В последние годы наноматериалы (вещества в виде частиц размером примерно в 1000 раз меньше живой клетки) окончательно перешли из области фантастики и далекого будущего в наше ближайшее завтра. Но чем больше наноматериалов уже производится и используется, тем острее встает вопрос их безопасности. Уверены ли мы, что наночастицы не нанесут вред нашему здоровью?

Ответ на этот вопрос старается найти нанотоксикология – научная дисциплина, которая появилась заметно позже, чем начались исследования наноматериалов. Сейчас ее развитие происходит чуть ли не быстрее, чем нанотехнологические исследования в целом.

В США в рамках «Национальной нанотехнологической инициативы» с 2000 года не менее 50 млн долл. ежегодно тратится только на разработку методов, наилучшим образом подходящих для оценки токсичности наноматериалов и их влияния на окружающую среду.

Рис. 1. Трехмерная реконструкция особых дископодобных наночастиц, на основе которых ученые в Университете Беркли пытаются создать новые, более эффективные носители для доставки лекарств в клетки больных пациентов.

Европейская комиссия рекомендует к нанотехнологиям применять «принцип предосторожности», разъясняющий, как оценить возможный риск при отсутствии достоверных и исчерпывающих научных знаний. В декабре 2008 году страны Евросоюза начали создание специальной базы данных NHECD, которая должна содержать сведения о воздействии наноматериалов на здоровье человека и на окружающую среду.

Существуют и другие БД по нанотехнологиям, в которым могут содержаться сведения о токсичности наночастиц, однако ни одна из них не является российской.

Нужна ли нанотоксикология?

Зачем вообще нужна нанотоксикология? Ведь вредное воздействие химических веществ изучают давно. Нельзя ли обойтись уже известными методами? Нужна ли новая наука? Да, нужна. Для частиц размерами в единицы и десятки нанометров действие на живые организмы определяется не только химической природой, но и самими размерами. Представьте обычный графит. Это всего лишь чистый углерод. Можно измельчить графитовый стержень карандаша, распылить его в воздухе, но большого вреда человеку это не причинит. Частицы графита достаточно тяжелые и быстро упадут вниз. Даже если некоторые из них человек вдохнет, крупные частицы задержатся на слизистой носа, человек чихнет и тем самым «выдует» раздражающие его частицы.

Теперь возьмем сажу, которая под названием «технический углерод» уже давно применяется в промышленности. Этот тот же углерод, но размер частиц всего 10–120 нанометров. Такие частицы при попадании в дыхательные пути уже не удаляются при чихании, а прочно садятся на поверхность клеток.

Частицы размером менее 5 микрометров не отфильтровываются нашими дыхательными путями, поэтому частицы сажи могут проникать до самых легких. Они очень легко проникают внутрь клеток и вызывают их гибель.

При относительно длительном воздействии или при высоком содержании частиц сажи в воздухе это может спровоцировать развитие заболеваний легких даже через несколько лет после воздействия. К тому же частицы сажи способны вызывать рак. Поэтому так опасен был смог лесных и торфяных пожаров, случившихся в прошлом году во многих регионах России.

Рис. 2. Данное микроскопическое изображение показывает, как наночастицы кварца накапливаются в ткани легких крысы при длительной ингаляции.

Даже вещества совершенно безопасные в виде крупных частиц могут оказаться вредными в наноразмерах. Чем химически опасен для человека песок? А наночастицы кварца, основного химического компонента песка, при вдыхании легко вызывают специфическое поражение легких – силикоз. Вообще, попадание наночастиц в дыхательные пути (ингаляция) часто приводит к более токсичному их действию, чем какой-то другой путь поступления в организм. Например, наночастицы двуокиси титана гораздо безопаснее при поступлении через кожу или с пищей, чем при вдыхании их с воздухом. Впрочем, не только наши легкие могут быть чувствительны к наночастицам.

Группа немецких исследователей считает, что влияние наночастиц на сердечно-сосудистую систему может быть связано с поступлением наночастиц непосредственно в вегетативную нервную систему через нервные окончания в дыхательных путях.

Другой важный путь попадания наноматериалов в организм – через кожу. Наночастицы, в отличие от обычных материалов, могут проникать даже через неповрежденную кожу – при ее изгибе, например, когда мы двигаем запястьем или сгибаем ногу в колене. Кроме того, в действии наночастиц на организм может играть значение не только их размер, но и форма.

Ряд авторов утверждает, что наночастицы вытянутой формы (например, нанотрубки) в целом более опасны, чем сферические наночастицы.

Перечисленное выше – результаты зарубежных работ. Российский рынок нанотехнологий сейчас находится на начальном этапе становления. Несмотря на это, исследования в области нанотоксикологии проводятся не только за рубежом, но и в ряде российских исследовательских центров.

Например, в Тамбовском государственном университете проводятся исследования длительного воздействия многостенных углеродных нанотрубок и наночастиц гидроксиапатита на состояние организма мышей и их способность к размножению. Оказалось, что наночастицы по-разному действуют на самцов и самок. Самки родили жизнеспособное и здоровое потомство. А вот самцы, наоборот, после того, как месяц пили воду с нанотрубками, уже не могли оплодотворить самок. Нанотоксикология изучается и в других регионах России. Так, токсичность наночастиц золота изучают в Волгограде в НИИ гигиены, токсикологии и профпатологии. При Томском политехническом университете создан Центр биотестирования безопасности наноматериалов и нанотехнологий «Биотест-Нано». ГосНИИгенетика занимается разработкой специальных биосенсоров для выяснения механизмов токсического воздействия наночастиц. «Роснано» приняло решение о создании в Дубне центра доклинических исследований специально для тестирования материалов, содержащих наночастицы, на безопасность.

Рис. 3. Так выглядят наночастицы серебра (показаны стрелкой), когда они накапливаются внутри клеток кожи млекопитающих.

Возрастающее понимание значимости нанотоксикологии в России привело к проведению в 2010 году представительного семинара «Нанотоксикология и стандарт безопасности». Среди прочего там обсуждалась, необходимость разработки стандартов изучения безопасности наноматериалов. За рубежом 9 сентября 2008 года была создана специальная неправительственная организация, – International Alliance for NanoEHS Harmonization (IANH),– которая должна разработать протоколы токсикологического тестирования наноматериалов на клетках и живых организмах. В том же 2008 году в Евросоюзе вступил в действие «Свод правил по ответственным и безопасным исследованиям в нанонауках и нанотехнологиях» (Code of conduct for Responsible Nanosciences and Nanotechnologies Research). В России на основе «Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» с 2009 года действуют методические указания «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов». Однако эти указания практически не содержат методик, специально созданных для учета особенностей возможного вредного воздействия наночастиц. В частности, отдаленные последствия предлагается учитывать лишь в двух поколениях. Это слишком короткий срок оценки, раз уж мы знаем, что наночастицы могут легко проникать практически в любые виды клеток и способны вызывать повреждения генов.

Кроме того, надо помнить, что любое вещество, попав в организм, в большинстве случаев не останется неизменным. Оно подвергается различным видам разрушения (биодеградации) и изменения (биотрансформации). Образующиеся продукты могут быть как менее, так и более опасными, чем исходное вещество. Какие изменения происходят с веществом наноматериалов в организме? Во что они превращаются? Насколько такие изменения опасны? Не так давно считалось, что наночастицы чистого углерода и устойчивых оксидов (кварца SiO₂ и двуокиси титана TiO₂) в организме не изменяются. Но вот почти одновременно в исследованиях за рубежом (США, Швеция и Ирландия) и в России (НИИ физико-химической медицины в Москве и НИИ экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге) выяснилось, что углеродные нанотрубки довольно легко разрушаются под действием миелопероксидазы – обычного фермента клеток крови, защищающего нас от болезнетворных бактерий. Эффект таких биодеградируемых нанотрубок может быть двояким. С одной стороны, биодеградация углеродных наночастиц расширяет число возможных механизмов их токсичности. С другой стороны, если неразрушенные нанотрубки при попадании в дыхательные пути стимулируют воспаление, то биодеградируемые – нет.

Разумеется, когда мы говорим о безопасности наноматериалов, следует иметь в виду возможность их воздействия не только на человека. Попадая во окружающую среду, наноматериалы могут взаимодействовать практически с любыми видами животных и растений. Может ли это навредить природе? Ведь наночастицы благодаря своим размерам могут очень легко проникать в любые организмы через мембрану клеток. Исследователи из МГУ и Тамбовского университета, например, обнаружили, что наночастицы могут всысываться корневой системой растений и переноситься куда угодно, до самых крайних листьев и побегов. Опасно это или нет? Ведь в природе даже гибель одного вида организмов может вызвать цепную реакцию разрушения всей экосистемы. Исследование воздействия наночастиц на природные системы пока только начинает развиваться. В России методические подходы к оценке экологической безопасности наноматериалов разрабатываются в уже упоминавшемся центре «Биотест-Нано». Но большинство вопросов в этой области остается пока без определенных ответов.

Следует отметить, что все сказанное не должно отпугнуть нас от применения наноматериалов.

Да, о безопасности наночастиц мы знаем еще слишком мало. Но эксперты считают, что отсутствие токсикологических данных не должно приводить к остановке нанотехнологических исследований. Да на свете и нет ничего абсолютно безопасного. Однако наноматериалы могут открыть такие перспективы, которые не в состоянии нам дать ни одна обычная технология. Использование любого продукта, вещества и материала должно основываться на оценке соотношения предполагаемой пользы и вероятного вреда при решении каждой определенной задачи и при конкретных условиях. Но, чтобы решать этот вопрос для наноматериалов, нужно как можно активнее развивать работы по нанотоксикологии. Это поможет нам не гадать, а точно знать – какие наноматериалы и когда безопасны. А для небезопасных мы сможем установить условия и нормы применения так, чтобы не нанести вреда себе и природе вокруг нас. Как известно, человек всегда боится только того, чего он не понимает. А что понимает – использует себе на благо.

Автор: Валерий Зайцев, к.б.н., доцент кафедры теоретической и клинической биохимии Волгоградского государственного медицинского университета.