La nanotoxicología es el estudio de la toxicidad de los nanomateriales . [1] Debido a los efectos del tamaño cuántico y la gran relación entre área de superficie y volumen, los nanomateriales tienen propiedades únicas en comparación con sus contrapartes más grandes que afectan su toxicidad. De los posibles peligros, la exposición por inhalación parece presentar la mayor preocupación; estudios en animales muestran efectos pulmonares como inflamación , fibrosis y carcinogenicidad para algunos nanomateriales. [2] El contacto con la piel y la exposición por ingestión también son motivo de preocupación.
Los nanomateriales tienen al menos una dimensión primaria de menos de 100 nanómetros y, a menudo, tienen propiedades diferentes a las de sus componentes principales que son tecnológicamente útiles. Debido a que la nanotecnología es un desarrollo reciente, aún no se comprenden completamente los efectos de la exposición a nanomateriales sobre la salud y la seguridad, ni qué niveles de exposición pueden ser aceptables. [3] Las nanopartículas se pueden dividir en nanopartículas derivadas de la combustión (como el hollín diésel), nanopartículas fabricadas como nanotubos de carbono y nanopartículas naturales de erupciones volcánicas, química atmosférica, etc. Las nanopartículas típicas que se han estudiado son el dióxido de titanio , la alúmina, el óxido de zinc, negro de carbón , nanotubos de carbono y buckminsterfullereno .
La nanotoxicología es una subespecialidad de la toxicología de partículas. Los nanomateriales parecen tener efectos de toxicidad que son inusuales y no se ven con partículas más grandes, y estas partículas más pequeñas pueden representar una mayor amenaza para el cuerpo humano debido a su capacidad de moverse con un nivel mucho mayor de libertad mientras el cuerpo está diseñado para atacar. partículas más grandes que las de nanoescala. [4] Por ejemplo, incluso elementos inertes como el oro se vuelven muy activos en dimensiones nanométricas . Los estudios nanotoxicológicos tienen como objetivo determinar si estas propiedades pueden representar una amenaza para el medio ambiente y para los seres humanos y en qué medida. [5] Las nanopartículas tienen relaciones de superficie a unidad de masa mucho mayores, lo que en algunos casos puede conducir a mayores efectos proinflamatorios en, por ejemplo, el tejido pulmonar. Además, algunas nanopartículas parecen poder trasladarse desde su lugar de depósito a sitios distantes como la sangre y el cerebro.
Las nanopartículas pueden inhalarse, tragarse, absorberse a través de la piel e inyectarse deliberada o accidentalmente durante procedimientos médicos. Podrían liberarse accidental o inadvertidamente de materiales implantados en tejido vivo. [6] [7] [8] Un estudio considera muy probable la liberación de nanopartículas diseñadas en el aire en los lugares de trabajo y la exposición asociada de los trabajadores a diversas actividades de producción y manipulación. [9]
El tamaño es un factor clave para determinar la toxicidad potencial de una partícula. [10] Sin embargo, no es el único factor importante. Otras propiedades de los nanomateriales que influyen en la toxicidad incluyen: composición química, forma, estructura superficial, carga superficial, agregación y solubilidad, [11] y la presencia o ausencia de grupos funcionales de otras sustancias químicas. El gran número de variables que influyen en la toxicidad significa que es difícil generalizar sobre los riesgos para la salud asociados con la exposición a los nanomateriales: cada nuevo nanomaterial debe evaluarse individualmente y deben tenerse en cuenta todas las propiedades del material.
Las nanopartículas (NP) de base metálica son una clase destacada de NP sintetizadas para sus funciones como semiconductores , electroluminiscentes y materiales termoeléctricos . [12] Biomédicamente, estas NP antibacterianas se han utilizado en sistemas de administración de medicamentos para acceder a áreas que antes eran inaccesibles a la medicina convencional. Con el reciente aumento en el interés y el desarrollo de la nanotecnología , se han realizado muchos estudios para evaluar si las características únicas de estas NP, es decir, su gran relación entre superficie y volumen, podrían afectar negativamente el entorno en el que fueron introducidas. [13] Los investigadores han descubierto que algunas NP de metales y óxidos metálicos pueden afectar a las células induciendo rotura y oxidación del ADN, mutaciones, viabilidad celular reducida, morfología deformada, apoptosis y necrosis inducidas y disminución de la proliferación. [12] Además, las nanopartículas metálicas pueden persistir en los organismos después de su administración si no se diseñan cuidadosamente. [14]
Los últimos estudios de toxicología en ratones realizados en 2013 que involucraron la exposición a nanotubos de carbono (CNT) mostraron un potencial inflamatorio pulmonar limitado de MWCNT en niveles correspondientes a las concentraciones promedio de carbono elemental inhalable observadas en las instalaciones de CNT con sede en EE. UU. El estudio estimó que son necesarios años considerables de exposición para que se produzca una patología significativa. [15]
Una revisión concluye que la evidencia reunida desde el descubrimiento de los fullerenos apunta abrumadoramente a que el C 60 no es tóxico. Como es el caso del perfil de toxicidad con cualquier modificación química de un resto estructural, los autores sugieren que las moléculas individuales se evalúen individualmente. [dieciséis]
Otras clases de nanomateriales incluyen polímeros como la nanocelulosa y los dendrímeros .
Hay muchas formas en que el tamaño puede afectar la toxicidad de una nanopartícula. Por ejemplo, partículas de diferentes tamaños pueden depositarse en diferentes lugares de los pulmones y se eliminan de los pulmones a diferentes velocidades. El tamaño también puede afectar la reactividad de las partículas y el mecanismo específico por el cual son tóxicas. [17]
Muchas nanopartículas se aglomeran o agregan cuando se colocan en fluidos ambientales o biológicos. Los términos aglomeración y agregación tienen definiciones distintas según las organizaciones de estándares ISO y ASTM, donde aglomeración significa partículas unidas más débilmente y agregación significa partículas muy fuertemente unidas o fusionadas (que generalmente ocurren durante la síntesis o el secado). Las nanopartículas frecuentemente se aglomeran debido a la alta fuerza iónica de los fluidos ambientales y biológicos, lo que protege la repulsión debida a las cargas de las nanopartículas. Desafortunadamente, la aglomeración ha sido frecuentemente ignorada en los estudios de nanotoxicidad, aunque se esperaría que afectara la nanotoxicidad ya que cambia el tamaño, el área de superficie y las propiedades de sedimentación de las nanopartículas. Además, muchas nanopartículas se aglomeran hasta cierto punto en el medio ambiente o en el cuerpo antes de alcanzar su objetivo, por lo que es deseable estudiar cómo la aglomeración afecta la toxicidad.
Los potenciales de aglomeración/desaglomeración (estabilidad mecánica) de los grupos de nanopartículas diseñadas en el aire también tienen influencias significativas en sus perfiles de distribución de tamaño en el punto final de sus rutas de transporte ambiental. Se han establecido diferentes sistemas de aerosolización y desaglomeración para probar la estabilidad de los aglomerados de nanopartículas.
Las NP , en su implementación, se cubren con recubrimientos y, a veces, se les dan cargas positivas o negativas según la función prevista. Los estudios han encontrado que estos factores externos afectan el grado de toxicidad de las NP.
La exposición por inhalación es la ruta más común de exposición a partículas en el aire en el lugar de trabajo. La deposición de nanopartículas en el tracto respiratorio está determinada por la forma y el tamaño de las partículas o sus aglomerados, y se depositan en los pulmones en mayor medida que las partículas respirables más grandes. Según estudios en animales , las nanopartículas pueden ingresar al torrente sanguíneo desde los pulmones y trasladarse a otros órganos, incluido el cerebro. [18] El riesgo de inhalación se ve afectado por el polvo del material, la tendencia de las partículas a transportarse por el aire en respuesta a un estímulo. La generación de polvo se ve afectada por la forma, el tamaño, la densidad aparente y las fuerzas electrostáticas inherentes de las partículas, y si el nanomaterial es un polvo seco o está incorporado en una suspensión líquida o en suspensión . [19]
Los estudios en animales indican que los nanotubos y las nanofibras de carbono pueden causar efectos pulmonares que incluyen inflamación , granulomas y fibrosis pulmonar , que eran de potencia similar o mayor en comparación con otros materiales fibrogénicos conocidos como la sílice , el asbesto y el negro de humo ultrafino . Algunos estudios en células o animales han demostrado efectos genotóxicos o cancerígenos , o efectos cardiovasculares sistémicos por exposición pulmonar. Aunque se desconoce hasta qué punto los datos en animales pueden predecir efectos pulmonares clínicamente significativos en los trabajadores, la toxicidad observada en los estudios en animales a corto plazo indica la necesidad de tomar medidas protectoras para los trabajadores expuestos a estos nanomateriales. A partir de 2013, se necesitaban más investigaciones en estudios a largo plazo en animales y estudios epidemiológicos en trabajadores. Hasta 2013 no se conocían informes de efectos adversos reales para la salud en los trabajadores que usaban o producían estos nanomateriales. [20] El polvo de dióxido de titanio (TiO 2 ) se considera un riesgo de tumor pulmonar , y las partículas ultrafinas (a nanoescala) tienen una mayor potencia basada en masa. en relación con el TiO 2 fino , a través de un mecanismo de genotoxicidad secundario que no es específico del TiO 2 sino que está relacionado principalmente con el tamaño de las partículas y el área de superficie. [21]
Algunos estudios sugieren que los nanomateriales podrían potencialmente ingresar al cuerpo a través de la piel intacta durante la exposición ocupacional. Los estudios han demostrado que partículas de menos de 1 μm de diámetro pueden penetrar en muestras de piel flexionadas mecánicamente, y que nanopartículas con diferentes propiedades fisicoquímicas pudieron penetrar la piel intacta de los cerdos. Factores como el tamaño, la forma, la solubilidad en agua y el recubrimiento de la superficie afectan directamente el potencial de una nanopartícula para penetrar la piel. En este momento, no se sabe completamente si la penetración de nanopartículas en la piel daría lugar a efectos adversos en modelos animales, aunque se ha demostrado que la aplicación tópica de SWCNT crudo a ratones desnudos causa irritación dérmica y estudios in vitro utilizando piel humana primaria o cultivada. Las células han demostrado que los nanotubos de carbono pueden ingresar a las células y provocar la liberación de citoquinas proinflamatorias , estrés oxidativo y disminución de la viabilidad. Sin embargo, aún no está claro cómo se pueden extrapolar estos hallazgos a un riesgo ocupacional potencial. [18] [20] Además, las nanopartículas pueden ingresar al cuerpo a través de heridas, y las partículas migran hacia la sangre y los ganglios linfáticos. [22]
La ingestión puede ocurrir por transferencia involuntaria de materiales de la mano a la boca; Se ha descubierto que esto sucede con los materiales tradicionales, y es científicamente razonable suponer que también podría suceder durante la manipulación de nanomateriales. La ingestión también puede acompañar a la exposición por inhalación porque las partículas que se eliminan del tracto respiratorio a través de la escalera mecánica mucociliar pueden tragarse. [18]
El tamaño extremadamente pequeño de los nanomateriales también significa que entran mucho más fácilmente en el cuerpo humano que las partículas de mayor tamaño. Cómo se comportan estas nanopartículas dentro del cuerpo sigue siendo una cuestión importante que debe resolverse. El comportamiento de las nanopartículas es función de su tamaño, forma y reactividad superficial con el tejido circundante. En principio, una gran cantidad de partículas podría sobrecargar los fagocitos del cuerpo , células que ingieren y destruyen materias extrañas, desencadenando así reacciones de estrés que conducen a la inflamación y debilitan las defensas del cuerpo contra otros patógenos . Además de las preguntas sobre qué sucede si las nanopartículas no degradables o lentamente degradables se acumulan en los órganos del cuerpo, otra preocupación es su posible interacción o interferencia con los procesos biológicos dentro del cuerpo. Debido a su gran superficie , las nanopartículas, al exponerse a tejidos y fluidos, adsorberán inmediatamente en su superficie algunas de las macromoléculas que encuentren. Esto puede, por ejemplo, afectar los mecanismos reguladores de enzimas y otras proteínas.
Los nanomateriales pueden atravesar membranas biológicas y acceder a células , tejidos y órganos que las partículas de mayor tamaño normalmente no pueden. [23] Los nanomateriales pueden acceder al torrente sanguíneo mediante inhalación [6] o ingestión. [7] La piel rota es una barrera contra partículas ineficaz, lo que sugiere que el acné, el eccema, las heridas por afeitado o las quemaduras solares graves pueden acelerar la absorción de nanomateriales por la piel. Luego, una vez en el torrente sanguíneo, los nanomateriales pueden transportarse por todo el cuerpo y ser absorbidos por órganos y tejidos, incluidos el cerebro , el corazón, el hígado, los riñones, el bazo , la médula ósea y el sistema nervioso . [8] Los nanomateriales pueden ser tóxicos para los tejidos humanos y los cultivos celulares (lo que resulta en un aumento del estrés oxidativo , la producción de citoquinas inflamatorias y la muerte celular ) dependiendo de su composición y concentración. [6]
Para algunos tipos de partículas , cuanto más pequeñas son, mayor es su relación superficie-volumen y mayor su reactividad química y actividad biológica. La mayor reactividad química de los nanomateriales puede resultar en una mayor producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), incluidos los radicales libres . La producción de ROS se ha encontrado en una amplia gama de nanomateriales, incluidos fullerenos de carbono , nanotubos de carbono y óxidos metálicos en nanopartículas. La producción de ROS y radicales libres es uno de los principales mecanismos de toxicidad de las nanopartículas; puede provocar estrés oxidativo, inflamación y el consiguiente daño a las proteínas, las membranas y el ADN. [11] Por ejemplo, la aplicación de nanopartículas de óxido metálico con campos magnéticos que modulan las ROS y conducen a un mayor crecimiento tumoral. [2]
Un marcador principal de los efectos dañinos de las NP ha sido la viabilidad celular determinada por el estado y la superficie expuesta de la membrana celular. En el caso del óxido de cobre, las células expuestas a NP metálicas han visto hasta un 60% de sus células inviables. Cuando se diluyen, los iones metálicos cargados positivamente a menudo experimentan una atracción electrostática hacia la membrana celular de las células cercanas, cubriendo la membrana e impidiendo que penetre los combustibles y desechos necesarios. [12] Con una membrana menos expuesta para el transporte y la comunicación, las células a menudo quedan inactivas.
Se ha descubierto que las NP inducen la apoptosis en ciertas células debido principalmente al daño mitocondrial y al estrés oxidativo provocado por las reacciones electrostáticas de las NP extrañas. [12]
También se ha descubierto que las NP de metales y óxidos metálicos como plata, zinc, óxido de cobre, uraninita y óxido de cobalto causan daños en el ADN . [12] El daño causado al ADN a menudo resultará en células y colonias mutadas , como se encuentra con la prueba genética HPRT .
La caracterización de las propiedades físicas y químicas de un nanomaterial es importante para garantizar la reproducibilidad de los estudios toxicológicos y también es vital para estudiar cómo las propiedades de los nanomateriales determinan sus efectos biológicos. [24] Las propiedades de un nanomaterial, como la distribución de tamaño y el estado de aglomeración, pueden cambiar a medida que un material se prepara y se utiliza en estudios de toxicología, por lo que es importante medirlas en diferentes puntos del experimento. [17]
En comparación con los estudios de toxicología más convencionales, en nanotoxicología, la caracterización de los contaminantes potenciales es un desafío. Los propios sistemas biológicos todavía no se conocen completamente a esta escala. Los métodos de visualización como el análisis de microscopía electrónica (SEM y TEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) permiten la visualización del nanomundo. Otros estudios de nanotoxicología requerirán una caracterización precisa de las especificidades de un nanoelemento determinado: tamaño, composición química, forma detallada, nivel de agregación, combinación con otros vectores, etc. Sobre todo, estas propiedades tendrían que determinarse no sólo sobre el nanocomponente antes de su introducción en el entorno vivo, pero también en el entorno biológico (principalmente acuoso).
Existe la necesidad de nuevas metodologías para evaluar rápidamente la presencia y reactividad de nanopartículas en muestras comerciales, ambientales y biológicas, ya que las técnicas de detección actuales requieren instrumentación analítica costosa y compleja.
Los estudios toxicológicos de nanomateriales son un aporte clave para determinar los límites de exposición ocupacional .
La Royal Society identifica el potencial de las nanopartículas para penetrar la piel y recomienda que el uso de nanopartículas en cosméticos esté condicionado a una evaluación favorable por parte del comité asesor de seguridad correspondiente de la Comisión Europea .
El Proyecto sobre Tecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson concluye que no hay fondos suficientes para la investigación sobre la salud y la seguridad humanas y, como resultado, actualmente existe una comprensión limitada de los riesgos para la salud y la seguridad humana asociados con la nanotecnología. Mientras que la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de EE.UU. informa que alrededor del cuatro por ciento (alrededor de 40 millones de dólares) se dedica a la investigación y el desarrollo relacionados con el riesgo, el Centro Woodrow Wilson estima que sólo alrededor de 11 millones de dólares se destinan realmente a la investigación relacionada con el riesgo. En 2007 argumentaron que sería necesario aumentar la financiación a un mínimo de 50 millones de dólares en los dos años siguientes para llenar los vacíos de conocimiento en estas áreas. [25]
El potencial de exposición en el lugar de trabajo fue destacado en el informe de la Royal Society de 2004, que recomendó una revisión de las regulaciones existentes para evaluar y controlar la exposición en el lugar de trabajo a nanopartículas y nanotubos. El informe expresa especial preocupación por la inhalación de grandes cantidades de nanopartículas por parte de los trabajadores involucrados en el proceso de fabricación. [26]
Las partes interesadas preocupadas por la falta de un marco regulatorio para evaluar y controlar los riesgos asociados con la liberación de nanopartículas y nanotubos han establecido paralelismos con la encefalopatía espongiforme bovina ('enfermedad de las vacas locas'), la talidomida , los alimentos genéticamente modificados , la energía nuclear, las tecnologías reproductivas, la biotecnología. y asbestosis . A la luz de tales preocupaciones, el Grupo ETC , con sede en Canadá , ha pedido una moratoria sobre la investigación relacionada con la nanotecnología hasta que se desarrollen marcos regulatorios integrales que garanticen la seguridad en el lugar de trabajo. [27]
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