Нанотоксичность - как безвредные вещества становятся ядами.

Способность безвредных веществ при сильном измельчении становиться опасными для здоровья человечество открыло давно, задолго до появления нанотехнологий. Еще в древние времена люди, занятые выплавкой цинка, страдали от цинковой лихорадки, вызванной вдыханием аэрозолей окиси цинка. Так же всем известно канцерогенное действие асбестовой пыли, вызывающей рак легких и брюшины. Но все-таки самый масштабный ущерб здоровью наносит вдыхание наночастиц углерода, образующихся при неполном сгорании органического топлива в двигателях автомобилей, на электростанциях, особенно в больших количествах попадающих в легкие человека в процессе курения. Дело в том, что защитные механизмы легких совершенно не способны переработать или удалить углеродную пыль, и она остается там навсегда, вызывая рефлекторное сужение бронхиол и альвеол и снижая количество кислорода в крови. Нельзя не вспомнить также о том, что асбест запрещен к использованию в большинстве развитых стран просто потому, что его микроскопические волокна могут вызвать при вдыхании серьезные онкологические заболевания. В эпоху нанотехнологической революции ученые, создавая и используя новые наноматериалы, должны чувствовать ответственность перед обществом, учиться прогнозировать влияние наночастиц на здоровье людей и экологию всей планеты. Для этого необходимо знать «токсикологию наночастиц».

Характерная особенность веществ в наносостоянии – это способность “проходить” через защитные системы организма. Например, частицы мельче нескольких сотен нанометров легко проникают во внутрилегочное пространство, а нанометровые частицы свободно поступают из легких в кровоток. Именно так попадает в организм человека вирус гриппа, являющийся сложной природной наночастицей.

Если проникновение наночастиц в легкие происходит, как правило, против нашего желания, то на кожу мы их наносим добровольно и с огромным удовольствием – наночастицы являются ключевой составляющей большинства всевозможных кремов, рекомендованных дерматологами и косметологами. Действительно, кремы для «омоложения» кожи содержат наноразмерные липосомы, а актуальные в период летних отпусков кремы «от загара» – высокоэффективные наночастицы оксидов титана TiO2 и цинка ZnO, поглощающие УФ-часть солнечного спектра. Однако практически никто не задумывается о том, что нано-TiO2 проникает внутрь кожи и обнаруживаются в эпидерме уже через 8 ч после нанесения крема. Не удивительно, что с момента начала массового применения таких кремов заболеваемость раком кожи, к примеру, в США увеличилась на 90%! В отличие от дыхательной системы и кожи, поведение наночастиц в желудочно-кишечном тракте мало исследовано – известно лишь, что они быстро выводятся из организма.

Опираясь на накопленные к настоящему моменту знания о свойствах различных наночастиц, можно выделить три основные причины их вредного воздействия на здоровье человека.

Во-первых, токсичным может быть основное вещество наночастицы, как, например, в случае «квантовых точек» – именно Cd2+, токсичность которого велика как в нано-, так и в макросостоянии, является причиной токсичности для индивидуальных клеток водорастворимых наночастиц селенида кадмия CdSe. При этом цитотоксичность CdSe коррелирует с количеством кадмия, выделившегося из них при окислении, и может быть многократно снижена при покрытии оболочкой из ZnS или SiO2. В качестве другого примера можно привести ультрадисперсные частицы оксида бериллия, а также металлического бериллия и его соединений, вдыхание которых вызывает медленно развивающееся заболевание легких со смертельным исходом – бериллоз. В то время как компактный оксид бериллия BeO - исключительно инертный и безвредный для здоровья материал, высокореакционные наночастицы этого оксида, попадая в клетки легких, дают растворимый фосфатный комплекс Ве2+, который ингибирует фосфатазу и вызывает гибель клеток.

Во-вторых, даже если попавшие в организм наночастицы сами по себе безвредны, некоторые из них могут выступать в роли катализаторов образования токсичных веществ. Так ведут себя рассмотренные выше наночастицы TiO2 и ZnO, катализируя фотоокисление, вирусы, наночастицы оксидов железа и некоторых других металлов, вызывающие металлическую (в частности, цинковую) лихорадку.

И, наконец, специфическое воздействие вещества на организм может быть обусловлено непосредственно тем, что оно находится в наносостоянии. Например, химически инертный и безопасный полимер фторопласт, широко используемый для изготовления посуды, будучи распыленным в воздухе в виде наночастиц диаметром 26 нм в ничтожной концентрации (60 мкг/м3) способен убить крысу за 30 минут, вызывая кровоизлияния в легких. Возможно, в это сложно поверить, но фторопластовая нанопыль на порядок токсичнее, чем боевое отравляющее вещество VХ! А вдыхание аэрозолей наночастиц диоксида кремния SiO2 вызывает силикоз – хроническое разрушение легких, в то время как в макрокристаллическом состоянии он абсолютно безопасен – это самый обычный песок, которым покрыты пляжи и наполнены детские песочницы. Таким образом, специфика наночастиц состоит в большой роли поверхности, химия которой (оборванные связи, адсорбированные молекулы) радикально отличается от химии объемного материала – для одного и того же вещества мелкие наночастицы токсичнее крупных. Кроме того, проникнув в клетку, наночастицы способны прилипать к различным органеллам и деформировать ДНК, вызывая структурные разрушения и мутации.

Определенное значение в нанотоксичности имеет форма наночастиц. Анизотропные наночастицы (например, волокна асбеста) ассоциируются с увеличением риска фиброза и рака лёгких. Аэрозоль «углеродных нанотрубок» приводит к прорастанию волокон и утолщению соединительной ткани в легких мышей. Попадая в эпидермис, нанотрубки вызывают выделение клетками кожи цитокина, являющегося модулятором воспалительных процессов.

В заключении, хотелось бы обратить внимание на приведенные в эпиграфе слова Парацельса. Даже такое полезнейшее вещество, как кислород в больших дозах ядовито – через трое суток нахождения в атмосфере чистого кислорода человек погибает от отека легких. Для большинства же наночастиц токсичные дозы неизвестны, остается лишь надеяться, что в будущем они будут определены, а пока просто следует соблюдать элементарную осторожность при работе с такими объектами.