Изменения, вносимые в жизнь развитием нанотехнологий, по глубине сравнимы с последствиями открытия радиоактивности или с компьютерной революцией. Опыт подсказывает, что изменения такого масштаба могут нести не только положительные, но и негативные последствия. Однако опытом тут не обойтись, нужны опыты. Как собирают доказательства пользы и вреда от наночастиц, рассказывает кандидат физико-математических наук Александр Данилов

Сторона светлая

Имеющиеся опасения по поводу безопасности нанотехнологий выходят на первый план, если речь идёт об их медицинских приложениях — той области, где наночастицы целенаправленно воздействуют на человеческий организм.

Обсуждаемые в настоящее время перспективные области применения медицинских нанотехнологий весьма многообразны, и не существует даже их общепринятой классификации. Можно, по-видимому, выделить три генеральных направления (European Technology Platform on NanoMedicine, Vision Paper and Basis for a Strategic Research Agenda for NanoMedicine. 2005).

Первое — диагностика заболеваний на ранней стадии, в перспективе — на уровне единичных клеток. В качестве примера можно привести диагностику с помощью магнитных наночастиц. При введении в организм суспензии из таких частиц они захватываются макрофагами. Если где-то есть опухоль или протекает воспалительный процесс, «меченые» макрофаги устремляются туда и могут быть легко обнаружены с помощью магнитного томографа. Другим примером служат квантовые точки, обладающие, подобно атомам, дискретным спектром излучения. Обработанные определённым образом, они могут маркировать раковые клетки, что уже подтверждено экспериментами на мышах. Или же суспензию из зелёных квантовых точек можно вводить в сосуды для визуализации кровеносной системы. Если в каком-то месте повреждён маленький сосуд или капилляр, это будет отчётливо видно, поскольку в тканях человеческого организма нет зелёного цвета.

Второе направление — это адресная доставка лекарств, а в более отдалённой перспективе — и генов, к поражённым клеткам. Это намного повышает возможности лечения онкологических и некоторых других заболеваний сильнодействующими препаратами с ярко выраженными побочными действиями.

Третьим направлением является регенеративная медицина. Её цель — мобилизация собственных возможностей организма на борьбу с такими заболеваниями, как диабет, остеоартрит, поражения сердечной мышцы и центральной нервной системы. В основе регенеративной медицины лежит доставка к поражённым участкам тела биосовместимых материалов, стволовых клеток, а также сигнальных молекул, инициирующих регенеративные процессы на клеточном уровне.

Подтверждено, что токсичность зависит от концентрации наночастиц, площади их поверхности, а также среды, в которой они находятся, но не от полной массы и объёма

Разумеется, применение нанотехнологий должно быть с самого начала поставлено под строгий контроль. Ведь помимо недопустимого вреда здоровью человека и окружающей среде следует учитывать возможную негативную реакцию общества.

Наномедицинские препараты, как и все прочие лекарства и медицинские материалы, проходят строгую проверку. В частности, в нашей стране испытания наноматериалов регулируются постановлением главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 31 октября 2007 года № 79 «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», которое распространяется и на материалы медицинского назначения.

В мире с 2005 года 130 нанотехнологичных лекарств и систем доставки, а также 125 устройств или диагностических тестов вошли в доклиническую, клиническую или коммерческую разработку. Предстоит большая и сложная работа, поскольку обеспечение безопасности нанопрепаратов может потребовать уникальных оценок риска, учитывая новизну и разнообразие продуктов, высокую подвижность и реакционную способность проектируемых наночастиц и размывание диагностических и терапевтических классификаций «лекарство» и «лечебное устройство» (Faunce T.A. // Nanoterapeutecs: New challenges for safety and cost-effectiveness regulation in Australia, MJA. 2007. V. 186. № 4.).

Сторона тёмная

Главным фактором риска применения медицинских нанотехнологий является недостаток информации о взаимодействии конкретных наночастиц с человеческим организмом. Учёные сегодня лучше понимают, как происходит поглощение наночастиц позвоночными и беспозвоночными животными, но не знают, как они влияют на отдельный организм или даже на колонию микроорганизмов.

Опубликованные в настоящее время обзоры литературы (Лысцов В. Н., Мурзин Н. В. // Проблемы безопасности нанотехнологий. М.: МИФИ. 2007. G. Oberdorster, V. Stone, K. Donaldson // Toxicology of nanoparticles: A historical perspective, Nanotoxicology. 2007. V.1. № 16; Buzea C., Blandino I.I.P., Robbie K. // Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity, Biointerphases. 2007. V. 2. № 4.) об отрицательном влиянии наночастиц на здоровье человека содержат лишь первые данные, касающиеся их возможной токсичности. Имеются наблюдения, описывающие связь между наноразмерными частицами, циркулирующими в атмосфере, и заболеваемостью, особенно у пожилых людей и лиц с пониженным иммунитетом. Учитывая сходные свойства атмосферных и искусственных наночастиц, можно предположить, что последние также способны вызывать различные заболевания, в том числе с длительным латентным периодом (Самсонова М. В. // Наномедицина: современные подходы к диагностике и лечению заболеваний, вопросы безопасности. Пульмонология. 2008. № 5.).

Токсичность возрастает с уменьшением размеров частиц. Таким образом, могут проявлять токсичность и наночастицы из материалов, не токсичных в обычной форме

Под подозрение в токсичности подпадают не только фуллерены и нанотрубки, но и уже широко применяемые в косметике наночастицы двуокиси титана, а также перспективные с точки зрения медицинских применений частицы серебра и квантовые точки. Даже такие биосовместимые материалы, как керамика и алюминий, при использовании для имплантации и протезирования могут служить источниками наночастиц, накапливающихся во внутренних органах и вызывающих аллергические реакции и васкулиты.

Если испытание токсичности проводится только на здоровых организмах (эксперименты с животными или клинические исследования), неблагоприятные эффекты могут встретиться у чувствительных частей населения, и проверка этого требует отдельных испытаний. Эксперты Национального института здоровья США отмечают возможность непредвиденных реакций in vivo.

Так, недавние исследования (Salonen E., Lin S., Reid M. L., Allegood M., Xi Wang, Rao A.M., Vattulainen I., Pu Chun Ke // Real-Time Translocation of Fullerene Reveals Cell Contraction, Small. V. 4, № 11. 2008) показывают, что некоторые культуры клеток, будучи подвергнуты воздействию фуллеренов, оказываются неповреждёнными и даже никак не затронутыми. Клетки также оказываются не затронуты в присутствии наночастиц галловой кислоты, которая имеется практически во всех растениях (например, чае, дубовой коре, дубильных экстрактах и т. д.). Однако когда фуллерены и галловая кислота присутствуют в клеточной культуре совместно, они формируют соединения, которые прикрепляются к поверхности клетки и вызывают её гибель. Приведённый пример показывает, как трудно выделить эффекты воздействия наночастиц на организм и насколько «прицельным» оно должно быть, если мы рассчитываем на его терапевтический эффект.

Попадая в организм, наночастицы способны повреждать биомембраны, нарушать функции биомолекул, в том числе молекул генетического аппарата клетки и клеточных органелл (митохондрий), приводя к нарушению регуляторных процессов и гибели клетки. Механизм воздействия нанообъектов на живые структуры связан с образованием в их присутствии свободных радикалов, в том числе пергидратов, а также с возникновением комплексов с нуклеиновыми кислотами. Эффект для живого организма проявляется в возникновении воспалительных процессов в отдельных органах и тканях и снижении иммунитета.

Подтверждено, что токсичность зависит от концентрации наночастиц, площади их поверхности, а также среды, в которой они находятся, но не от полной массы и объёма. Токсичность возрастает с уменьшением размеров частиц. Таким образом, могут проявлять токсичность и наночастицы из материалов, не токсичных в обычной форме.

Перед новой научной дисциплиной — нанотоксикологией — стоит задача не только выявления возможных вредных воздействий нанообъектов на человеческий организм, но и целенаправленной модификации свойств частиц с целью предотвращения этого вреда при сохранении их полезных свойств

Следует подчеркнуть, что большинство этих выводов основывается на экспериментах на животных и культурах клеток, и их прямая экстраполяция на человеческий организм не корректна. Кроме того, дальнейшие исследования могут подсказать средства борьбы с побочными эффектами воздействия наночастиц на человеческий организм. Так, например, квантовые точки из CdSe можно сделать нетоксичными за счёт их поверхностного покрытия либо заменить их на фотолюминесцентные наноалмазы с цветными центрами (Faklaris O., Garrot D., Treussart F., Joshi V., Curmi P., Boudou J., Sauvage T. // Comparison of the photoluminescence properties of semiconductor quantum dots and non-blinking diamond nanoparticles. Observation of the diffusion of diamond nanoparticles in living cells, arXiv:0904.2648v1. 2009). Однако данные, приведённые в обзорах, подтверждают, что проблема существует. Поэтому перед новой научной дисциплиной — нанотоксикологией — стоит задача не только выявления возможных вредных воздействий нанообъектов на человеческий организм, но и целенаправленной модификации свойств частиц с целью предотвращения этого вреда при сохранении их полезных свойств.

Списки рисков

Научное сообщество вполне осознаёт риски от использования наночастиц в целях терапии. Об этом свидетельствует вышедший недавно первый общий обзор научных и прикладных исследований в области безопасности нанотехнологий — Emergnano. Авторы обзора — инициативная группа Safenano, созданная Институтом профессиональной медицины города Эдинбург (крупный независимый центр научных исследований в области охраны труда и окружающей среды, работающий сейчас под эгидой Всемирной организации здравоохранения) и Министерство пищевой промышленности и сельского хозяйства Великобритании — провели количественную и качественную оценку исследований безопасности нанотехнологий. Кроме того, они попытались дать комплексную оценку рисков, связанных с использованием нанотехнологий, исследовали природоохранное законодательство разных стран, а также наличие правил техники безопасности при работе с наноматериалами и их использовании. Руководитель проекта Safenano Роб Эйткен отмечает актуальность подобного «моментального снимка» состояния дел в большой отрасли науки во всём мире.

Из 358 отобранных для исследования проектов, идущих в 13 странах, 260 закончены или близки к завершению. Однако существенного прогресса исследователи смогли добиться лишь по очень ограниченному кругу проблем.

Авторы обзора отмечают, что наибольшее количество исследовательских проектов в области безопасности нанотехнологий было запущено в США (165 проектов), далее следуют Великобритания, Швейцария и Европейский союз (19 проектов). По суммам расходов на эти исследования лидируют США и Европейский союз (соответственно около 37 миллионов фунтов и 26 миллионов фунтов), что составляет всего лишь один-три процента научного бюджета развитых стран.

14 мая 2009 года по инициативе участников 7 Рамочной программы ЕС запущен крупный проект комплексной оценки рисков, связанных с использованием искусственных наночастиц — ENPRA. Общая стоимость проекта — 3,7 миллиарда евро, ожидаемая продолжительность — 3,5 года

Закрыть некоторые существенные пробелы в области исследований безопасности нанотехнологий должен новый крупный проект комплексной оценки рисков, связанных с использованием искусственных наночастиц ENPRA (Engineered NanoParticle Risk Assessment), инициированный участниками 7 Рамочной программы ЕС. О его запуске было объявлено в Париже 14 мая 2009 года. Общая стоимость проекта составит 3,7 миллиарда евро, ожидаемая продолжительность — 3,5 года. ENPRA задействует специалистов и оборудование 15 европейских и шести американских партнёров, включая три федеральных агентства США. Руководить проектом будет доктор Лян Тран, директор лаборатории вычислительной токсикологии Института профессиональной медицины в Эдинбурге.

В рамках проекта ENPRA предполагается решить несколько задач. Учёным предстоит, в частности, выявить физико-химические характеристики искусственных наночастиц, ответственные за их токсичность, и разработать методики предсказания потенциальной токсичности наночастиц; исследовать механизмы взаимодействия наночастиц и живых организмов на клеточном и молекулярном уровне. Кроме того, они должны будут разработать системы тестов, которые позволят определять токсичность наночастиц без экспериментов на животных и проведения дорогостоящих и длительных клинических испытаний. Подобные тесты, если их результаты можно будет экстраполировать на реальные ситуации, с которыми могут столкнуться потребители продуктов, содержащих наночастицы, позволят быстрее внедрять новые безопасные технологии и материалы.

Обращает на себя внимание отсутствие российских учёных в группах экспертов, разрабатывающих и осуществляющих эти проекты. Разумеется, и в нашей стране понимают серьёзность проблемы, что подтверждается принятием упомянутого постановления главного государственного санитарного врача Российской Федерации. Однако представляется целесообразным более широкое участие российских специалистов в международном сотрудничестве в области безопасности нанотехнологий.

Нанотехнологии открывают перед медициной, как и перед другими областями деятельности, доселе невиданные перспективы, но при этом их безопасное и эффективное применение ставит перед исследователями, технологами и менеджерами задачи совершенно нового уровня сложности.

Александр Данилов, кандидат физико-математических наук

• Материал предоставлен редакцией журнала «Российские нанотехнологии»