Nanotoxikologie

Nanočástice průměr částic menší než 100 nm (nm = 10-9m) velký povrch na jednotku hmotnosti vysoká reaktivita kvantové jevy změny v optických, elektrických, mechanických a magnetických vlastnostech biologické nano-objekty DNA - průměr 2-12 nm virus ebola – délka 1000 nm, průměr 50 nm bakterie – průměr 30 – 10 000 nm červená krvinka – průměr 5 000 nm lidský vlas – průměr 10 – 50 000 nm

Nanočástice historické využití kovových nanočástic Lycurgus cup (4. st.n.l) – Ag, Au barvy Mayských kreseb okna středověkých katedrál fotografie - Ag kondenzace produktů hoření (UFPs) C, SiO2, TiO2, těžké kovy (7 – 40 nm) svařování 10 – 50 nm před aglomerací dlouhodobě záměrně vyráběné nanočástice pigmenty (80 – 100 nm) katalyzátory – Pd, Pt, zeolyty

Moderní nanočástice Fullereny (C60) Nanotrubice (CNT) sférický tvar tvořený 28 – 100 C atomy materiály extrémně odolné tlaku lubrikanty záměna C za N – extrémní tvrdost při zachování pevnosti potenciální využití – katalyzátory, elektronika transport léčiv na místo účinku Nanotrubice (CNT) duté trubičky s průměrem pod 1 nm a délkou několik mm otevřené nebo uzavřené jedna či více stěn (SWNTs nebo MWNTs) výborné vodiče tepla a elektřiny výborné mechanické vlastnosti polovodičové součástky vysoká kapacita pro molekulární absorpci

Moderní nanočástice Nanopěna Nanokrystaly (quantum dots) ostrůvky atomů uhlíku o velikosti 6-9 nm náhodně pospojované do formy lehké pevné pěnovité struktury vykazuje proměnné magnetické vlastnosti využití jako polovodič Nanokrystaly (quantum dots) sférické struktury o velkosti 1 – 10 nm počet atomů 1 000 – 100 000 vlastnosti na pomezí molekulární entity a rozsáhlé pevné struktury kvantové vlastnosti závislé na dimenzi – emise světla požadované vlnové délky polovodiče

Nanočástice ve farmacii a biomedicíně specifická distribuce léčiv liposomální struktury diagnostika nádorů distribuce nanočástic s fluorescenční látkou na povrchu nádoru tepelná destrukce nádorů distribuce Si kuliček o průměru 100 nm potažených 10 nm vrstvou Au uvnitř nádoru nanostřely potažené příslušnou protilátkou

Nanočástice ve farmacii a biomedicíně koloidní roztoky vitamínů, léků, potravních doplňků aplikace sprejů na sliznici pod jazykem analýza krve a moči fluorescenční částice pro detekci infekčních a genetických chorob výzkum léčiv biokompatibilní povrchy pro implantáty antialergické adhezivní povrchy tkáňové inženýrství neuron-tranzistorové rozhraní sluneční krémy a kosmetika nanoprášky TiO2, ZrO2 a Fe2O3

Toxikologie nanočástic (experimentální toxikologie) při stejné dávce mají NSPs vyšší schopnost vyvolat zánětlivou reakci než částice větších rozměrů – vliv povrchu TiO2 (anatas) 20 a 250 nm – intratracheální aplikace – potkan po 24 h měřena plicní zánětlivá neutrofilní reakce pro částice stejného složení a různého povrchu je lepší mírou dávky celkový povrch částic, než jejich hmotnost či počet

Toxikologie nanočástic (experimentální toxikologie) za určitých podmínek jsou NSPs schopné vyvolat těžké poškození plic – vliv chemického složení chemie NSPs (povrchové složení) je dalším důležitým faktorem ovlivňujícím toxicitu při zahřívání PTFE nad 480 °C uvolňovány částice o průměru 18 nm vysoký počet úmrtí pokusných zvířat během 4h po 15 min expozici (60 ng) - příčinou těžké poškození plic plynná fáze netoxická výrazné snížení toxicity po 3 min – aglomeráty nad 100 nm méně toxické vznik fibróz – vliv tvaru většina in-vivo studií s nanotrubicemi (SWNTs i MWNTs) kde byl pozorován vznik granulomů byly prováděny s nefyziologicky vysokými dávkami NTs potřeba dalšího výzkumu

Toxikologie nanočástic (ekotoxikologické studie) test nepotahovaných ve vodě rozpustných koloidních fullerenů (nC60) na Daphnia magna – 48h LC50 = 800 ppb test nC60 , okounek pstruhovitý (Micropterus salmoides) – 0,5 ppm, 48 h – peroxidace lipidů v mozku, vyčerpání gluthathionu v žábrách baktericidní účinky fullerenů a nanovláken – antimikrobiální ponožky  vliv počasí na potahované a kovalentně modifikované povrchy NSPs

Toxikologie nanočástic (mechanismus vzniku ROS) NSPs různých tvarů, velikostí a složení se přednostně hromadí v mitochondriích C60 – podpora produkce superoxidového iontu Možné mechanismy rozvoje oxidačního stresu vlivem NSPs foto-excitace fullerenů a SWNTs způsobující mezi-systémové přechody produkující volné elektrony metabolismus NSPs produkuje redox-aktivní meziprodukty (CYP 450) zánětlivá reakce in-vivo způsobující uvolňování oxy-radikálů prostřednictvím makrofágů vliv viditelného a UV světla, přítomnosti přechodných kovů apod.

Mechanismus vzniku ROS

Toxikologie nanočástic (místa vstupu – dýchací systém) matematický model depozice NSPs v dýchacích cestách (mechanismus – difúze)  distribuce inhalovaných inertních NSPs do vnitřních orgánů transcytóza přes buňky epitelu do krve příjem nervovými zakončeními a axonální translokace do ganglií a CNS fagocytóza NSPs makrofágy je málo účinná

Toxikologie nanočástic (místa vstupu – dýchací systém) povrchová úprava NSPs (např. potažení albuminem) ovlivňuje mechanismus, rychlost i účinnost transmembránového přestupu NSPs se z krve distribuují do jater (Kupfferovy buňky), sleziny (ne při potažení polyethylénglykolem) depozice NSPs v kostní dřeni

Toxikologie nanočástic (místa vstupu – dýchací systém) potažení NSPs apolipoproteinem urychluje endocytózu přes hepato-encefalickou bariéru transport do CNS přes čichový nerv – neurodegenerativní onemocnění

Toxikologie nanočástic (místa vstupu – trávící trakt, kůže) v GI se NSPs vstřebávají v závislosti na velikosti a povrchové úpravě, většinou však málo (polystyrénové NSPs 50 nm – 6,6 %, 100 nm – 5,8 % a 1000 nm – 0,8 %) přes póry v kůži mohou prostupovat částice až 1 m studium možnosti transportu prostřednictvím nervových zakončení

Literatura Oberdörster G., Oberdörster E., Oberdörster J., Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles, Environmental Heealth Perspectives 113, 823 – 839, (2005) Balbus J.M., Florini K., Denison R.A., Walsh S.A., Protecting Workers and the Environment: An Environmental NGOs Perspective on Nanotechnology, Journal of Nanoparticle Research 9, 11-22, (2007) Salata O.V., Applications of Nanoparticles in Biology and Medicine, Journal of Nanobiotechnology 2, 3-9, (2004) Donaldson K., Tran L., Jimenez L.A., Duffin R., Newby D.E., Mills N., MacNee W., Stone W., Combustion Derived Nanoparticles: A Rewiew of Their Toxicology Following Inhalation Exposure, Particle and Fibre Toxicology 2, 10 – 24, (2005)