Наноматериалы — это вещества с размерами частиц менее 100 нм, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Однако эти же свойства могут обусловливать потенциальную токсичность. По степени и механизму токсичности наноматериалы условно делятся на:
На токсичность влияет не только химический состав, но и размер, форма, площадь поверхности, заряд, покрытие и агрегационное состояние наночастиц. В медицинской физике это приобретает критическое значение при разработке наносредств для диагностики и терапии.
Окислительный стресс Одним из главных механизмов нанотоксичности является генерация активных форм кислорода (АФК). Избыточное количество АФК повреждает липиды мембран, белки и ДНК, что ведёт к апоптозу или некрозу клеток.
Нарушение мембранной целостности Некоторые наночастицы, особенно с острыми краями (например, углеродные нанотрубки), могут механически повреждать мембраны клеток, нарушая ионные градиенты и транспорт веществ.
Взаимодействие с митохондриями Многочисленные исследования показывают, что наночастицы могут проникать в митохондрии, нарушая их функцию, снижая мембранный потенциал и подавляя синтез АТФ.
Генотоксичность Некоторые наноматериалы способны вызывать прямые повреждения ДНК или влиять на митотическое деление, приводя к мутациям, хромосомным аберрациям и изменению экспрессии генов.
Эпигенетические изменения Длительное воздействие наночастиц может приводить к изменениям метилирования ДНК, модификациям гистонов и нарушению некодирующей РНК-регуляции.
Ингаляционный путь Один из наиболее распространённых. Наночастицы, попадая в лёгкие, могут проникать через альвеолярно-капиллярный барьер в кровоток и далее в органы-мишени (печень, мозг, почки).
Дермальный путь Хотя кожа является эффективным барьером, повреждённый эпидермис или использование носителей-проводников (например, липосом) может позволить наночастицам проникать вглубь кожи и системный кровоток.
Пероральный путь Наноматериалы, применяемые в пищевых добавках, лекарствах или упаковке, могут попадать в ЖКТ. Их биодоступность зависит от химического состава, размеров и взаимодействия с микрофлорой.
Парентеральное введение Инъекционное введение (внутривенно, внутримышечно) — наиболее эффективный способ доставки нанопрепаратов, но и наиболее опасный в контексте токсичности, так как минуется большинство физиологических барьеров.
После попадания в организм наночастицы распределяются по тканям в зависимости от:
Хроническое накопление наночастиц может вызывать воспалительные реакции, гранулёмы и фиброз.
In vitro методы Используются клеточные линии для оценки:
In vivo модели Эксперименты на животных (мыши, крысы, рыбки данио) позволяют оценить:
Физико-химическая характеристика Обязательна перед биологическими испытаниями:
Абсорбция Наночастицы абсорбируются быстрее и в больших количествах, чем микрочастицы, особенно в лёгких и ЖКТ.
Распределение Как правило, после попадания в кровоток наночастицы накапливаются в печени, селезёнке, лёгких и головном мозге. Некоторые наночастицы могут проходить гематоэнцефалический барьер.
Метаболизм Метаболизм зависит от химической природы: органические наночастицы (например, полимерные) могут подвергаться биодеградации, тогда как неорганические (золото, диоксид титана) — остаются неизменными длительное время.
Выведение Выведение может происходить через:
Нервная система Наночастицы способны проникать через гематоэнцефалический барьер, накапливаться в нейронах, вызывать нейровоспаление и оксидативный стресс, что может приводить к когнитивным нарушениям и нейродегенерации.
Печень и почки Основные органы детоксикации. Наночастицы могут вызывать митохондриальные дисфункции, гепатоцеллюлярный стресс, нефротоксичность и нарушение функции фильтрации.
Сердечно-сосудистая система Некоторые наноматериалы могут индуцировать проинфламаторные цитокины, вызывать эндотелиальную дисфункцию, провоцировать тромбообразование и артериальную гипертензию.
Иммунная система Ингибирование или гиперактивация иммунного ответа, изменение фагоцитарной активности, стимуляция выработки интерлейкинов и интерферонов. Углеродные нанотрубки и серебро особенно активны в этом отношении.
До настоящего времени не существует единых международных стандартов по оценке токсичности наноматериалов в медицинской физике. Проблемы включают:
Важно учитывать, что токсичность одного и того же материала может существенно отличаться в зависимости от используемой наноформы и способа синтеза.
Функционализация поверхности Покрытие наночастиц полимерами (PEG, полисахариды), белками или фосфолипидами снижает их иммуногенность, агрегацию и повышает биосовместимость.
Контролируемый размер и форма Сферические и ультрамелкие наночастицы чаще оказываются менее токсичными, чем игольчатые и фибриллярные формы.
Инкапсуляция Использование липосом, мицелл, полимерных оболочек для предотвращения прямого контакта активного наноматериала с клетками и тканями.
Выбор биодеградируемых материалов Применение биоразлагаемых полимеров (ПЛГА, хитозан, альгинаты) позволяет избежать долгосрочного накопления и облегчить выведение.
Нанотоксикология в контексте медицинской физики требует мультидисциплинарного подхода и тесного взаимодействия физиков, биологов, токсикологов и врачей.