8. Вопросы безопасности наноматериалов и нанотехнологии в медицине

Активное внедрение наноматериалов в клиническую медицину требует глубокого знания потенциальных рисков и побочных эффектов, сопряженных с использованием этих материалов. Производственные циклы, направленные на создание новых наноматериалов, также могут сопровождаться накоплением отходов, оказывающих токсическое, канцерогенное и мутагенное действие на организм человека. В связи с этим, в специальной литературе последних лет большое внимание уделяется рассмотрению вопросов безопасности наноматериалов и нанотехнологии в медицине и биологии. Отрасль исследований, связанных с изучением безопасности наноматериалов, получила название нанотоксикологии (Donaldson et al., 2004).

Поступление наночастиц в организм человека возможно ингаляционным, пероральным, перкутанным и парентеральным (в случае введения лекарственных и диагностических агентов, конъюгированных с наночастицами) путями. Контакт человека с наноматериалами может происходить на этапе разработки, производства, использования и переработки (Stern, McNeil, 2008).

За счет броуновского движения наночастицы способны преодолевать большие расстояния в воздушной среде и, следовательно, они с легкостью проникают в альвеолы легких. Установлено, что многие наночастицы, находящиеся в воздухе, имеют ярко выраженную тенденцию к спонтанной агрегации и формированию более крупных частиц (Sioutas et al., 2005). Агрегация воздушных наночастиц может также наступать в результате конденсации на них паров воды. По мере увеличения размера наночастиц вероятность их проникновения в альвеолы снижается. В то же время, агрегация воздушных наночастиц с их укрупнением создает предпосылки для их контактирования с кожей и желудочно-кишечным трактом. С другой стороны, создание искусственных покрытий наночастиц (например, с помощью полиэтиленгликоля), предназначенных для уменьшения взаимодействия между частицами, напротив, препятствует агрегации воздушных наночастиц и делает их попадание в нижние дыхательные пути более вероятным. В нескольких экспериментальных исследованиях, выполненных на грызунах, была показана транслокация наночастиц из просвета альвеол в интерстиций легких (Oberdorster, 2000). Такого рода перенос вдыхаемых наночастиц в легкие и затем в кровь заслуживает особенного внимания, поскольку в некоторых исследованиях была показана роль вдыхаемых наночастиц в патогенезе различных заболеваний. Например, Radomski et al. (2005) показали, что углеродные нанотрубки усиливают агрегацию тромбоцитов in vitro и стимулируют процесс тромбообразования in vivo.

Результаты исследований, посвященных вопросу о транслокации вдыхаемых наночастиц из легких в другие органы, носят противоречивый характер. Так, например, Kreyling et al. (2002) установили, что у крыс транслокации из легких в печень, селезенку, сердце и мозг подвергается не более 1% иридиевых наночастиц, имевших диаметр 80 и 15 нм. С другой стороны, у людей не наблюдалось поступления углеродных наночастиц, меченых технецием-99, из легких в другие органы (Brown et al., 2002). В целом, имеющиеся на сегодняшний день данные позволяют считать, что легкие представляют собой труднопреодолимый барьер для проникновения наночастиц в организм.

В некоторых экспериментальных исследованиях на крысах была показана способность вдыхаемых наночастиц поступать через эпителий носоглотки и обонятельную луковицу в центральную нервную систему (Elder et al., 2006). Результаты этих исследований, по-видимому, не подлежат прямому переносу на аналогичную ситуацию у человека. Это связано с тем, что крысы имеют значительно большую площадь обонятельного эпителия, а относительная масса их обонятельной луковицы в 177 раз больше, чем у человека. Тем не менее, в некоторых клинических исследованиях был обнаружен захват нейронами обонятельной луковицы человека вводимых интраназально наночастиц золота диаметром 50 нм (de Lorenzo, 1970). Кроме того, хорошо известен факт миграции по нервным путям некоторых наноразмерных вирусов. Таким образом, транслокация вдыхаемых с воздухом наночастиц в нейроны ЦНС представляется весьма вероятной. Эти данные вызывают особенную настороженность, поскольку в одном из последних исследований было показано, что магниевые наночастицы обладают выраженной нейротоксичностью, вызывая оксидативный стресс, истощение внутриклеточных запасов дофамина и гибель нейронов (Hussain et al., 2006).

Наночастицы могут поступать в организм человека через кожу. Усиление интереса к перкутанному пути поступления наночастиц связано с активным использованием нанотехнологии в производстве одежды, косметических средств и солнцезащитных кремов. Изучению вопроса о проникновении наночастиц оксида титана (10-60 нм), входящих в состав солнцезащитных кремов в качестве поглотителей ультрафиолетового излучения, в эпидермис человека и животных, был посвящен целый ряд исследований (Gamer et al., 2006, Mavon et al., 2007). В этих исследованиях не было зафиксировано проникновение наночастиц оксида титана глубже рогового слоя эпидермиса, хотя в некоторых случаях отмечалось избирательное накопление наночастиц в волосяных фолликулах (Nohynek et al., 2007). С другой стороны, в последнее время были получены данные о хорошей проникающей способности квантовых точек через кожу. В работе Ryman-Rasmussen et al. (2006) изучалось влияние размера, заряда и формы квантовых точек на глубину их проникновения через кожу свиньи in vitro. При этом мелкие сферические квантовые точки, в отличие от крупных квантовых точек эллиптической формы проходили через эпидермис и накапливались в дерме. В то же время, прохождения квантовых точек через все слои кожи авторы этой работы не наблюдали. Проникновение наночастиц железа, имеющих диаметр менее 10 нм, в дерму кожи человека in vitro было показано в работе Baroli et al. (2007). Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что «мелкие» наночастицы могут преодолевать кожный барьер, особенно в условиях повреждения кожи или ее заболеваний.

Пероральное поступление наночастиц представляет собой еще один путь их попадания в организм. Пероральное поступление возможно в случае контаминации наночастиц пищи, переноса наночастиц в ротовую полость с кожных покровов и, наконец, при пероральном приеме лекарственных препаратов, созданных на основе наночастиц. Хотя всасывание наночастиц в желудочно-кишечном тракте незначительно, в большинстве исследований было показано, что пероральное введение сопровождается некоторым повышением их уровня в плазме крови. Известно, что степень всасывания наночастиц в желудочно-кишечный тракт зависит от размера и характеристик поверхности, причем мелкие, нейтральные гидрофобные наночастицы всасываются лучше, чем крупные и гидрофильные (Hussain et al., 2001).

Токсичность наночастиц может быть связана с двумя основными перекликающимися механизмами - воспалением и оксидативным стрессом (Dick et al., 2003). В то же время, совершенно очевидно, что далеко не все наночастицы обладают способностью индуцировать воспаление и оксидативный стресс. Так, например, в исследовании Xia et al. (2006) было обнаружено, что оксид титана, нанодисперсный углерод и карбоксилированый полистирол не вызывают окислительного стресса в линии макрофагов мыши, тогда как катионный полистирол и наночастицы, загрязняющие воздух, вызывали значимое усиление образования свободных радикалов. Потенциальная токсичность некоторых типов наночастиц может быть связана со специфическими механизмами. В частности, катионные дендримеры могут вызывать дезинтеграцию плазмалеммы за счет взаимодействия положительно заряженных терминальных группировок дендримера и отрицательно заряженных липидов, входящих в состав мембраны (Mecke et al., 2004).

Установлено, что провоспалительные эффекты наночастиц зависят от площади их поверхности. Так, ингаляция наноразмерных частиц оксида титана в течение 3 месяцев вызывала более выраженные воспалительные изменения в легких, чем ингаляция микрочастиц того же вещества (Oberdorster et al., 1994). Аналогичная зависимость провоспалительного эффекта от удельной площади поверхности наблюдалась и для углеродных наночастиц в экспериментах на крысах (Donaldson et al., 2002). С другой стороны, некоторые исследования не подтверждают зависимость выраженности воспалительного ответа от размера и площади поверхности наночастиц (Sayes et al., 2006). Существует мнение, что наличие провоспалительных эффектов наночастиц зависит не от площади их поверхности, а от свойств поверхности как таковой. В исследовании Warheit et al. (2006) реактивность поверхности кварцевых наночастиц различного размера оценивалась с помощью гемолитического потенциала. При этом выраженность воспалительных изменений в легких коррелировала не с размером наночастиц, а с реактивностью их поверхности.

В настоящее время мы располагаем результатами целого ряда экспериментальных исследований, выполненных на мелких грызунах и посвященных изучению токсичности нанотрубок при их ингаляционном введении. Эти исследования показали, что пролонгированное введение однослойных и многослойных нанотрубок может вызывать хроническое воспаление легких, формирование гранулем, фиброз и, в некоторых случаях, смерть (Warheit et al., 2004, Саггего—Sanchez et al., 2006). Интратрахеальное введение эквивалентной массы нанотрубок и нанодисперсного углерода позволило определить, что воспалительные изменения в легких являются специфическими именно для нанотрубок, поскольку введение углеродных наночастиц не сопровождалось какими-либо гистологическими нарушениями в легких (Shvedova et al., 2005).

Исследования кожной токсичности наноматериалов не выявили сколько-нибудь значимых негативных эффектов при локальном нанесении на кожу различных рецептур, содержащих наночастицы. С другой стороны, некоторые наноматериалы обладали достаточно высокой цитотоксичностью, выявленной на клеточных культурах in vitro (Sayes et al., 2006). Такое противоречие с результатами, полученными in vivo, может объясняться меньшей проникающей способностью наночастиц через интактную кожу. Эта точка зрения находит дополнительное обоснование в виде результатов экспериментов Sato et al. (2005), которые показали формирование крупных гранулем при подкожной имплантации нанотрубок крысам.

Исследования острой системной токсичности наночастиц немногочисленны. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что большинство наноматериалов могут быть отнесены к разряду умеренно токсичных и малотоксичных по классификации Hodge и Sterner (1949). LD 50 этих веществ колеблется от 50 до 5000 мг/кг. Интересным является тот факт, что органы-мишени для большинства наночастиц входят в состав ретикуло-эндотелиальной системы. Так, например, при исследовании острой системной токсичности G3 катионного меламинового дендримера в качестве органа-мишени была идентифицирована печень (Neerman et al., 2004). Эти данные вполне объяснимы, поскольку наночастицы после опсонизации действительно активно захватываются элементами ретикуло-эндотелиальной системы. Поскольку наночастицы, используемые в биомедицинских целях, зачастую покрывают биосовместимыми покрытиями, затрудняющими их распознавание и поглощение фагоцитами, органы-мишени для таких частиц могут быть иными. В частности, важную роль в элиминации такого рода наночастиц могут играть почки. Такие наночастицы, как углеродные нанотрубки, водорастворимые производные фуллеренов и дендримеры невысоких порядков преимущественно выводятся из организма почками (Stern, McNeil, 2008).

Известно, что некоторые наночастицы вызывают нарушение функции лизосом. Так, например, было показано, что кварцевые наночастицы могут вызывать повышение проницаемости мембраны лизосом и высвобождение лизосомальных ферментов с последующим запуском апоптоза альвеолярных макрофагов (Thibodeau et al., 2004). Активация аутофагии in vitro была отмечена под действием наноразмерных частиц оксида неодима (Chen et al., 2005), квантовых точек (Seleverstov et al., 2006) и фуллеренов (Yamawaki, Iwai, 2006).

К настоящему времени было опубликовано всего несколько исследований, посвященных изучению потенциальных канцерогенных эффектов наночастиц и наноматериалов. Согласно данным Nelson et al. (1993) и Mori et al. (2006), фуллерены не стимулируют формирования опухолей при длительном нанесении на кожу животных и не обладают мутагенным действием на клеточных культурах. С другой стороны, было показано, что фуллерены могут оказывать мутагенный эффект in vitro при облучении видимым светом и наличии микросом, выделенных из гепатоцитов (Sera et al., 1996). Мутагенность фуллеренов при их облучении, по-видимому, связана с образованием липоперекисей за счет высвобождения синглетного кислорода в процессе перехода молекулы фуллерена из возбужденного в стационарное состояние. Суммируя результаты исследований, посвященных изучению мутагенных эффектов наночастиц оксида титана, можно сделать следующий вывод. Некоторые исследования, выполненные in vitro на изолированных клетках и клеточных культурах, показали, что воздействие ультрафиолета может приводить к цитотоксическим и генотоксическим эффектам. С другой стороны, исследования, проведенные in vivo, не подтверждают наличия какого-либо онкогенного эффекта данных наночастиц.

Подводя итог, следует отметить, что нанотоксикология как самостоятельная область наномедицины в настоящее время находится в самом начале своего развития. Информация о потенциально опасных эффектах наночастиц на организм человека плохо систематизирована, а имеющиеся данные зачастую требуют подтверждения на других, более релевантных моделях.

<<< Назад | Читать дальше >>>

Нанотехнологии в биологии и медицине: современное состояние вопроса

Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография под ред. чл.-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. 2009 г.