Ústav analytické chemie

Nanočástice a jejich zdravotní rizika

Sotva společnost v souvislosti se zdravotními problémy obyvatel České republiky, zejména Ostravy a blízkého okolí, akceptovala pojem aerosolová částice, případně jemná částice, které byly i legislativně zakotveny, objevuje se nový pojem „nanočástice“ (NSP), což je částice, která je alespoň v jednom rozměru menší než 100 nm.

Bylo potvrzeno, že zejména jemné částice o velikosti menší než 2,5 μm mají negativní vliv na lidské zdraví, neboť tyto malé objekty mohou vniknout hluboko do plic. Ačkoliv lidská populace byla exponována nanočásticím v celém průběhu svého vývoje (nanočástice jsou uvolňovány do ovzduší při přirozených procesech hoření, jako je spalování biomasy, lesní a stepní požáry, sopečná činnost), dochází v důsledku průmyslové revoluce k dramatickému zvýšení expozice. K antropogenním zdrojům, tj. těm, které vznikly v souvislosti s lidskou činností, patří zejména procesy, při kterých dochází jak k tepelné degradaci biomasy, tak k rozkladu anorganického a organického materiálu (ve spalovacích motorech, elektrárnách, při výrobě kovů, při úpravě rud ap.), při nichž se jemné částice tvoří jako vedlejší produkty. Takto produkované částice jsou polydisperzní povahy a mají komplexní chemické složení. Jsou složeny z elementárního uhlíku, rozpustných a málo či semi-těkavých organických sloučenin, ale i rozpustných a málo rozpustných anorganických sloučenin. Kromě toho se do životního prostředí dostávají částice, které jsou produkovány cílenou činností člověka. Částice, které jsou připravovány cíleně, jsou důsledně monodisperzní a jejich chemické složení je identické. V současné době jsou cílené částice masově vyráběny při procesech, při kterých jsou produkovány materiály (nanomateriály) s výjimečnými vlastnostmi. Oblast průmyslu zabývající se výrobou nanomateriálů se velmi rychle rozvíjí a je pravděpodobné, že takto vyrobené nanomateriály se s velkou pravděpodobností stanou dalším významným zdrojem pro expozici lidí nanočásticím.

Výroba nanomateriálů je skutečností a objekty, které mají nanovelikost, jsou používány v běžném životě při mnoha aplikacích v biomedicíně, kosmetice, výrobě potravin, výrobě energie nebo v elektronice. Ze zdravotního hlediska jsou nanočástice nebezpečné tím, že na rozdíl od částic větších než 100 nm mohou snáze při dýchání pronikat do plicních tkání a mohou tak způsobit jejich poškození, které může vyústit v chronické dýchací problémy.

Negativní potenciál nanočástic je již nyní zřejmý a jejich vliv na zdraví je vyšší než u částic větších. Nanočástice mají postatně vyšší zánětlivý potenciál než větší částice, a to i v případě, že mají stejné chemické složení, což se projevuje zejména jako akutní poškození plic. Velikosti částic, jejich chemické složení a zejména kvalita jejich povrchu hrají rozhodující roli na vznik zdravotních rizik. Ty spočívají v generování oxidačního stresu, který je důsledkem vzniku volných radikálů, akumulace peroxoproduktů, případně snížením hladiny antioxidantů, které se nacházejí v buňkách. Dnes je již nezpochybnitelné, že nanočástice, zejména ty, jejichž velikost je menší než 30 nm, jsou po inhalaci schopny přecházet do krevního řečiště. Vedle velikosti hrají v tomto procesu důležitou roli povrchové vlastnosti nanočástice včetně jejího povrchového náboje. Při translokaci nanočástic do krevního oběhu mohou vyvolávat alveolární zánětlivé procesy následně provázené kardiovaskulárními problémy. V okamžiku přechodu do krevního řečiště je nanočástice distribuována do celého těla, ve kterém játra patří k těm orgánům, kde jsou nanočástice přednostně zachycovány, nicméně ke kumulaci nanočástic dochází i v dalších orgánech. Některým nanočásticím, pokud jsou dostatečně malé, se podaří proniknout i do buněk, kde mohou působit neurotoxicky, případně mohou vyvolávat změnu stavby genů v průběhu přepisu DNA.

V současné době existuje velké množství informací z in vitro experimentů., které popisují interakce v systému nanočástice-buňka. V převážné většině experimentů byl poměr počtu nanočástic k počtu buněk vyšší než 1000 : 1, což mnohonásobně převyšuje jakékoliv reálné podmínky, do kterých se daná buňka může dostat, a tak předvídání zdravotních rizik spojených s přítomností nanočástic v životním prostředí může být v nejlepším případě značně zkreslené. Přestože je zřejmé, že pouze in vivo experimenty nám mohou významným způsobem pomoci při vypracování metodiky hodnocení zdravotních rizik spojených s přítomností nanočástic v ovzduší, stále se nevěnuje in vivo experimentům náležitá pozornost.

Od roku 2006 bylo publikováno cca 6000 vědeckých prací obsahující klíčová slova „nanočástice“ a „inhalace“, pouze 294 z nich bylo spojeno se studiem nanočástic oxidu křemičitého, oxidu titaničitého, různých forem elementárního uhlíku a stříbra, a navíc většinou v experimentálním in vitro uspořádání. In vivo experimenty byly prováděny krátkodobou expozicí max 6 hodin/den. Zanedbatelný zájem byl projeven o nanočástice olova a kadmia a jejich oxidy, které jsou emitovány při různých technologických procesech, jmenovitě při úpravě rud, výrobě olova, zušlechťování oceli, optoelektronice, ale i při spalování biomasy. Není dostatečně známa jejich „toxicita“, neexistují regulační opatření ani normy omezující jejich použití.

V současné době je na našem pracovišti řešíme projekt s názvem „Studie transportu inhalovaných nanočástic olova a kadmia a jejich alokace v orgánech“, podporovaný Grantovou agenturou ČR, který souvisle navazuje na projekty Ministerstva životního prostředí ČR „Stanovení chemických a toxikologických vlastností prachových částic a výzkum jejich vzniku“ a „Morfologie, chemická a toxikologická charakterizace pouličního prachu a suspendovaných prachových částic, včetně určení zdrojů původu“, které jsme v nedávné době řešili s partnery z akademické a privátní sféry. V rámci projektu „Studie transportu inhalovaných nanočástic olova a kadmia a jejich alokace v orgánech“ byla zkonstruována speciální inhalační komora (viz obr.), která je zhotovena ze skla a nerezového materiálu, umožňující provádět dlouhodobé inhalační pokusy s nanočásticemi na malých experimentálních zvířatech (myši a krysy). Uvnitř inhalační komory jsou čtyři klece, ve kterých se nacházejí populace malých zvířat. Inhalační komora je konstruována tak, že umožňuje provádět pokusy na vzorku až 240 myší, případně 80 krysách. Ve třech klecích se nacházejí zvířata, která jsou exponována různým koncentracím nanočástic, a to 0,5, 1 a 5 milionů částic/cm3. Ve čtvrté kleci je kontrolní skupina zvířat bez expozice částicím. Vhodnými podmínkami při generování nanočástic je možné měnit jak velikost částic, tak také jejich složení, koncentraci a morfologické vlastnosti nanočástic. Koncentrace nanočástic je kontinuálně kontrolována. Pokusy jsou prováděny za světelných a teplotních podmínek, které jsou pro daná zvířata optimální. Prostor klecí je nepřetržitě monitorován kamerovým systémem a v klecích je udržována optimální vlhkost a optimální proudění vzduchu. Údaje o koncentraci a velikosti nanočástic, teplota, vlhkost, intenzita osvětlení, ventilace a pohybová aktivita inhalovaných objektů jsou zaznamenávány a ukládány. Inhalační komora je konstruována tak, že umožňuje provádět až šedesátidenní inhalační pokusy. Celý experiment probíhá za podmínek předběžné opatrnosti, tzn. že celý systém je vzduchotěsný a s okolím je spojen přes speciální HEPA filtry, které zamezují pronikání nanočástic mimo inhalační komoru. Komora byla testována nanočásticemi MnO₂.

Projekt probíhá ve spolupráci tří ústavů Akademie věd České republiky: Ústavu analytické chemie Brno, Ústavu chemických procesů Praha a Ústavu živočišné fyziologie a genetiky Brno.

Uvedený pilotní projekt, který kombinuje základní výzkum s potenciálními aplikačními výstupy do legislativní oblasti ochrany obyvatelstva, je integrální součástí vědeckého tématu zaměřeného obecně na studium vlivu aerosolů a plynných polutantů na ekosystémy, zemědělské plodiny, chovná zvířata a lidskou populaci. Konkrétním cílem projektu je identifikace vlastností nanočástic ve vztahu k biologickým objektům, studování vztahů mezi expozicí nanočásticím a biologickým účinkem nanočástic potenciálně se nacházejících v ovzduší, příprava metodiky hodnocení zdravotních rizik, odhady kritické expozice, souhrnná charakterizace zdravotních rizik a způsoby ochrany proti působení nanočástic.