БЕЗОПАСНОСТЬ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
С начала XXI века наблюдается повышенный интерес к разработке разных наноструктурированных технических материалов, медико-фармакологических препаратов и веществ, обладающих уникальными физико-химическими и медико-биологическими свойствами. В связи с этим в мире внимание многих исследователей сосредоточено на изучении системных, органных, клеточных и субклеточных эффектов действия наноматериалов на живые системы, на определении их безопасности для здоровья человека, как при использовании в медицине и в быту, так и при производстве в заводских условиях. Особую настороженность вызывает возможное негативное влияние наночастиц (НЧ) из нерастворимых материалов, например, металлов на здоровье рабочих на участках, где происходит непосредственный производственный контакт людей с НЧ. Еще 15-20 лет назад полностью отсутствовали данные о том, какие возможные профзаболевания могут подстерегать таких рабочих, какими способами и средствами можно их выявлять, какие необходимы дополнительные меры по снижению рисков развития профзаболеваний и инвалидизации рабочих на таких предприятиях. Не было никаких официальных норм ПДУ и ПДК для НЧ и наноструктурированных материалов. Не было даже сколько-нибудь научно обоснованных (не говоря уже о стандартизованных) специализированных методик по изучению биологической опасности НЧ. Соответственно, постановка научных исследований по изучению биобезопасности НЧ, по разработке методов оценки токсичности наноматериалов, была весьма актуальна и перспективна на момент создания лаборатории.
Лаборатория медико-физических исследований в 2009 г. сразу приступила к этим работам. Был подготовлен научный обзор по проблеме, сформулированы задачи, пути и возможные методы их решений (см. статью в журнале "Альманах клинической медицины", №22, 2010, с.10-17 здесь (PDF, 1410K)). Было принято решение сосредоточить основные усилия лаборатории на изучение возможного негативного влияния НЧ металлов на мозг и поведение человека и животных, в том числе и по причине того, что тема мозга и когнитивных функций мозга тесно перекликается с темой по интеллектуальной робототехнике. Сразу в 2009-2010 гг. в лаборатории были инициированы и проведены и первые пилотные экспериментальные исследования по изучению негативного влияния НЧ серебра (коллоидный раствор чистых, без покрытия, НЧ Ag) на молодых лабораторных животных (белые мыши) при ежедневном пероральном введении НЧ с питьевой водой. Вопреки ряду литературных данных нами не было обнаружено никакого серьезного токсического действия НЧ серебра на белых мышей молодого возраста в течение месяца ежедневного приема коллоидного раствора НЧ в предельных концентрациях до 100 мг/л вместо питьевой воды (большей концентрации трудно достичь из-за агрегации и оседания НЧ в растворе). Отслежены два поколения потомства от мышей, употреблявших НЧ, без видимых дефектов их рождения и развития. Подробнее - см. статью здесь (PDF, 430K). Не было обнаружено также никакого ни антимикробного, ни бактериостатического действия коллоидного раствора НЧ серебра на культуры золотистого стафилококка (S.aureus 209P), кишечной палочки (E.coli 26941) и другие микроорганизмы. Эти исследования проводились совместно с лабораторией микробиологии МОНИКИ и было показано, что, в силу низкой растворимости серебра в воде, нет никаких химических механизмов антибактериального действия НЧ чистого серебра. Антибактериальные свойства чистого серебра и НЧ серебра - это миф. Подробнее - см. "Химия и жизнь" №10, 2012 здесь (PDF, 372K). Действие могут оказывать только ионы серебра в растворе. В то же время, для взрослых мышей сопоставимого возраста со средним возрастом рабочего на производстве (46-48 лет), определенное токсическое действие НЧ серебра зафиксировано было (см. "Нанотехника" №1, 2013 здесь PDF, 660K). Это говорит о том, что в целях профпатологии исследования необходимо проводить на животных среднего и пожилого возраста, для которых защитные силы организма уже снижены.
В 2012-2020 гг. исследования по безопасности продолжались с использованием НЧ серебра, диоксида титана, церия, золота и других металлов совместно с МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЦ "Курчатовский институт" и Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ, г.Дубна). Результаты по диоксиду титана опубликованы в журнале "Нанотехника" №2, 2012 - см. здесь (PDF, 560K). Материалы по золоту опубликованы в журнале "Нанотехника" №3, 2014 - см. здесь (PDF, 560K). Была обнаружена сильная кардиотоксичность НЧ золота. Для НЧ серебра совместно с НИЦ "Курчатовский институт" обнаружено их проникновение в мозг лабораторных животных и, видимо, впервые в мире измерены количественные параметры этого проникновения, накопления и выведения (см. статью в журнале "Российские нанотехнологии" здесь (PDF, 362K)). В связи с этим далее все работы были сконцентрированы на изучении когнитивных дисфункций у животных при хроническом потреблении НЧ с их контролируемым проникновением в мозг через гематоэнцефалический барьер. Эти когнитивные эксперименты проводились в лаборатории с использованием водного лабиринта Морриса и авторских методик отбора и тренировки животных (см. статью по методикам здесь (PDF, 215K)). Исследования были поддержаны грантами РФФИ №15-32-20429_мол_а_вед и №19-015-00145а. Однако все наши результаты говорили, скорее, об отсутствии серьезных дисфункций мозга у лабораторных животных и их потомства при хроническом потреблении НЧ, чем о нарушении когнитивных функций. Нарушения были обнаружены, но они не были столь явно выражены как первоначально ожидалось.
В целом, за 10 лет исследований мы для себя сделали следующие выводы (см. финальную нашу статью здесь (PDF, 402K)):
- Чем токсичнее сам материал НЧ, тем токсичнее из него НЧ. Инертные металлы, такие как золото или серебро, - наименее токсичны.
- Когнитивные нарушения у животных могут быть выявлены только в группе "способных" особей, для чего необходимы методики отбора животных в группы по уровню их "интеллекта".
- В количествах перорального потребления НЧ, которые можно себе реально представить в быту и/или на производстве, случайного потребления или даже разово умышленного, влияние НЧ на мозг и когнитивные способности здорового взрослого человека минимально, если не отсутствует вообще.
- Более выражен эффект влияния НЧ на вновь рожденное потомство и на пожилых животных.
- Что сильнее действует на организм и когнитивные способности животных - сами НЧ или материал защитного покрытия НЧ - остается не до конца понятным.
Исследования, конечно, принесли и неожиданные для нас новые фундаментальные результаты:
1) Не исключено, что относительная масса мозга мышей и крыс по отношению к массе тела тем выше, чем выше когнитивные способности этих животных, проявленные в тесте Морриса. Это может служить дополнительным объективным критерием правильности селекции животных в группы по уровню когнитивных способностей по результатам выполнения теста Морриса (см. статью здесь (PDF, 434K)).
2) Память о прохождении водного лабиринта у животных сохраняется надолго, видимо - на всю жизнь.
3) НЧ диаметром менее 50 нм даже при пероральном потреблении легко попадают в кровь, разносятся по организму, преодолевают гематоэнцефалический барьер и накапливаются в нейрональных тканях мозга. При этом, их выведение из мозга назад затруднено.
4) НЧ серебра, накопленные в организме самок и/или самцов, могут, возможно, способствовать рождению однояйцевых близнецов. См. нашу статью здесь (PDF, 454K). НЧ диаметром менее 50 нм легко преодолевают, видимо, и плацентарный барьер, и попадают в потомство. В потомстве также в нейрональных тканях мозга обнаруживаются НЧ серебра, хотя возможен их путь попадания в потомство и с молоком матери.
Тем не менее, за 10 лет исследований во всех случаях каких-либо особенностей влияния НЧ металлов на мозг и поведение животных по сравнению с другими токсическими агентами, особенно со специальными сильнодействующими веществами (опиатами и пр.), замечено не было. Видимо, ожидать их от других НЧ тоже не имеет никакого смысла для здоровых особей. Таким образом, с научной точки зрения проблема теряет интригу. Влияние же НЧ на животных с различными заболеваниями нами не изучалось. Эта проблема нам еще менее интересна, т.к. она более медицинская, чем физическая. Поэтому, направление по изучению токсичности НЧ в нашей лаборатории закрываем. С нашим последним большим обзором в 3-х частях по состоянию исследований на конец 2020 года можно ознакомиться здесь (PDF, 689K), здесь (PDF, 668K) и здесь (PDF, 700K). В нем рассказано подробно о состоянии исследований в мире, о наших собственных результатах, материалах и методах, а также даны рекомендации по неизученным вопросам на будущее для тех, кто захочет продолжить исследование. Например, не изучалось пока еще распределение накапливающихся НЧ по разным отделам мозга. Возможно, здесь могут быть вскрыты какие-то закономерности, например, напрашивающаяся связь накопления НЧ в разных отделах мозга с "интеллектуальными" способностями животных. Удачи идущим за нами и дальше нас!