La nanotoxicología es el estudio de la toxicidad de los nanomateriales . [1] Debido a los efectos del tamaño cuántico y la gran relación entre el área de superficie y el 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, con estudios en animales que muestran efectos pulmonares como inflamación , fibrosis y carcinogenicidad para algunos nanomateriales. [2] El contacto con la piel y la exposición por ingestión también son una preocupación.
Los nanomateriales tienen al menos una dimensión primaria de menos de 100 nanómetros y, a menudo, tienen propiedades diferentes de las de sus componentes a granel que son tecnológicamente útiles. Debido a que la nanotecnología es un desarrollo reciente, los efectos sobre la salud y la seguridad de las exposiciones a los nanomateriales, y qué niveles de exposición pueden ser aceptables, aún no se comprenden completamente. [3] Las nanopartículas se pueden dividir en nanopartículas derivadas de la combustión (como el hollín diésel), nanopartículas fabricadas como los 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, el negro de carbono , los nanotubos de carbono y el buckminsterfullereno .
La nanotoxicología es una subespecialidad de la toxicología de partículas. Los nanomateriales parecen tener efectos tóxicos que son inusuales y no se observan en 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 que el cuerpo está diseñado para atacar partículas más grandes en lugar de las de escala nanométrica. [4] Por ejemplo, incluso los elementos inertes como el oro se vuelven altamente activos en dimensiones nanométricas . Los estudios nanotoxicológicos tienen como objetivo determinar si estas propiedades pueden representar una amenaza para el medio ambiente y los seres humanos y en qué medida. [5] Las nanopartículas tienen una relación área superficial a masa unitaria mucho mayor, lo que en algunos casos puede conducir a mayores efectos proinflamatorios en, por ejemplo, el tejido pulmonar. Además, algunas nanopartículas parecen ser capaces de translocarse desde su lugar de deposición 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. Pueden liberarse accidental o inadvertidamente de materiales implantados en tejido vivo. [6] [7] [8] Un estudio considera que la liberación de nanopartículas diseñadas en el aire en los lugares de trabajo y la exposición asociada de los trabajadores a partir de diversas actividades de producción y manipulación son muy probables. [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. La gran cantidad 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) basadas en metales son una clase destacada de NP sintetizadas por sus funciones como semiconductores , electroluminiscentes y materiales termoeléctricos . [12] Biomédicamente, estas NP antibacterianas se han utilizado en sistemas de administración de fármacos para acceder a áreas previamente inaccesibles para la medicina convencional. Con el reciente aumento en el interés y desarrollo de la nanotecnología , se han realizado muchos estudios para evaluar si las características únicas de estas NP, a saber, su gran relación área superficial a volumen, podrían afectar negativamente el entorno en el que se introdujeron. [13] Los investigadores han descubierto que algunas NP de metal y óxido de metal 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 la administración si no se diseñan cuidadosamente. [14]
Los últimos estudios toxicológicos realizados en ratones en 2013 que incluían exposición a nanotubos de carbono (CNT) mostraron un potencial inflamatorio pulmonar limitado de MWCNT a niveles correspondientes a las concentraciones promedio de carbono elemental inhalable observadas en instalaciones de CNT con sede en Estados Unidos. El estudio estimó que se necesitan muchos años de exposición para que se produzca una patología significativa. [15]
Una revisión concluye que la evidencia reunida desde el descubrimiento de los fulerenos apunta abrumadoramente a que el C 60 no es tóxico. Como sucede con el perfil de toxicidad con cualquier modificación química de una fracción estructural, los autores sugieren que las moléculas individuales se evalúen individualmente. [16]
Otras clases de nanomateriales incluyen polímeros como la nanocelulosa y los dendrímeros .
Existen 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 ellos 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 normalización ISO y ASTM, donde aglomeración significa partículas más débilmente unidas y agregación significa partículas muy fuertemente unidas o fusionadas (que normalmente ocurren durante la síntesis o el secado). Las nanopartículas se aglomeran con frecuencia debido a la alta fuerza iónica de los fluidos ambientales y biológicos, que protege la repulsión debido a las cargas en las nanopartículas. Desafortunadamente, la aglomeración se ha ignorado con frecuencia en los estudios de nanotoxicidad, aunque se esperaría que la aglomeración afecte la nanotoxicidad ya que cambia el tamaño, el área de superficie y las propiedades de sedimentación de las nanopartículas. Además, muchas nanopartículas se aglomerarán hasta cierto punto en el medio ambiente o en el cuerpo antes de alcanzar su objetivo, por lo que es deseable estudiar cómo la toxicidad se ve afectada por la aglomeración.
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 nanopartículas , en su aplicación, se cubren con capas y, en ocasiones, se les asignan cargas positivas o negativas según la función prevista. Los estudios han demostrado que estos factores externos afectan el grado de toxicidad de las nanopartículas.
La exposición por inhalación es la vía más común de exposición a partículas suspendidas 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 realizados 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 grado de polvo del material, la tendencia de las partículas a volverse aerotransportadas 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 . [ 19]
Los estudios realizados en animales indican que los nanotubos de carbono y las nanofibras de carbono pueden causar efectos pulmonares, como inflamación , granulomas y fibrosis pulmonar , que fueron de una potencia similar o mayor en comparación con otros materiales fibrogénicos conocidos , como sílice , amianto y negro de carbón ultrafino . Algunos estudios realizados en células o animales han demostrado efectos genotóxicos o cancerígenos , o efectos cardiovasculares sistémicos por exposición pulmonar. Aunque no se conoce en qué medida los datos obtenidos en animales pueden predecir efectos pulmonares clínicamente significativos en los trabajadores, la toxicidad observada en los estudios realizados en animales a corto plazo indica la necesidad de adoptar medidas de protección 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 trabajadores que utilizan o producen estos nanomateriales. [20] El polvo de dióxido de titanio (TiO 2 ) se considera un riesgo de tumor pulmonar , y las partículas ultrafinas (nanoescalares) tienen una mayor potencia basada en la 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 partícula y el área de superficie. [21]
Algunos estudios sugieren que los nanomateriales podrían potencialmente entrar al cuerpo a través de la piel intacta durante la exposición ocupacional. Los estudios han demostrado que las partículas menores de 1 μm de diámetro pueden penetrar en muestras de piel flexionada mecánicamente, y que las 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 resultaría en efectos adversos en modelos animales, aunque se ha demostrado que la aplicación tópica de SWCNT crudo a ratones desnudos causa irritación dérmica, y los estudios in vitro utilizando células cutáneas humanas primarias o cultivadas han demostrado que los nanotubos de carbono pueden entrar en las células y causar la liberación de citocinas proinflamatorias , estrés oxidativo y disminución de la viabilidad. Sin embargo, sigue sin estar claro cómo estos hallazgos pueden extrapolarse a un posible riesgo ocupacional. [18] [20] Además, las nanopartículas pueden ingresar al cuerpo a través de heridas y migrar hacia la sangre y los ganglios linfáticos. [22]
La ingestión puede ocurrir por la 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 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 necesita ser resuelta. El comportamiento de las nanopartículas es una función de su tamaño, forma y reactividad de la superficie con el tejido circundante. En principio, una gran cantidad de partículas podría sobrecargar los fagocitos del cuerpo , células que ingieren y destruyen materia extraña, desencadenando así reacciones de estrés que conducen a la inflamación y debilitan la defensa 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 corporales, otra preocupación es su potencial interacción o interferencia con los procesos biológicos dentro del cuerpo. Debido a su gran área de superficie , las nanopartículas, al exponerse a tejidos y fluidos, adsorberán inmediatamente en su superficie algunas de las macromoléculas que encuentran. Esto puede, por ejemplo, afectar los mecanismos reguladores de las enzimas y otras proteínas.
Los nanomateriales pueden atravesar membranas biológicas y acceder a células , tejidos y órganos a los que las partículas de mayor tamaño normalmente no pueden. [23] Los nanomateriales pueden acceder al torrente sanguíneo por inhalación [6] o ingestión. [7] La piel lesionada es una barrera ineficaz para las partículas, lo que sugiere que el acné, el eczema, 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 provoca un aumento del estrés oxidativo , la producción de citocinas inflamatorias y la muerte celular ) según su composición y concentración. [6]
Para algunos tipos de partículas , cuanto más pequeñas son, mayor es su relación área superficial a volumen y mayor es 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 los fulerenos de carbono , los nanotubos de carbono y los óxidos metálicos de nanopartículas. La producción de ROS y radicales libres es uno de los principales mecanismos de toxicidad de las nanopartículas; puede resultar en estrés oxidativo, inflamación y daño consecuente a proteínas, membranas y ADN. [11] Por ejemplo, la aplicación de óxido metálico de nanopartículas con campos magnéticos que modulan las ROS conduce a un mayor crecimiento tumoral. [2]
Un marcador primario de los efectos dañinos de las nanopartículas ha sido la viabilidad celular, determinada por el estado y la superficie expuesta de la membrana celular. En el caso del óxido de cobre, hasta el 60% de las células expuestas a nanopartículas metálicas se han vuelto inviables. Cuando se diluyen, los iones metálicos con carga positiva a menudo experimentan una atracción electrostática hacia la membrana celular de las células cercanas, cubriendo la membrana e impidiendo que penetren los combustibles y desechos necesarios. [12] Con menos membrana expuesta para el transporte y la comunicación, las células a menudo se vuelven inactivas.
Se ha descubierto que las NP inducen apoptosis en ciertas células principalmente debido al daño mitocondrial y al estrés oxidativo provocado por las reacciones electrostáticas de las NP extrañas. [12]
También se ha descubierto que las nanopartículas 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 dará como resultado células y colonias mutadas , como las que se encuentran 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 del tamaño y el estado de aglomeración, pueden cambiar a medida que se prepara y se utiliza un material en estudios toxicológicos, por lo que es importante medirlas en diferentes puntos del experimento. [17]
En comparación con los estudios toxicológicos más convencionales, en nanotoxicología la caracterización de los contaminantes potenciales es un desafío. Los sistemas biológicos en sí mismos aún no se conocen completamente a esta escala. Los métodos de visualización como la microscopía electrónica (SEM y TEM) y el análisis por microscopía de fuerza atómica (AFM) permiten visualizar el mundo nano. Los estudios nanotoxicológicos posteriores requerirán una caracterización precisa de las especificidades de un nanoelemento dado: tamaño, composición química, forma detallada, nivel de agregación, combinación con otros vectores, etc. Sobre todo, estas propiedades tendrían que determinarse no solo en el nanocomponente antes de su introducción en el entorno vivo, sino también en el entorno biológico (principalmente acuoso).
Existe una 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 insumo 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 del comité asesor de seguridad pertinente 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 hay una comprensión limitada de los riesgos para la salud y la seguridad humanas asociados con la nanotecnología. Mientras que la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de los Estados Unidos informa que alrededor del cuatro por ciento (unos 40 millones de dólares) se dedica a la investigación y el desarrollo relacionados con los riesgos, el Centro Woodrow Wilson estima que en realidad sólo se destinan unos 11 millones de dólares a la investigación relacionada con los riesgos. En 2007, argumentaron que sería necesario aumentar la financiación a un mínimo de 50 millones de dólares en los dos años siguientes para llenar las lagunas en el conocimiento en estas áreas. [25]
El potencial de exposición en el lugar de trabajo fue resaltado en el informe de 2004 de la Royal Society, que recomendó una revisión de las normas existentes para evaluar y controlar la exposición en el lugar de trabajo a nanopartículas y nanotubos. El informe expresó especial preocupación por la inhalación de grandes cantidades de nanopartículas por parte de los trabajadores que participan 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 la asbestosis . A la luz de estas 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]
