Вивчення властивостей наночастинок та їхнього наступного впливу на біологічні структури можливе за двома основними напрямами: мікроскопічному і термодинамічному. При використанні першого підходу вивчення особливостей поведінки нанооб'єктів здійснюється від одиничних атомів або молекул речовини до гігантських наноструктур, щодо яких можуть застосовуватися усі наближення з фізики твердого тіла. Другий напрям має зворотний підхід, коли від макроскопічного об'єкта переходять до нанокластерів за рахунок дроблення або наноструктурування.
Застосування термодинамічного підходу до вивчення властивостей нанокластерів дозволяє встановити закономірності зміни їх властивостей у процесі фазового переходу. Крім того, необхідно оцінити можливість синергетичного впливу наночастинок із токсичними забруднювачами, що також може впливати на біооб'екти.
Дослідження фундаментальних властивостей нанооб'ектів необхідно проводити з урахуванням спрямованості протікання електромагнітних процесів, що мають місце в електрично-активних сполучених структурах, до яких відносяться і наночастинки.
Спільний аналіз електрофізичних, фізико-хімічних і хімічних процесів, що протікають у водному середовищі та біологічних рідинах у присутності наночастинок, дозволить виявити механізм їхньої дії на біооб'екти і оцінити можливості проявлення нанотоксичного впливу на організм Яковлева Г.В., Стехина А.А. Основные подходы к оценке свойств нанообъектов. http://www.erh.ru/nano/pdf/st12.pdf.
Класифікація наночастинок може бути побудована, по-перше, на характеристиці їхньої форми. У цьому випадку розрізняють точечні наночастинки (з розміром менше 100нм у будь-якому вимірі), лінійні (протяжливі) об'єкти, такі як нанотрубки вуглецю, нановолокна, нанонитки, нанофіламенти, що характеризуються одним протяжним макроскопічним виміром (довжиною), двовимірні об'єкти (плівки нанометрової товщини) і, нарешті, тривимірні об'єкти з тонкою (фрактальною) структурою в нанометровому діапазоні (нанопен), нанокомпозити та ін. Другий тип класифікації заснований на хімічному складі й включає наночастинки вуглецю (фулерени, нанотрубки, графен), наночастинки елементарних (простих) речовин, бінарних сполук (окислів, сульфідів, нітридів та ін.), складних (потрійних і більше) хімічних сполук, наночастинки органічних полімерів і біологічних макромолекул. Третій тип класифікації заснований на підході отримання речовин у наноформі. Це, по-перше, "спадний" шлях, тобто отримання наночастинок шляхом процесу надтонкого розмільчіння речовини у формі суцільних фаз або макродисперсій. По-друге, це "висхідний" шлях, що полягає у молекулярній конденсації наночастинок із розчинів або з газової фази, насиченої парами речовин під впливом електричного розряду, лазерного випромінювання, високотемпературної плазми та ін.
Так як наноматеріали можуть володіти зовсім іншими фізико-хімічними властивостями та біологічною (у тому числі токсичним) дією, ніж речовини у звичайному фізико-хімічному стані, тому вони повинні у всіх випадках бути віднесені до нових видів матеріалів і продукції, характеристика потенційного ризику яких для здоров'я людини і стану середовища перебування у всіх випадках є обов'язковою.
При оцінці безпеки наноматеріалів у першу чергу варто враховувати їхній вплив на такі найважливіші біологічні характеристики, як проникність біомембран, генотоксичність, активність окислювально-відновних процесів, включаючи перекісне окислювання ліпідів, біотрансформація і елімінація з організму Методические подходы к оценке безопасности наноматериалов - http://www.erh.ru/nano/pdf/st1.pdf.
Існуюча сьогодні методологія оцінки ризику ґрунтується на повній токсикологічній оцінці кожної конкретної речовини, визначенні залежності "доза-ефект", даних про зміст речовини в об'єктах навколишнього середовища і харчових продуктів, розрахунку навантаження на населення, що дозволяє розрахувати наявні ризики. Однак для наноматеріалів у зв'язку з особливостями їхньої будови і поведінки дана методологія може бути застосована обмежено (або незастосовна) у зв'язку з наступними причинами:
- токсичність наночастинок не може бути виведена в порівнянні з аналогами в макродисперсній формі або у вигляді суцільних фаз, тому що токсикологічні властивості наноматеріалів є результатом не тільки їхнього хімічного складу, але й розмаїтості їхніх інших особливостей, таких як поверхневі характеристики, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність та ін;
- наявні токсикологічні методології засновані на визначенні токсичності речовини щодо масової концентрації, що не прийнятно для наноматеріалів, для яких основними визначальними властивостями можуть бути величина площі поверхні або наночастинки;
- відсутні стандартизовані індикатори нанотоксичності, які повинні обов'язково враховувати внесок таких характеристик, як поверхневі властивості, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність складових їхніх часток;
- відсутні надійні дані про органи-мішені дії конкретних наноматеріалів;
- методи виявлення, ідентифікації й кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біосередовищах, які могли б вірогідно відрізнити їх від хімічних аналогів у макродисперсній формі, недостатньо розроблені;
- відсутні або недоступні нові бази даних і математичні моделі, що опираються на досягнення біоінформатики і на експериментальні дані по токсичності окремих наноматеріалів.
Незважаючи на те, що наноматеріали використаються досить тривалий час, жоден вид не був вивчений у повному об'ємі безпеки. Фактично, безпеки наноматеріалів не дозволяють точно оцінити їхні потенційні ризики.
Одним з основних питань є наявність високочутливих методів виявлення, ідентифікації і кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біологічних середовищах. При цьому повинні використовуватися методи оцінки, які характеризуються специфічністю, що дозволяє, і це дуже важливо, відрізнити наноматеріали від їхніх хімічних аналогів у вигляді суцільних фаз або макроскопічних дисперсій. Перелік використовуваних методів представлений у Додатку 3.
Визначальним моментом в оцінці ризику є встановлення можливої токсичності наноматеріалів. Наявна сьогодні незначна кількість досліджень у цьому напрямку вказує на те, що наноматеріали можуть бути токсичними, тоді як їхній еквівалент у звичайній формі в цій же концентрації безпечний. Показано, що навіть однократна інгаляція вуглецевих нанотрубок і наночастинок деяких інших типів викликає в експериментальних тварин запальний процес у легеневій тканині з наступним некрозом кліток і розвитком фіброзу, що, можливо, здатне привести до канцерогенезу. Наноматеріали характеризуються нейротоксичністю, у тому числі, здебільшого, за рахунок проходження через гематоенцефалічний бар'єр, викликаючи окисний стрес в клітинах мозку; кардіотоксичність і гепатотоксичність наноматеріалів також визначається розвитком окисного стресу і запальної реакції, що призводить до апоптозу і некрозу клітин; є окремі відомості, що наночастинки можуть несприятливо впливати на систему згортання крові.
Таким чином, фактично в цей час токсичність різних наноматеріалів вивчена вкрай недостатньо, у тому числі немає даних по метаболізму і механізму їхньої дії, не визначені критичні органи і системи. Узагальнюючи наявні літературні дані, варто звернути увагу на два факти. По-перше, у більшості проведених досліджень вказується на те, що визначальним в токсичності наноматеріалів є розвиток окисного стресу і ушкодження ДНК, що може привести до запальної реакції, апоптозу і некрозу клітини. При цьому, можливо, що на перший план виходить не кількість потраплених наноматеріалів, а площа їхньої поверхні, що і буде визначати їхню реакційну здатність. Крім того, не можна виключати і наявності інших механізмів, пов'язаних, зокрема, з ушкоджуючою дією наноматеріалів на клітинні мембрани і органели, посиленням транспорту потенційно токсичних компонентів через бар'єри організму, а також можливої генотоксичністю і алергізуючою дією.
По-друге, принципово важливою характеристикою, яку варто враховувати при оцінці можливої токсичної дії наноматеріалів, є їхня нерозчинність у воді та біологічних середовищах. Дійсно, як тільки наночастинки розчиняються, усі ефекти, пов'язані з наявністю в них високорозвиненої поверхні та з різними процесами, що протікають гетерофазно, втрачаються, і по своїй токсичній дії водорозчинний наноматеріал нічим не буде відрізнятися від його аналога в макродисперсній формі. Тому вже на першому етапі оцінки безпеки наноматеріалів однієї з найважливіших характеристик є нерозчинність у водних середовищах.
Ще однією важливою характеристикою наночастинок є показник їхньої форми - "аспектне відношення", тобто відношення довжини часток до їх мінімального лінійного розміру. По аналогії з такими об'єктами в макродисперсній формі, як волокна азбесту, можна припустити, що лінійно протяжні наноструктури, такі як вуглецеві нанотрубки, можуть мати більшу потенційну токсичність, ніж аналогічні по сполуці частки, що характеризуються менш вираженою ексцентричністю форми.
Наступним найважливішим етапом є оцінка надходження, розподілу і виведення наноматеріалів з організму. У цей час вважається, що існує три основних шляхи надходження наноматеріалів в організм людини: інгаляційний, через шкіру і преорально. Питання про можливі шляхи надходження наночастинок різної природи в організм, їхнього проходження через біологічні бар'єри, розподілу і нагромадження в різних органах і тканинах у цей час інтенсивно досліджується. У результаті експозиції наночастинками, що втримуються в повітрі, воді, а також вхідними до складу матеріалів одягу, парфюмерно-косметичних засобів, препаратів побутової хімії можливо їхнє проникнення в організм через неушкоджену шкіру.
Оцінка безпеки наноматеріалів повинна включати наступні основні блоки Методические подходы к оценке безопасности наноматериалов - http://www.erh.ru/nano/pdf/st1.pdf:
- методи виявлення, ідентифікації і кількісного визначення наноматеріалів в об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біологічних середовищах, що дозволяють відрізнити наноматеріали від їхніх аналогів у традиційній, тобто макродисперсній формі;
- вивчення взаємодії наноматеріалів з ліпідами, білками, нуклеїновими кислотами (ДНК, РНК, клітинні мембрани, рибосоми, ферменти, цитохроми Р-450) у системах in vitro;
- вивчення механізмів проникнення наноматеріалів через біомембрани, зв'язування з мембранними рецепторами в системі in vitro;
- вивчення зміни характеристик наночастинок у складі модельних систем, що відтворюють різні середовища організму (шлунковий і кишковий уміст, кров, лімфа, жовч, сеча і т.д.);
- визначення параметрів гострої, підгострої і хронічної токсичності, органотоксичності (нейротоксичність, гепатотоксичність, кардіотоксичність, імунотоксичність, нефротоксичність та ін.) і віддалених ефектів (мутагенність, ембріотоксичність, тератогенність, канцерогенність), а також розподілу наноматеріалів по органах і тканинам;
- визначення параметрів І і ІІ фази метаболізму ксенобіотиків і системи антиоксидантного захисту;
- вивчення впливу наноматеріалів на експресію генів, генотоксичність, апоптоз, протеомний і метаболомний профілі, потенційну алергенність;
- вивчення в моделях in vitro виживаності пробіотичних мікроорганізмів нормальної мікрофлори шлунково-кишкового тракту в присутності наноматеріалів, процесів усмоктування наноматеріалів у шлунково-кишковому тракті на моделях in situ та in vivo і визначення впливу наноматеріалів на мікробіоценоз шлунково-кишкового тракту.
Інтенсивне впровадження нанотехнологій у різних галузях господарської діяльності неминуче ставить проблему не тільки впливу на людину і навколишнє природне середовище самих наноматеріалів, але й відходів, що утворяться при їхньому виробництві або перетворення у відхід споживання Русаков Н.В. Проблемы опасности отходов наноматериалов при их производстве и превращении в отход потребления http://erh.ru/nano/pdf/st6.pdf.
Дотепер не вивченим залишається питання методології проведення еколого-гігієнічних досліджень по виявленню характеру і ступеню небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів, не оцінений ступінь небезпеки технологій їхнього знешкодження і знищення. Тому одним з напрямів наукових досліджень на сучасному етапі може з'явитися розробка методологічних основ оцінки небезпеки відходів нанотехнологій. При цьому важливо науково обґрунтувати методологію проведення еколого-гігієнічних досліджень по виявленню характеру і ступеню небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів нового покоління. Розробити комплекс інтегрованих показників і критеріїв оцінки небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів і продуктів їхнього розчеплення і спалювання. Кінцевим результатом повинна бути підготовка методичних рекомендацій з еколого-гігієнічної оцінки небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів з обґрунтуванням основних принципів, показників і критеріїв, а також гігієнічних вимог і рекомендацій.
Висновки
Цілком очевидно, що такі перспективні міждисциплінарні технології, якими без сумніву є нанотехнології, будуть стрімко розвиватися та набирати обертів. Проте необхідно зазначити, що на сьогоднішній день нормативно-правова база, регулююча цю сферу, практично відсутня.
З огляду на вищезазначені обставини, видається надзвичайно важливою і необхідною розробка спеціалізованого закону, який міг би називатися, по аналогії з регулюванням використання ядерної енергії, - „Про використання нанотехнологій та безпеку наноматеріалів”. Закону, який би передбачав встановлення пріоритету безпеки людини та навколишнього природного середовища, права і обов'язки громадян у сфері використання нанотехнологій, регулювання діяльності, пов'язаної з використанням наноматеріалів.
Відкритим залишається питання щодо створення інформаційно-діагностичної бази по токсичним і побічним ефектам наночастинок, яка включала б:
· створення бази даних первинної інформації з токсичних і побічних ефектів наночастинок на основі спонтанних повідомлень;
· створення бази даних динамічного спостереження за повторним проявом токсичних і побічних реакцій наночастинок;
· створення бази даних за результатами лабораторного тестування наночастинок із виявленими побічними реакціями (токсикологічні лабораторії);
· створення баз даних побічних реакцій наночастинок у пацієнтів з різною патологією;
· інтеграція національної бази даних у міжнародні бази даних по токсичних і побічних ефектах наночастинок.
Розробка нормативної бази для успішної роботи центрів по реєстрації токсичних ефектів і побічних реакцій на наночастинок:
· впровадження міжнародних і національних шкал оцінки токсичних ефектів і побічних реакцій на нанотехнологічну продукцію;
· розробка клінічно релевантних біомоделей, що дозволяють оцінити токсичні та побічні ефекти наночастинок, і в сукупності з in-vitro- дослідженнями, in silico технологіями екстраполювати отримані результати в клініку;
· впровадження і розробка нового обладнання, методів і технологій для оцінки токсичності наночастинок відносно органів-мішеней (токсикогеноміки, токсикопротеоміки, токсикометабономіки).
Окремими завданнями можуть стати:
· розвиток комп'ютерних методів предиктивної токсикології ( дозволяють знизити до 50 % витрат на побічні реакції наночастинок) і створення інформаційно-діагностичної системи по реєстрації токсичних і побічних реакцій на наночастинок;
· формування нової державної й утворювальної стратегії в області нано(эко)токсикології.
Список використаних джерел:
1. Розпорядженням КМУ від 2 квітня 2009 р. № 331 „Про схвалення Концепції Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки”
2. Постанова КМУ від 28 жовтня 2009 р. N 1231 „Про затвердження Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки”
3. Екологічне право України. Академічний курс: Підручник за ред Ю.С. Шемчука. - К.: ТОВ „Юридична думка”, 2005. - 848 с.
4. В.Н. Кавецкий, профессор, .Н. Багацкая, канд. с-х. наук, Н.А. Рыженко, канд. с-х наук: Система экотоксикологических исследований окружающей среды -- основа обеспечения внутреннего динамического равновесия экосистем. Институт экогигиены и токсикологии им. Л.И. Медведя, Киев
5. Чекман І.С., Сердюк А.М., Кундієв Ю.І., Трахтенберг І.М., Каплінський С.П., Бабій В.Ф. Нанотоксикологія: напрямки досліджень довкілля та здоров'я № 1 (48), 2009 - http://www.nbuv.gov.ua/portal/chem_biol/Environment/2009/01-1.pdf
6. Сарвилина И. В. „Нанотоксикология - новое направление для исследований” III съезд токсикологов России Москва, 1-5 декабря 2008 года г. Ростов-на-Дону, 2008 - http://www.slideshare.net/transwoman/ss-presentation-866132
7. Б.А. Курляндский. О нанотехнологии и связанных с нею токсикологических проблемах - http://www.erh.ru/nano/pdf/st13.pdf
8. Н.Г. Проданчук, Г.М. Балан. Нанотоксикология: состояние и перспективы исследований. - http://www.nbuv.gov.ua/portal/Chem_Biol/Spt/2009_3-4/str04.pdf
9. Нанотоксикология- http://www.bonasana.org/storage/files/нанотоксикология.pdf
10. Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография под ред. чл.-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. 2009 г. - http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine
11. Словник термінів нанотехнологій - http://www.portalnano.ru/read/tezaurus/definitions/nanotoxicology
12. Сычева Л.П. Генотоксическое действие наноматериалов.-http://www.erh.ru/nano/pdf/st10.pdf
13. О.Алексеева. Новая дисциплина-нанотоксикология. -http://www.businesspress.ru/newspaper/article_mId_37_aId_436194.html
14. Захидов С.Т. Нанотехнологии и генетическая безопасность. Сборник тезисов и статей: Всероссийская научная школа для молодежи «Наномедицина и нанотоксикология». - М., МДВ, 2009. - 32 с. - http://www.amedpharm.ru/files/249.pdf
15. Яковлева Г.В., Стехина А.А. Основные подходы к оценке свойств нанообъектов. http://www.erh.ru/nano/pdf/st12.pdf
16. Методические подходы к оценке безопасности наноматериалов - http://www.erh.ru/nano/pdf/st1.pdf
17. Русаков Н.В. Проблемы опасности отходов наноматериалов при их производстве и превращении в отход потребления http://erh.ru/nano/pdf/st6.pdf
18. Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды» материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации Под редакцией академика РАМН Ю.А. Рахманина, Москва, 2007
Додаток 1
Додаток 2
Додаток 3
Страницы: 1, 2, 3, 4
