Таким чином, є підстави побоюватися генотоксичної дії наноматеріалів на організм людини і важких наслідків цього, у першу чергу канцерогенного ефекту. Можна припускати, що наноматеріали будуть більш активні при дії на генетичний апарат клітин у порівнянні з мікрочастинками.
Отже, нагальною потребою є створення системи оцінки генетичної безпеки наноматеріалів, основою якої може бути загальноприйнятий підхід до оцінки мутагенних властивостей хімічних сполук, найбільш детально розроблений для лікарських препаратів.
На підставі аналізу результатів досліджень по оцінці токсичності наноматеріалів у Додатку 2 представлені узагальнені дані щодо вивчення їх токсичних і патофізіологічних ефектів.
3. Безпека наноматеріалів
Система нанобезпеки, як це вже не одноразово відбувалося в історії людства, відстає на крок від впровадження наноматеріалів, проте залишається дуже важливою в умовах швидкого розповсюдження нанотехнологій у всьому світі, ймовірного впливу на людей безпосередньо або через виділення в навколишнє природне середовище (повітря, воду, ґрунт). Синтезовані наноматеріали здатні потрапити в навколишнє середовище різними шляхами. При виробництві, обробці та перевезенні, використанні або утилізації[18].
Оцінка безпеки наноматеріалів вимагає тісного співробітництва вчених різних галузей. Традиційно пов'язані з оцінкою безпеки науки - токсикологія, патологія, молекулярна і клітинна біологія, фармакокінетика і біохімія – повинні з'єднати зусилля з досвідченими матеріалознавцями і ученими інших галузей науки для забезпечення того, щоб дослідження щодо безпеки та біосумісності дали точні та зрозумілі (що можна інтерпретувати) результати для оцінки безпеки[19].
Зустріч біологічних систем з наноматеріалами не виключає катастрофічних змін перших. У цьому зв'язку глобальний нанотехнологічний проект повинен передбачити такі небезпеки і поставити під тотальний контроль генотоксикологічну оцінку продуктів, створюваних на базі маніпуляцій з атомами, молекулами, молекулярними системами. Інакше кажучи, фахівці, що займаються проблемами нанотехнологій, повинні добиватися строгого вивчення ефектів наночастинок на генетичні та біологічні системи. З поглядів фундаментальної мутаційної генетики, нанотехнології, зберігаючи вірність принципу міждисциплінарності, будуть зобов'язані вивчити питання про те, які варіанти розвитку можливі після того, як наночастинки досягнуть апарату спадковості. Дуже може бути, що у випадку інтеграції наночастинок у хромосомні матриці їхній вплив на процеси мутагенезу виявиться катастрофічним. У цілому ж результати досліджень структурно-функціональних наслідків дії наночастинок на гени, хромосоми, білки, ферменти і органели в клітині, а також інтерпретація і теоретичний аналіз цих результатів відкриють нову сторінку в біології і генетиці, стануть самостійним тематичним розділом в нанонауці та сінергетиці, розділом дуже важливим і цікавим[20].
Вивчення властивостей наночастинок та їхнього наступного впливу на біологічні структури можливе за двома основними напрямами: мікроскопічному і термодинамічному. При використанні першого підходу вивчення особливостей поведінки нанооб’єктів здійснюється від одиничних атомів або молекул речовини до гігантських наноструктур, щодо яких можуть застосовуватися усі наближення з фізики твердого тіла. Другий напрям має зворотний підхід, коли від макроскопічного об'єкта переходять до нанокластерів за рахунок дроблення або наноструктурування.
Застосування термодинамічного підходу до вивчення властивостей нанокластерів дозволяє встановити закономірності зміни їх властивостей у процесі фазового переходу. Крім того, необхідно оцінити можливість синергетичного впливу наночастинок із токсичними забруднювачами, що також може впливати на біооб'екти.
Дослідження фундаментальних властивостей нанооб'ектів необхідно проводити з урахуванням спрямованості протікання електромагнітних процесів, що мають місце в електрично-активних сполучених структурах, до яких відносяться і наночастинки.
Спільний аналіз електрофізичних, фізико-хімічних і хімічних процесів, що протікають у водному середовищі та біологічних рідинах у присутності наночастинок, дозволить виявити механізм їхньої дії на біооб'екти і оцінити можливості проявлення нанотоксичного впливу на організм[21].
Класифікація наночастинок може бути побудована, по-перше, на характеристиці їхньої форми. У цьому випадку розрізняють точечні наночастинки (з розміром менше 100нм у будь-якому вимірі), лінійні (протяжливі) об'єкти, такі як нанотрубки вуглецю, нановолокна, нанонитки, нанофіламенти, що характеризуються одним протяжним макроскопічним виміром (довжиною), двовимірні об'єкти (плівки нанометрової товщини) і, нарешті, тривимірні об'єкти з тонкою (фрактальною) структурою в нанометровому діапазоні (нанопен), нанокомпозити та ін. Другий тип класифікації заснований на хімічному складі й включає наночастинки вуглецю (фулерени, нанотрубки, графен), наночастинки елементарних (простих) речовин, бінарних сполук (окислів, сульфідів, нітридів та ін.), складних (потрійних і більше) хімічних сполук, наночастинки органічних полімерів і біологічних макромолекул. Третій тип класифікації заснований на підході отримання речовин у наноформі. Це, по-перше, "спадний" шлях, тобто отримання наночастинок шляхом процесу надтонкого розмільчіння речовини у формі суцільних фаз або макродисперсій. По-друге, це "висхідний" шлях, що полягає у молекулярній конденсації наночастинок із розчинів або з газової фази, насиченої парами речовин під впливом електричного розряду, лазерного випромінювання, високотемпературної плазми та ін.
Так як наноматеріали можуть володіти зовсім іншими фізико-хімічними властивостями та біологічною (у тому числі токсичним) дією, ніж речовини у звичайному фізико-хімічному стані, тому вони повинні у всіх випадках бути віднесені до нових видів матеріалів і продукції, характеристика потенційного ризику яких для здоров'я людини і стану середовища перебування у всіх випадках є обов'язковою.
При оцінці безпеки наноматеріалів у першу чергу варто враховувати їхній вплив на такі найважливіші біологічні характеристики, як проникність біомембран, генотоксичність, активність окислювально-відновних процесів, включаючи перекісне окислювання ліпідів, біотрансформація і елімінація з організму[22].
Існуюча сьогодні методологія оцінки ризику ґрунтується на повній токсикологічній оцінці кожної конкретної речовини, визначенні залежності "доза-ефект", даних про зміст речовини в об'єктах навколишнього середовища і харчових продуктів, розрахунку навантаження на населення, що дозволяє розрахувати наявні ризики. Однак для наноматеріалів у зв'язку з особливостями їхньої будови і поведінки дана методологія може бути застосована обмежено (або незастосовна) у зв'язку з наступними причинами:
- токсичність наночастинок не може бути виведена в порівнянні з аналогами в макродисперсній формі або у вигляді суцільних фаз, тому що токсикологічні властивості наноматеріалів є результатом не тільки їхнього хімічного складу, але й розмаїтості їхніх інших особливостей, таких як поверхневі характеристики, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність та ін;
- наявні токсикологічні методології засновані на визначенні токсичності речовини щодо масової концентрації, що не прийнятно для наноматеріалів, для яких основними визначальними властивостями можуть бути величина площі поверхні або наночастинки;
- відсутні стандартизовані індикатори нанотоксичності, які повинні обов'язково враховувати внесок таких характеристик, як поверхневі властивості, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність складових їхніх часток;
- відсутні надійні дані про органи-мішені дії конкретних наноматеріалів;
- методи виявлення, ідентифікації й кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біосередовищах, які могли б вірогідно відрізнити їх від хімічних аналогів у макродисперсній формі, недостатньо розроблені;
- відсутні або недоступні нові бази даних і математичні моделі, що опираються на досягнення біоінформатики і на експериментальні дані по токсичності окремих наноматеріалів.
Незважаючи на те, що наноматеріали використаються досить тривалий час, жоден вид не був вивчений у повному об'ємі безпеки. Фактично, безпеки наноматеріалів не дозволяють точно оцінити їхні потенційні ризики.
Одним з основних питань є наявність високочутливих методів виявлення, ідентифікації і кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біологічних середовищах. При цьому повинні використовуватися методи оцінки, які характеризуються специфічністю, що дозволяє, і це дуже важливо, відрізнити наноматеріали від їхніх хімічних аналогів у вигляді суцільних фаз або макроскопічних дисперсій. Перелік використовуваних методів представлений у Додатку 3.
Визначальним моментом в оцінці ризику є встановлення можливої токсичності наноматеріалів. Наявна сьогодні незначна кількість досліджень у цьому напрямку вказує на те, що наноматеріали можуть бути токсичними, тоді як їхній еквівалент у звичайній формі в цій же концентрації безпечний. Показано, що навіть однократна інгаляція вуглецевих нанотрубок і наночастинок деяких інших типів викликає в експериментальних тварин запальний процес у легеневій тканині з наступним некрозом кліток і розвитком фіброзу, що, можливо, здатне привести до канцерогенезу. Наноматеріали характеризуються нейротоксичністю, у тому числі, здебільшого, за рахунок проходження через гематоенцефалічний бар'єр, викликаючи окисний стрес в клітинах мозку; кардіотоксичність і гепатотоксичність наноматеріалів також визначається розвитком окисного стресу і запальної реакції, що призводить до апоптозу і некрозу клітин; є окремі відомості, що наночастинки можуть несприятливо впливати на систему згортання крові.