Provocări şi implicaţii ale nanotehnologiei în practica medicinei muncii

Liliana Râpaş M.D. Ph.D, medicina muncii, Direcţia de Sănătate Publică Bucureşti

Toxicitatea nanomaterialelor (nanoparticule NP)

În prezent, există doar cunoştinţe limitate privind efectele toxicologice ale NP dar se ştie acum că comportamentul toxic al NP-urilor diferă de omologii lor în vrac. Chiar şi NM-urile care au aceeaşi compoziţie chimică diferă în proprietăţile lor toxicologice, diferenţele de toxicitate depinzând de mărimea, forma şi acoperirea suprafeţei. Prin urmare, înainte ca NM-urile să fie utilizate industrial/comercial, este foarte important ca ele să fie supuse unei evaluări adecvate a toxicităţii şi printre parametrii NM care trebuie evaluaţi pentru efectul toxicităţii sunt încărcăturile de suprafaţă, tipurile de material de acoperire şi reactivitatea NP.

Literatura de specialitate [2,3] privind toxicitatea NP-urilor de oxid metalic, NP-urilor metalice, punctelor cuantice (QDs), NP-urilor silice (SiO2), nanotuburilor de carbon (CNT) şi alte nanomateriale de carbon, care au găsit deja o gamă largă de aplicaţii în întreaga lume, precum şi studiile in vitro şi in vivo privind NP-urile au arătat că cele mai multe sunt toxice pentru animale şi comportamentul lor toxic variază în funcţie de mărimea, forma, încărcătura de suprafaţă, tipul de material de acoperire şi reactivitatea. Doza, calea de administrare şi expunerea sunt factori critici care afectează gradul de toxicitate produs de un anumit tip de NP. Stabilirea testelor de toxicitate pentru un tip de NP, de administrat în cadrul supravegherii medicale sau testării produsului încă necesită o cercetare atentă şi riguroasă.

De asemenea, se consideră necesar un „sistem de testare” convenit, care să poată fi utilizat pentru evaluarea adecvată, precisă şi economică a toxicităţii NP deoarece NP au produs o gamă de efecte toxice diferite în multe studii [2,3] in vivo şi in vitro:

tipurile de efecte produse de NP sunt pe sistemele pulmonare, cardiace, reproductive, renale şi cutanate, precum şi pe diferite linii celulare;
după expuneri au fost găsite acumulări semnificative de NP în plămâni, creier, ficat, splină şi oase la speciile testate;
gradul de toxicitate produs de NP este legat de proprietăţile de suprafaţă, NP-urile solubile devin toxice din cauza componentelor lor; dar situaţia este complet diferită pentru NP insolubile (ex. oxizii metalici stabili nu prezintă toxicitate, în timp ce NP-urile metalice care au potențial redox pot fi citotoxice şi genotoxice).

Întrucât datele disponibile privind toxicitatea NP sunt, din păcate, limitate şi, prin urmare, nu permit oamenilor de ştiinţă să realizeze încă o evaluare semnificativă a riscului cantitativ şi a siguranţei NP-urilor sintetizate (care conduc la absenţa unor reglementări pentru valori ale concentraţiilor în mediu şi fluide biologice sau ţesuturi) astfel că sunt deosebit de importante obţinerea şi utilizarea rezultatelor studiilor nanotoxicologice existente, dar şi a dezvoltării unor noi şi mai utile sisteme viitoare de evaluare a riscurilor. Sunt necesare eforturi sporite, atât de natură individuală, cât şi colectivă, pentru a explora avantajele şi dezavantajele nanotehnologiei viitoare.

Efectele cutanate

Datele cercetărilor privind relaţia între expunerea la nanoparticule (ultra-fine particles) şi piele au fost adunate şi analizate într-un studiu derulat între 2003-2007 [4] de grupul de cercetători din 12 universităţi (NANODERM), cu rezultate care reprezintă referenţialul pentru toţi specialiştii, inclusiv medici de medicina muncii. Starea de sănătate a pielii este determinantă întrucât penetrarea nanoparticulelor în straturile pielii s-a observat doar pentru nano-TiO2 şi doar în stratul cornos al pielii sănătoase fără a ajunge la straturile profunde, cu afectare celulară; nu există un profil al difuziei cutanate şi se concluzionează că penetrarea NP are loc numai prin acţiune mecanică asupra pielii. Astfel calitatea pielii asigură funcţia de barieră pentru NP, dar melanocitele şi fibroblastele pot internaliza nano-TiO2 cu distrugere celulară consecutivă; penetrarea în foliculii piloşi este posibilă, iar diferenţierea keratinocitelor este modificată şi clearanceul se face prin descuamare şi excreţia de sebum.

Efectele pentru aparatul respirator

Deşi inhalarea este mai puţin probabilă pentru nanomaterialele fabricate (NM) în comparaţie cu particulele de praf ambientale sau minerale, acest lucru se poate întâmpla în timpul fabricării în vrac şi a manipulării la locul de muncă a NP liber dispersabile. Rezumând date recente [5] despre pericolele NP şi a CNT (nanotuburi de carbon), cu accent deosebit pe efectul toxic asupra plămânilor şi asupra culturii celulare de origine pulmonară, din cauza celei mai mari depuneri în zona alveolară, interacţiunile primare ale NM sunt cu macrofagele epiteliale şi alveolare (MA). Din datele limitate privind mecanismele celulare care stau la baza permeabilităţii epiteliului căilor respiratorii, se relevă că absorbţia NP prin căile respiratorii nu necesită mediere epitelială, sugerând mai degrabă implicarea unor mecanisme alternative cum ar fi diseminarea dependentă de MA. Relaţia dintre toxicitatea şi caracteristicile particulelor poate fi complexă, implicând dimensiunea, suprafaţa şi forma chimică. Unele NM acţionează conform unei paradigme de stres oxidativ, dar posibilele interacţiuni a NM cu sistemele biologice pot duce la forme suplimentare de vătămare.

În special, CNT, forme antropice de carbon cristalat, atrag în prezent eforturi intense de cercetare datorită proprietăților lor unice, care le fac potrivite pentru multe utilizări în biomedicină şi farmacologie. Deşi CNT stimulează producţia de citokine şi induce reacţii inflamatorii, ele se pot comporta şi ca fibre convenţionale, arătând capacitatea de a provoca granulom pulmonar şi reacţii fibrotice în experimentele pe animale.

NP sunt capabile să provoace stres oxidativ, generarea de specii reactive de oxigen (SRO), activarea NF-kappa B, dar unele dintre posibilele interacţiuni a NM cu sistemele biologice pot duce la forme suplimentare de vătămare: NP poate afecta fagocitoza, poate creşte sensibilitatea macrofagului la factorii chemotactici (MCP-1), agravând astfel inflamaţia mediată de antigen. Metalele NP (de exemplu, TiO2, Al2O3 și Fe3O4) pot afecta funcţia mitocondrială, conducând la o reducere dramatică a acumularii intracelulare de glutation, compromițând viabilitatea şi morfologia celulelor.

CNT-urile stimulează producţia de TNF-alfa în plămâni, determinând reacţii inflamatorii, dar pot trece şi prin membranele celulare, să reacţioneze cu ADN-ul şi resturile aminoacidice, conducând la apoptoza celulelor. CNT-urile mai mari ar putea avea caracteristici ale fibrelor convenţionale şi arată capacitatea de a stimula creşterea celulelor mezenchimale şi de a provoca formarea granuloamelor pulmonare şi reacţii fibrotice. Caracteristicile fizice unice (mărime, formă, cristalinitate, încărcare de suprafaţă) şi chimice (acoperire de suprafaţă, compoziţie elementară şi solubilitate) pot produce condiţii chimice pentru a induce un mediu pro-oxidant în celule, cauzând un sistem energetic celular dezechilibrat dependent de potenţialul redox şi conducând astfel la consecinţe biologice adverse, de la iniţierea căilor inflamatorii până la moartea celulelor.

Pentru a demonstra importanța „dimensiunii nano” un studiul [2,6] a fost conceput pentru a evalua interacţiunile celulare dependente de mărimea nanoparticulelor de argint cunoscute din punct de vedere biologic (NP: Ag-15 nm, Ag-30 nm şi Ag-55 nm) şi a inclus studiul macrofagelor alveolare pentru rolul lor potenţial în iniţierea stresului oxidativ. Expunerea celulelor a produs dimensiuni morfologice anormale şi modificări ale aderenţei cu absorbţie semnificativă de NP la doze mari, după 24 de ore. Au fost efectuate evaluări de toxicitate utilizând viabilitatea mitocondrială şi membrana celulară împreună cu speciile reactive de oxigen (ROS). În plus, activarea eliberării mediatorilor inflamatori tradiţionali a fost examinată prin măsurarea nivelurilor de citokine/chemokine, incluzând factorul de necroză tumorală (TNF-alfa), proteina inhibitoare de macrofage (MIP-2) şi interleukina-6 (IL-6) eliberată în mediile de cultură. După 24 ore de expunere la nanoparticule Ag-15 nm, un răspuns inflamator semnificativ a fost observat prin eliberarea TNF-alfa, MIP-2 şi IL-1beta. Totuşi, nu a existat un nivel detectabil de IL-6 la expunerea la nanoparticule de argint. În concluzie, o toxicitate dependentă de dimensiune a fost produsă de nanoparticule de argint şi s-a constatat că mecanismul de toxicitate a fost în mare măsură mediatizat prin stresul oxidativ. Aceste rezultate sugerează că NM sunt potenţial periculoase pentru oameni şi că ar trebui luate măsuri stricte de igienă industrială pentru a limita expunerea în timpul manipulării lor.

Supravegherea sănătăţii expuşilor la nanoparticule

Dilema este generată de percepţia crescută în societate privind riscurile generate de nanoparticule (NP/NM) şi rezultatele încă neclare ale studiilor de nanotoxicitate, întrucât există concluzii doar pentru unele NP (ex. argint, TiO2, CNT). În prezent, supravegherea sănătăţii lucrătorilor la locul de muncă se face în corelaţie cu natura chimică a expunerii la particule/substanţe (fişe 1 – 146 din HG 1169/2011 ce modifică şi completează HG 355/2007) fără a se putea individualiza teste clinice şi paraclinice specifice pentru dimensiuni ale particulelor sub 0,1 μm sau markeri biologici specifici pentru nanomateriale/particule. Provocările actuale pentru medicii de medicina muncii sunt reprezentate de punctele critice în conceperea şi administrarea unui program de supraveghere medicală periodică sau la angajare a lucrătorilor expuşi la NP, respectiv:

evaluarea riscului la locurile de muncă
identificarea organului ţintă al toxicităţii pentru fiecare nanomaterial
selectarea unor teste disponibile pentru screening pe efect (cutanat, pulmonar ş.a.)
stabilirea unor criterii de declanşare a acţiunii
standardizarea procesului de colectare a datelor (Registrul expunerii la NM – utilitatea instrumentului este în evaluare, el fiind eficient mai ales pentru noile riscuri sau percepţii de pericol la locul de muncă)
performanţa testelor
interpretarea rezultatelor testelor (relativa susţinere ştiinţifică a referenţialelor)
teste confirmate (specificitate, sensibilitate, valoare predictivă pozitivă)
statusul locului de muncă (în raport cu nanotehnologia)
notificarea
evaluarea diagnostică (absenţa unui „endpoint” = o boală care să fie încadrabilă ca profesională pentru un tip de NM)
evaluarea şi controlul expunerii (lucrător versus consumator)
stocarea înregistrărilor (structură, format, timp etc.).

Limitări pentru supravegherea medicală a lucrătorilor expuşi la nanoparticule

Criteriile pentru derularea unui screening medical al lucrătorilor expuşi la NM sunt:

stabilirea precisă că NP este un factor de risc profesional
boala profesională preventibilă este prezentă în populaţia activă spre a asigura justificarea unui screening de rutină. Susţinerea ştiinţifică [7] a acestor criterii nu este asigurată pentru NM în general întrucât riscul relativ, riscul atribuibil în populaţie, nu este susţinut de studiile epidemiologice; doar pentru nanotubuli de carbon (CNT) şi nanooxizi metalici se poate reţine recomandarea de a testa funcţia inhalatorie; caracteristicile fizico-chimice ale grupurilor de nanoparticule nu beneficiază de o susţinere ştiinţifică pentru a individualiza boala profesională ca un „endpoint” per categorie de expunere la NM. De ex. expunerea intratraheală la nanotubulii de carbon, prin efectul redox cu fibroză interstiţială progresivă ar justifica testarea markerilor stresului oxidativ sau a markerilor de inflamaţie, în varianta în care „endpointul” este boala pulmonară interstiţială iar capacitatea de difuziune a gazelor (CO) în pulmon ar fi investigaţia neinvazivă în acest caz. O diminuare semnificativă a capacităţii de difuziune a gazelor ar indica o scădere a schimbului alveolo-capilar a gazelor ceea ce ar fi apreciat ca un semn al stadiului pre-clinic al bolii. Dar această abordare nu se poate aplica pentru (SWCNT) nanotubuli de carbon cu un singur strat care nu au potențial redox şi fibroza interstiţială pulmonară nu survine prin mecanism oxidativ şi inflamator.

Un alt exemplu este expunerea ocupaţională la cadmiu care beneficiază de fişa nr.19 (HG 1169/2011) pentru supraveghere medicală medicina muncii pentru a preveni patologia determinată de toxicitatea pulmonară şi renală la depăşirea concentraţiilor reglementate pentru particule de Cd nonnano. Dar pentru nano-Cd, particule folosite în fabricarea „punctelor cuantice” cu utilizare în industria protectoarelor solare, nu există suficiente argumente ştiinţifice [7,9] care să declanşeze acţiunea de supraveghere medicală. Se poate utiliza abordarea precauţilor universale în aceste cazuri de incertitudine. Un alt comportament au nanooxizii metalici cum ar fi nano-TiO2, la care s-a observat că particulele ultrafine au un efect oxidativ şi inflamator mai mare comparativ cu particulele fine de TiO2; markerii (oxid nitros şi izoprostanes în aerul expirat sau markeri sangvini) [7,8] ai stresului oxidativ şi ai inflamaţiei sunt consideraţi indicatori de expunere internă sau răspuns; nano-TiO2 este inclus de I.A.R.C. [8] ca un posibil cancerigen. Examinarea la angajare ar fi de dorit chiar dacă nu există un risc imediat pentru sănătatea lucrătorului prin expunerea la NM/NP la locurile de muncă pentru a avea un status de comparaţie pentru eventuala apariţie ulterioară a simptomatologiei asociate expunerii la un NM specific; precizăm că nu există standard sau reglementare – fişă în HG 1169/2011 dedicată NM. Pentru examinarea medicală la angajare, dar mai ales pentru cea periodică se recomandă un algoritm de alegere a investigaţiilor şi markerilor corelat proprietăţilor fizicochimice ale NM, care are ca prim pas structura chimica a NM, urmat de dimensiune (nano) şi de ceilalți parametri (formă, sarcină electrică, grupări funcţionale, structură cristalină, solubilitate) care dau toxicitatea şi efectul potenţial (respirator, circulator, cutanat) chiar în absenţa unor reglementări care să precizeze care efect este cel mai critic (boala profesională respiratorie, cutanată etc.)

Supraveghere sănătăţii lucrătorilor se recomandă a fi ajustată atât cu rezultatele studiilor epidemilogice care stabilesc relaţia expunere NM – efecte adverse pentru sănătate, a studiilor de nanotoxicitate şi a cercetărilor prezente şi viitoare care elucidează care sunt „endpoints”- eventuale boli profesionale şi markerii biologici (moleculari) cu o sensibilitate, specificitate şi predictibilitate suficiente pentru a fi introduse în programele de screening medical.

Concluzie

Supravegherea sănătăţii lucrătorilor expuşi la nanoparticule la locul de muncă, în contextul cercetărilor dedicate [9] care sunt în desfăşurare şi extindere pe măsură ce nanotehnologia ocupă noi domenii, poate fi abordată într-o dinamică specifică, luând în considerare:

măsurile preventive pentru controlul expunerii la NM
supravegherea riscurilor şi pericolelor în funcţie de profesie, loc de muncă, proces tehnologic, a efectelor biologice, evoluţia profilului expunerii la NM în timp
abordări adaptate a supravegherii medicale cu o justă viziune asupra relevanţei testelor clinice şi markerilor biologici spre evitarea excesului de administrare a unor teste nespecifice pentru NP care pot genera efecte adverse (ex. iradiere nejustificată prin radiografie pulmonară, anxietate) cu impact economic adiţional.

Pentru ABONAMENTE și CREDITE DE SPECIALITATE click AICI!

Bibliografie:

www.omicsonline.org/.
Federal NanoEHS. Highlights of Recent Research on the Environmental, Health and Safety, Implication of Engineered Nanomaterials, U.S.A., 2016 (https://www.nano.gov/).
Som C., Wick P., Krug H., Norwack B. Environmental and health effects of nanomaterials in nanotextiles and facade coatings, 2016.
Kiss A.Z. & col. Quality of skin as a barrier to ultra-fine particles, NANODERM, Hungary, 2007.
Donaldson K. & col., Carbon nanotubes: a review of their properties in relation to pulmonary toxicology and workplace safety, Toxicol Sci, 2006.
Oţelea M.Genomic and Proteonic methods applied in nanoparticles studies; Revista Medicală Română LIX2, Ed. Medicală AMALTEA, 2012.
Nasterlack M., Zober A., Oberlinner C. Consideration on occupational medical surveillance in employees handling nanoparticles, Int. Occ. Environ.Health, 2007
I.A.R.C. Titanium dioxide, France, 2006.
Interim Guidance for Medical Screening and Hazard Surveillance for Workers Potentially Exposed to Engineered Nanoparticles, Current Intelligence Bulletin 60, NIOSH, 2009.