Je nutné studovat možná rizika nanomateriálů pro lidské zdraví?

Co jsou nanomateriály?

Nanomateriály nazýváme souhrnně objekty různých tvarů (kulovité, trubkovité, vlákna) a chemického složení (uhlík, kovy, oxidy kovů, polymery, viz obr. 1), jejichž jeden rozměr je menší než 100 nanometrů. Z hlediska původu rozlišujeme dvě základní kategorie těchto materiálů: 1. nanomateriály úmyslně vyráběné s cílem konkrétního využití v nejrozmanitějších aplikacích souhrnně nazývaných nanotechnologie; 2. nanočástice vznikající jako nechtěný vedlejší produkt při nejrůznějších spalovacích a dalších fyzikálních či chemických procesech.

Potřebujeme nanotoxikologii jako nový podobor toxikologie?

Nanočástice zde byly odnepaměti, a to jako důsledek některých přírodních procesů (vulkanická činnost) nebo antropogenní činnosti (používání ohně). Proč se tedy znepokojovat?

Problém je především v mimořádně rychlém růstu použití nejrůznějších nanomateriálů v řadě oborů počínaje mikroelektronikou přes potravinářský, textilní a automobilový průmysl, výrobu sportovních potřeb a kosmetiky, ve stavebnictví a konče aplikacemi v biomedicíně (obr. 2) a farmakologii. Tento rychlý technologický pokrok vede jednak k možné profesionální expozici osob při výrobních procesech používajících nanomateriály, jednak k nekontrolovanému uvádění nanotechnologií do životního prostředí, které může vést k nežádoucí expozici běžné populace. Dalším problémem je, že dosud platné bezpečnostní standardy vycházejí z limitních hodnot pro látky, z nichž se nanomateriály skládají, avšak neberou v úvahu experimentálně ověřený fakt, že na rozdíl od větších částic mohou nanočástice v lidském těle pronikat do řady orgánů a tkání a vyvolávat tam nežádoucí toxické účinky.

Skutečnost, že bezpečnost nanotechnologií zaostává za jejich vlastním rozvojem, je dána i tím, že z hlediska chemických a fyzikálních vlastností jde o nesmírně rozmanité materiály, jejichž možné nežádoucí účinky závisí na řadě parametrů. Proto je nalezení obecných bezpečnostních standardů tak obtížné, na čemž se shodli i odborníci z 16 evropských zemí a Spojených států na mezinárodní konferenci o současném stavu vědění v oblasti toxikologie nanomateriálů a bezpečnosti nanotechnologií konané koncem listopadu 2010 v Praze.

V posledních letech je exponenciální růst počtu aplikací nanotechnologií patrný i v základním a aplikovaném výzkumu ve světě i v České republice. Byla vytvořena nanocentra v Liberci, Brně, Olomouci, Ostravě a ke konci roku 2010 pak nejmodernější centrum při Fyzikálním ústavu AV ČR v Praze. Bohužel je třeba konstatovat, že zhruba z 500 projektů podporovaných v této oblasti v ČR se jich pouze 5 nějakým způsobem zabývá bezpečností.

V čem je problém?

Otázka rizik spojených s aplikací nanomateriálů dlouhodobě pokulhává v celosvětovém kontextu za samotným vývojem nanotechnologií a z hlediska ČR je takřka zcela pomíjena. Stačí se podívat do závěrů výroční zprávy předních světových odborníků R. J. Aitkena a B. L. Rosse za rok 2009 SAFENANO Review of 2009 (www.safenano.org) a je jasně vidět, jak daleko jsme od analýzy reálných rizik spojených s expozicí nanomateriálů.

V rámci Evropské unie běží v současnosti řada projektů, avšak zapojení českých vědeckých pracovišť v této oblasti je prakticky nulové. Pokud totiž bude bezpečnost nanomateriálů a nanotechnologií v ČR posuzována v kontextu aplikovaného výzkumu, na kterém se musí výrazně podílet podnikatelské subjekty, pak je v České republice jen velmi malá naděje na pokrok v této oblasti. Žádný podnikatel si totiž v tak kompetitivním prostředí nemůže dovolit podporovat výzkum bezpečnosti svých produktů, a to proto, že v lepším případě z toho nic nemá (zjistí se, že jeho produkty nepředstavují významné riziko), v horším případě z toho má problémy (zjistí se, že produkty jsou rizikové). Takové projekty, i z důvodů objektivity a nezávislosti, musí být stoprocentně financovány z veřejných zdrojů a měly by se zaměřit především na nejdůležitější nanomateriály (z hlediska možného ekonomického přínosu a zdravotního rizika), jejichž většímu uplatnění na náročných trzích EU brání i možná nedůvěra k výrobkům z ČR jakožto země bývalého východního bloku.

Jak dál?

Posouzení možných rizik musí předcházet studium unikátních vlastností nanomateriálů a jejich možné toxicity, zejména mechanismů této toxicity. Je třeba identifikovat klíčové fyzikálně chemické vlastnosti nanomateriálů, které určují jejich biologické účinky, tj. jejich interakce s DNA, RNA, proteiny a lipidy. S použitím metod genomiky a proteomiky je třeba proniknout hlouběji do mechanismů účinku nanomateriálů z hlediska jejich možné imunotoxicity, genotoxicity, reprodukční a vývojové toxicity a ovlivnění nitrobuněčné a mezibuněčné komunikace.

Z hlediska studia interakce nanočástice‑biomolekula není v zásadě třeba vyvíjet zcela nové metody, neboť ty jsou již v řadě případů popsány a hojně využívány při studiu toxicity chemických látek a hrubších částic (viz kometový test poškození DNA, obr. 3). Zásadní je však kvalitní mezioborová spolupráce fyziků a chemiků (příprava, detailní charakterizace a definovaná expozice) s toxikology (analýza řady parametrů toxicity) a lékaři (hodnocení rizik). Je zřejmé, že detailní mechanistické studie jsou finančně náročné, a tak by měly být přednostně provedeny pro nanomateriály, jejichž vyráběné množství, potenciální použití a rozsah uvádění do životního prostředí jsou vysoké.

Nechtěné nanočástice produkované spalovacími procesy

Česká republika má ve srovnání s většinou zemí Evropské unie jeden problém, který je dán historickou orientací na těžký průmysl a k tomu zcela nevhodnými geografickými podmínkami (kotlina uzavřená pohraničními horami). To vede k enormnímu znečištění ovzduší během zimních inverzních epizod, zejména v oblastech se zvýšenou koncentrací hutnictví a koksárenství, např. na Ostravsku.

Toto znečištění je především tvořeno jemnými prachovými částicemi s průměrem menším než 2,5 mm (v odborné literatuře bývají odkazovány jako PM2.5), na něž je navázána řada toxických látek, z nichž nejnebezpečnější jsou karcinogenní polycyklické aromatické uhlovodíky. Přestože se v poslední době hlavní průmysloví znečišťovatelé zavazují nebo jsou tlačeni ke snížení emisí, účinnost těchto opatření je velmi omezená v oblasti nejmenších aerosolů, tj. nanočástic, které jsou však jako nosiče toxických látek účinnější než částice větší.

Z uvedeného je zřejmé, že vedle úmyslně vyráběných nanomateriálů jsou v České republice zvláště významným problémem nechtěné nanočástice ze spalovacích procesů, kterým by se měla věnovat zvýšená pozornost zejména po zavedení slíbených opatření ke zlepšení kvality ovzduší. Účinnost opatření nelze posoudit na základě pouhého výrazného snížení celkové hmotnosti hrubých emitovaných částic, neboť hmotnost nejjemnějších částic (nanočástic) je velmi nízká, kdežto počet těchto částic a jejich schopnost pronikat do lidského organismu, vázat a přenášet toxické látky je vysoká.

Vedle průmyslových emisí jsou dalším významným zdrojem nanočástic automobilové emise a též lokální topeniště na pevná paliva.

Závěrem

Dle expertů Evropské unie lze očekávat, že do 5 let bude na základě vědeckých projektů z oblasti bezpečnosti nanotechnologií definován legislativní rámec pro nejdůležitější nanomateriály. Do té doby je potřeba dodržovat principy předběžné opatrnosti včetně minimalizace expozice osob a obezřetnosti při uvádění nanomateriálů do životního prostředí. S tím souvisejí i nutná opatření na omezení průmyslových, automobilových a dalších emisí jako zdrojů nechtěných nanočástic, jejichž škodlivý účinek lze považovat vzhledem k chemickému složení za prokázaný.