Nanotoxikologie

1. Nanotoxikologie

2. 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

3. 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

4. Moderní nanočástice • Fullereny (C60) • 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

5. Moderní nanočástice • Nanopěna • 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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.

12. Mechanismus vzniku ROS

13. 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

15. 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

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

17. 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

18. 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)