное ориентировочное нормирование, основанный на таком подходе, является на данном этапе оптимальным решением,
(г) в тех или иных конкретных случаях может оказаться необходимым и пока достаточным установление единого норматива для всего нано-диапазона частиц определённого вещества ввиду неоднозначности различий действия наночастиц разного размера.
2. Исходя из этих общих положений, может быть рекомендована величина ОБУВ для наночастиц магнетита, равная 0,4 мг/м3.
27
ИЮЛЬ - АВГУСТ 2012
28
Токсикологический вестник №4 (115)
ажшммшуры
1. Кацнельсон БА., Привалова Л..И., Кузьмин С.В и др. Сравнительная оценка реакции альвеолярного фагоцитоза на интратрахеальное введение частиц магнетита (Fe3O4) нано- и микрометрового диапазонов // Мед. труда и пром. экол., 2010, №2, С.12-16.
2. Кацнельсон БА., Привалова Л.И., Кузьмин С.В и др. Экспериментальные данные к оценке пульмонотоксич-ности и резорбтивной токсичности частиц магнетита (Fe3O4) нано- и микрометрового диапазонов.// Токсикол. Вест. 2010. №2, С. 18-25.
3. Кацнельсон БА., Привалова Л.И., Кузьмин С.В. и др. К сравнительной характеристике
токсичности и опасности частиц разного размера в нано- и микрометровом диапазонах. // «Здоровье населения и среда обитания» (ЗНиСО), 2011 № 5 (218), май, С.26-31.
4. Кацнельсон БА., Привалова Л.И., Сутункова М.П.и др. Взаимодействие наночастиц оксида железа Fe304 и альвеолярных макрофагов «ин виво» // Бюлл. экспер. биол. и медиц. - 2011 (в печати)
5. Онищенко Г.Г, Арчаков А.И., Бессонов В.В.. и др. Методические подходы к оценке безопастности наноматери-алов. «Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды». Материалы пленума. Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации. Под ред. Рахманина ЮА. Москва, 2007. С. 4-25.
6. Потапов А.И.,. Тулакин А.В., ЛА. Луценко и др. Международные стандарты безопасности
при профессиональном воздействии наночастиц и гармонизация гигиенических походов. // «Здоровье населения и среда обитания» (ЗНиСО), 2011 № 5 (218), май, г С. 19-21.
7. Bastus, N. G., Casals, E., Socorro, V-C., Puntes, V Reactivity of engineered inorganic nanoparticles and carbon nanostructures in biological media. // Nanotoxicology , 2008, V 2, P. 99-112.
8. Broekhuizen (van), P, 2011. Dealing with uncertainties in the nanotech workplace practice: making the precautionary approach operational // J. Biomed. Nanotechnol., 2008, V 7, P.15-17
9. CDC and NIOSH, 2011. Current Intelligence Bulletin 63: Occupational Exposure to Titanium Dioxide. US Department of Health and Human Services (NIOSH, 2011б: Publication No 2011-160).
10. Donaldson, K., Stone, V, Tran, C. K et al. Nanotoxicology (editorial).// Occupat and Environm Med.,2004 V 61, P.727-728.
11. Grosco, A., Petri-Fink, A., Magrezey al.. Management of nanomaterials safety in research environment.//Particles and Fibers Toxicol. 2010, V7, article No 40.
12. Karisson, H., Gustafsson, J., Cronholm, P., Mller L... Size-dependent toxicity of metal oxide particles - a comparison between nano- and micrometer size/Toxicol. Letters, 2009, V 188, P. 112-118.
13. Katsnelson, BA., Privalova, L.I., Kuzmin,et al.. Some peculiarities of pulmonary clearance mechanisms in rats after intratracheal instillation of magnetite (Fe3O4) suspensions with different particle sizes in the nanometer and micrometer ranges: are we defenseless against nanoparticles? // Internat J Occupat and Environm Health., 2010, V16, P.508-524.
14. Katsnelson B.A., Privalova L.I., Degtyareva T.D, M.P.Sutunkova et al. Experimental estimates of the toxicity of iron oxide Fe3O4 (magnetite) nanoparticles // Central Eur J Occupat and Environm Med, 2010, V16, No1-2, P.47-63.
15. Katsnelson, BA., Degtyareva, T.D., Minigalieva, I.I.,et al.. Sub-chronic systemic toxicity and bio-accumulation of Fe3O4 nano- and microparticles following repeated intraperitoneal administration to rats.// Internat J Toxicol. , 2011, V.30, 59-68.
16. Li, N., Xia, T., Nel, A. E. The role of oxidative stress in ambient particulate matter-induced lung diseases and its implications in the toxicity of engineered nanoparticles.// Free Rad. Biol. Med. , 2008, V 44, P. 1689-1699.
17. Murashov, V, Shulte, P., Geraci, C., Howard, J. Regulatory approaches to worker protection in nanotechnology industry in the USA and European Union // Industr. Health, ., 2011, V 49, P. 280-296.
18. Oberdrster G., Oberdrster E., Oberdrster J.. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studied of ultrafine particles.// Envitonm Health Persp. , 2005, V 113, P. 823-839.
19. Safe Work Australia. Engineered Nanomaterials: Feasibility of establishing exposure standards and using control banding in Australia. ISBN 9780-642-33098-7, 2010 (Online PDF)
20. Warheit, D. B., Reed, K. L., Sayes, C. M., A role fore surface reactivity in TiO2 and quartz-related nanoparticle pulmonary toxicity; // Nanotoxicology, Published online on 26 June 2009.
21. Warheit, D. B., Webb, T. R., Colvin, V L Pulmonary bioassay studies with nanoscale and fine-quartz particles in rats: toxicity is not dependent upon particle size but on surface characteristics.// Toxicol Sci., 2007 V9, P.270-280.
22. Yokel, RA., MacPhail, R.C.. Engineered nanomaterials: exposures, hazards, and risk prevention. // J. Occup. Med. And Toxicol., 2011, V.6:7(electronic version).
Katsnelson B.A., Privalova L.I., Degtyaryova T.D. Kuzmin S.V., Gurvich V.B., Sutunkova M.P., Kireyeva Ye.P., Minigaliyeva I.A., Yeryomenko O.S.
About the validation of the tentative safe exposure level of the metal-containing nanoparticles impact in occupational air
Medical Research Centre for Prophylaxis and Health Protection of Industrial Workers , Rosporebnadzor, Ekaterinburg
The authors review in brief previously published results of their experimental investigations characterizing comparative toxicity of iron oxide Fe3O4 (magnetite} in the form of micro- and nanoparticles of different diameters as well as that of silver and gold nanoparticles of approximately equal diameter and activity of protective alveolar phagocytosis response induced by their pulmonary deposition. Based on these data and analysis of international experience, a general approach is recommended to the substantiation of acceptable workplace exposure limits for nanoparticles in particular a magnitude of 0.4 mg/m3 is proposed for the Tentative Safe Exposure Level (OBUV) of magnetite.
Материал поступил в редакцию 28.08.2011 года.
29
