книги / Подходы к оценке безопасности наноматериалов

Фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка

иего оксида на кукурузе, редисе, рапсе, огурце показали, что концентрация наночастиц 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана 50%-ная ингибиторная концентрация для редьки, которая составила 50 мг/л, для рапса – 20 мг/л.

Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний и бактерий выявило летальные концентрации – 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний

и1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий соответственно.

Различия в токсичности наночастиц и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем наночастицы. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, наноцинк вызывал анемию и нарушения свертывания крови.

Наиболее широко используемым как в чистом виде, так и в составе наноматериалов является оксид титана. Токсикологические исследования тонких (250 нм) и ультратонких (20 нм) частиц TiO2 при ингаляционном введении крысам показали, что частицы размером 20 нм способны накапливаться в лимфоидных тканях, обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга.

Основным механизмом токсического действия наночастиц оксида титана оказалась индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров наночастиц, но от того, какой структурой представлен TiO2 – кристаллической или аморфной.

Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез м-РНК, вызывать разрастание ткани организма путем образования новых клеток.

Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН-радикалы, которые в дальнейшем окисляют липиды.

Из представленных данных видно, что токсические свойства наночастиц металлов сильно зависят от размеров и структурной орга-

31

низации частиц. В то же время одним из основных механизмов токсического действия является окислительный стресс, вызываемый активными формами кислорода, генерируемыми наночастицами [14].

2.2. Углеродные нанотрубки и фуллерены

Углерод в форме полых сфер, эллипсоидов, трубок образует наноструктуры, известные как фуллерены (Ф, C60) и собственно углеродные нанотрубки (УНТ). Углеродные нанотрубки бывают одностенные и многостенные. Среди всех известных наноструктур Ф и УНТ занимают особое положение, поскольку их уникальные свойства предоставляют возможность для самого их широчайшего использования.

Углеродные нанотрубки в зависимости от способа их поступления в организм животных проявляют различную токсическую активность. Так, ингаляция крыс и мышей вызывает воспаление и фиброз, накопление нейтрофилов и белка в легочной ткани, приводит к увеличению массы легких и активности лактат-дегидрогеназы (фермент, принимающий участие в реакции образования глюкозы).

Исследование клеток эпидермальных кератоцитов (роговицы) человека и мыши показало, что УНТ проникают через мембрану, аккумулируются внутри клетки и вызывают апоптоз (старение кожи). Одностенные УНТ в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл подавляют пролиферацию эмбриональных клеток человеческой почки. При инъекциях растворимые в воде УНТ распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Растворы и суспензии, содержащие УНТ, не вызывают аллергических реакций. Одностенные

имногостенные УНТ отличаются степенью цитотоксичности и способностью вызывать окислительный стресс.

Фуллерены и водорастворимые формы углерода были внутривенно введены крысам в дозах 15 и 25 мг/кг. Инъекция 25 мг/кг в течение 5 мин привела к смерти двух из 20 крыс. Фуллерены почти полностью связывались с белками плазмы и подавляли активность печени.

Но все же фуллерены способны аккумулировать ксенобиотики

итем самым усиливать их токсичность. Ксенобиотик – чужеродное для организмов химическое вещество. Повышение концентрации

32

ксенобиотиков в окружающей среде вызывает аллергическую реакцию, гибель организмов, изменение наследственности, нарушает ход процессов в естественных экосистемах вплоть до уровня биосферы в целом.

Основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур является индукция активных форм кислорода и окисление биологических молекул [14].

2.3. Неорганические и органические наночастицы

Исследования цитотоксичности диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц in vitro на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является пороговой, ниже которой токсические эффекты не наблюдались. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны и некроз клеток.

Наночастицы на основе полистирола (30, 100 и 300 нм) при инъекциях способны проникать в печень и селезенку. Инъекции наночастиц поли-(изобутил-цианоакрилата) размером 200 нм в дозе 40 мл/кг приводили к гибели 50 % мышей.

Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрофагами (белые кровяные тельца лейкоцитов). Макрофаги имеют первостепенное значение для сдерживания инфекций, и в случае стимулирования наночастицами уничтожают раковые клетки.

Показано, что токсичность зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода. Другие способны проникать через тканевые барьеры внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи – дендримеры различной степени генерации – могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми [14].

33

3. МЕЖДУНАРОДНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Во многих странах решается проблема определения уровня безопасности нанотехнологий, наноматериалов для животных, человека и окружающей среды.

Рабочая группа по промышленным наноматериалам при Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) является одной из международных организаций, занимающихся координацией работ по биобезопасности применения наноматериалов. Фактически страны – участницы рабочей группы приступают к разделу рынка исследований. Наиболее активные страны, участвующие в межгосударственной программе по выявлению потенциальной опасности наноматериалов, – это США, Япония, Великобритания. Между ними наметилась специализация: США исследуют токсичность наноматериалов, загрязнение окружающей среды, занимаются проблемой терроризма с использованием нанопродуктов; Япония изучает в основном токсичность наноматериалов; Великобритания ведет разработку стандартов безопасности наноматериа-

лов [16].

США

ВСША в 2000 г. была обнародована Национальная нанотехно-

логическая инициатива (The National Nanotechnology Initiative – NNI), координирующая нанотехнологическую активность 26 федеральных агентств. В 2008 г. для целей NNI заявлен бюджет в размере 1,44 млрд долл., что более чем в 3 раза превосходит расходы стартового 2001 г. (464 млн долл.) и на 13 % выше бюджета 2007 г.

Врамках этой программы 6 федеральными агентствами США ведется изучение потенциального риска применения наноматериалов для здоровья человека. Одна из основных задач данных исследований – разработка нормативной и методической базы для оценки безопасности производства и использования нанопродуктов. Участ-

34

никами программы являются ведущие государственные организации США и такие известные фирмы, как BASF, DuPont и др.

Американское общество по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials – ASTM) разработало стандарты,

касающиеся терминов, методов измерения и характеристики наночастиц, а также спецификации наноматериалов.

Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology – NIST) поддерживает разра-

ботку методов для характеристики и оценки свойств стандартного оборудования, разработку стандартных референс-материалов и исследования по созданию новых аналитических методов и технологий измерений. В 2006 г. принят первый стандарт – E2456–06, стандарт по терминологии для нанотехнологии. Планируются к выпуску референс-материалы коллоидальных частиц золота размером 10, 30, и 60 нм в суспензии.

Национальный институт по охране труда и здоровья (National Institute for Occupational Safety and Health – NIOSH) является ответ-

ственным за проведение научно-исследовательских работ в области профессионального травматизма и профзаболеваний и за разработку стандартов. Институт занимает главенствующую позицию в США в области изучения профессиональной гигиены людей, работающих с наноматериалами. В составе NIOSH действует

Nanotechnology Research Center (NTRС), одной из задач которого является внедрение в практику результатов национальных и международных исследований по обеспечению безопасности и охране здоровья сотрудников на рабочем месте. В 2005 г. NIOSH выпустил рекомендации по безопасности для работающих с нанотехнологиями «Подходы к безопасности нанотехнологий: Информационный обмен с NIOSH».

Национальный институт гигиены окружающей среды

(National Institute of Environmental Health Sciences – NIEHS) занима-

ется изучением действия промышленных нанотехнологий на здоровье человека. NIEHS возглавляет Национальную токсикологиче-

скую программу (National Toxicology Program, NTP), в которой за-

действованы многие институты и агентства, а также участвует в ис-

35

следованиях по токсикологической оценке специфических инженерных наноматериалов.

Американское агентство по охране окружающей среды

(Enviromental Protection Agency – ЕРА) проводит исследования эко-

логической безопасности продуктов, созданных с использованием наноматериалов. В первую очередь это касается изделий, содержащих наночастицы серебра, обладающие антимикробным действием.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами США

(Food and Drug Administration – FDA) ответственно за обеспечение безопасности, эффективности и надежности лекарств, медицинских приборов, биотехнологических продуктов, тканевых продуктов, вакцин, косметики и лекарственных препаратов, созданных с использованием нанотехнологий, для человека и животных. В 2006 г.

создана Специальная внутренняя комиссия FDA по нанотехнологии

(FDA Nanotechnology Task Force) для оценки безопасности продук-

тов, содержащих наноматериалы. FDA принято решение, что в настоящий момент не будет предъявляться дополнительных требований к исследованию безопасности продуктов, изготовленных с использованием нанотехнологий, до тех пор пока не установлен статус таких продуктов и нет перечня информации, которую должны предоставлять производители. На данный момент компании обязаны предоставить в FDA доказательства безопасности и эффективности применения новинок согласно существующим регламентам. Вместе с тем FDA отмечает, что с учетом скорости развития и огромных потенциальных возможностей нанотехнологий в фармацевтической сфере следует создать законодательную базу для их регулирования. Рекомендуется разработать руководство для оценки пользы и риска лекарственных препаратов и изделий медицинского назначения, которые могут быть созданы с применением нанотехнологий.

В этой области FDA тесно сотрудничает с Национальным ин-

ститутом стандартов и технологий и Лабораторией характери-

зации нанотехнологий (Nanotechnology Characterization Laboratory – NCL) при Национальном институте рака (National Cancer Institute). NCL оказывает поддержку в доклинической характеризации новых

36

лекарственных нанопрепаратов (Investigative New Drug – IND), передающихся на рассмотрение и одобрение в FDA, и в разработке стандартов и стандартизированных методов измерения наноматериалов, используемых для медицинских целей.

Среди приоритетных целей NCL:

–разработка и стандартизация Аналитического каскада (Assay Cascade Protocols) для характеристики наноматериалов;

–идентификация и характеристика критических параметров, связанных с наноматериалами (абсорбция, распределение, метаболизм, выведение и профили токсичности наноматериалов) с использованием моделей животных;

–исследование биологических и функциональных характеристик комбинированных наносодержащих терапевтических средств [16].

На сайте лаборатории представлен перечень методов, используемых для характеристики наноматериалов – Assay Cascade Protocols. Часть протоколов находится в свободном доступе. NCL выполняет работы по договорам с организациями и фирмами по характеризации физических свойств нанопрепаратов, их биологических свойств in vitro и их соответствия свойствам in vivo на моделях животных. Время, необходимое для характеризации материала, от момента получения до этапа исследования in vivo, составляет, по предварительным оценкам, 1 год.

Евросоюз

ВЕвросоюзе в 2004 г. была принята Европейская стратегия

вобласти нанотехнологий, в которой было указано на необходимость оценки потенциальной опасности нанотехнологий для здоровья человека и окружающей среды. Научным комитетом The Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR) проводились открытые консультации для выработки рекомендаций по оценке риска. После проведенных консультаций SCENIHR опубликовал отчет о возможности применения уже существующих методологий для оценки потенциальной опасности нанопродуктов. В начале 2007 г. был выпущен новый документ, в котором проведен анализ возможности применения изложенных по хи-

37

мическим веществам методологий для оценки риска, связанного с использованием наноматериалов.

Экотоксикологические свойства наноматериалов могут отличаться от свойств веществ, взятых в больших количествах, и поэтому связанный с ними риск должен оцениваться конкретно в каждом отдельном случае. Существующие в настоящее время методологии оценки риска требуют некоторой модификации. В частности, существующие токсикологические и экотоксикологические методы могут оказаться недостаточными для решения всех вопросов, возникающих в связи с наночастицами.

Было сделано заключение о том, что при отсутствии информации о поведении наночастицы в различном экологическом окружении, о путях введения, чувствительности видов к наночастицам невозможно дать четких рекомендаций в отношении пригодности стандартного теста для адекватной оценки воздействия наночастиц на экологическое окружение.

Великобритания

В Великобритании главное направление исследований в области нанотехнологий – оценка риска воздействия наночастиц на человека и окружающую среду в нанопромышленности. Британским институтом стандартов (British Standards Institute – BSI) разработа-

ны руководства по обеспечению безопасности при работе с нанотехнологиями. Подготовлены документы в соответствии с ISO/TC299 в области терминологии.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization - ISO) в 2005 г. создала «Техниче-

ский комитет 229 – Нанотехнологии» (ISO/TC 229) для разработки международных стандартов в таких областях, как терминология

иноменклатура, метрология и приборы, спецификация референсматериалов, методология тестирования, моделирование и имитация, а также для подготовки научных инструкций для здравоохранения

ипо безопасности окружающей среды [16].

Япония и Китай

В Японии ведутся активные исследования по оценке потенциальных рисков, связанных с производимыми наноматериалами. Ра-

38

бота фокусируется на подготовке протоколов тестов по определению токсичности (главным образом определение токсичности при вдыхании) и методологии оценки риска, связанного с производством наноматериалов.

В Китае разработан ряд национальных стандартов, касающихся терминологии (GB/T19619–2004); измерения частиц (GB/T13221– 2004, GB/T19587–2004; GB/T19627–2005) и спецификации наноматериалов (GB/T19588–2004 – GB/T19591–2004).

Международное сотрудничество

На семинаре Европейского центра экотоксикологии и токсико-

логии химических продуктов (European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals, ECOTOP) в ноябре 2005 г. говорилось о необходимости активизировать работу по изучению наноматериалов. На нем обсуждались проблемы методологии оценки внешней и внутренней экспозиции наноматериалов, возможной потенциальной их опасности, связанной с преимущественно легочным и чрескожным путями проникновения наноматериалов. Был сделан вывод о том, что, хотя многие физические факторы могут повлиять на функцию, токсикологические и экологические характеристики наночастиц, их воздействие в значительной степени определяется составом, площадью поверхности (включая состояние агрегатов и агломератов) и формой. На семинаре было выражено общее мнение, что в настоящее время невозможно или нежелательно выбирать только одну форму измерения наноматериалов (т.е. массу, площадь поверхности или размер частицы).

Рабочий семинар по нанотоксикологии, проходивший в Меж-

дународном центре ученых (Woodrow Wilson International Center for Scholars) в Вашингтоне в апреле 2006 г., также был посвящен проблемам оценки безопасности при работе с наночастицами [16].

Россия

Россия, подобно ведущим странам мирового сообщества, уделяет большое внимание вопросам развития и регламентации безопасности нанотехнологий и нанопродуктов. По оценкам специалистов, к 2015 г. объем продаж российской продукции наноиндустрии

39

составит 250–300 млрд руб., объем платежей от экспорта продукции наноиндустрии – 70–75 млрд руб.

Для содействия реализации государственной политики в сфере нанотехнологий в России была создана Российская корпорация нанотехнологий. Федеральный закон № 139–ФЗ от 19.07.2007 г. «О Российской корпорации нанотехнологий» был принят Государственной думой 4 июля 2007 г. и одобрен Советом Федерации 6 июля 2007 г. В соответствии с документом, корпорация реализует следующие основные функции в сфере нанотехнологий:

– рассматривает проекты, осуществляет организационную и финансовую поддержку научно-исследовательских и опытноконструкторских разработок за счет средств корпорации;

–осуществляет финансирование проектов, предусматривающих внедрение нанотехнологий или производство продукции;

–осуществляет финансирование проектов по подготовке специалистов;

–осуществляет мониторинг реализации проектов, финансируемых за счет средств корпорации.

2 августа 2007 г. Правительством РФ принято Постановление

№498 о Федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрий в Российской Федерации на 2008–2010 гг.».

Вклад программы в экономическое развитие РФ заключается в обеспечении эффективного использования бюджетных средств, выделяемых на развитие наноиндустрии, и в решении поставленной Президентом РФ задачи по созданию Российской корпорации нанотехнологий, в распоряжение которой с 2007 г. передаются бюджетные ассигнования в объеме 130 млрд руб. В области нанобиотехнологии это Федеральное государственное учреждение Российский научный центр «Курчатовский институт» (г. Москва). Указ «О пилотном проекте по созданию национального исследовательского центра “Курчатовский институт”» издан 30 апреля 2008 г.

Президиум Российской академии наук с целью усиления и координации работ в области нанотехнологий принял Постановление № 176 от 11.09.2007 г. о создании Комиссии РАН по нанотехнологиям. Комиссия отмечает, что перспективным направлением в сфере нанобиотехнологии является наноконструирование продуктов

40