Статьи

До недавнего времени считалось, что нанотехнологии – вотчина ученых, простого человека мало интересует, что происходит в нанолабораториях. Однако в последние годы новые веяния стали все глубже проникать в нашу повседневную жизнь, и вот уже на рынке появляются лекарства, косметические средства и биодобавки с содержанием наночастиц.

Как и в случае любого другого новшества, первым делом возникает вопрос: какому риску мы себя подвергаем и насколько это безопасно? Разобраться нам поможет аспирант и сотрудник Курчатовского института, ведущий инженер по метрологии Управления метрологии и сертификации нанонехнологий и продукции наноиндустрии Анна Александровна Анциферова.

Нанозагадки

– Действительно, нанотехнологии за последние 10-15 лет прочно вошли в повседневную жизнь человека. Наночастицы используются в различных отраслях индустрии, в том числе в пищевой промышленности, фармакологии, медицине, косметологии, входят в состав широко используемых биологически активных добавок, гигиенических и упаковочных средств.

В этой связи необходимо исследовать воздействие этого нового вещества на организм человека. Кроме того, наночастицы отличаются по своему действию от объемных веществ.

Поясню. У наночастиц соотношение площади поверхности к объему оказывается весьма велико, в то время как у макроскопических объектов оно гораздо ниже. Эта особенность приводит к появлению новых уникальных свойств наночастиц – прежде всего их высокой проникающей способности.

Наночастицы могут попадать в клетки через поры клеточных мембран, которые значительно превышают их по размеру. Еще один путь - различные механизмы эндоцитоза. Это, во-первых, фагоцитоз, т.е. питание клетки, во-вторых – пиноцитоз, т.е. захват клеткой жидкости.

Рецептор клеточной мембраны также может связываться с веществом-лигандом, и затем происходит конформационный переход молекулы по типу «ключ - замок». В конечном итоге вещество оказывается во внутриклеточном пространстве. Такой механизм сформировался в процессе эволюции, чтобы обеспечить клетки организма необходимыми для их развития веществами.

Таким образом, наночастица может попадать в клетку специфическим способом. Она с кровотоком передвигается от органа к органу, преодолевает естественные барьеры организма и может проникать внутрь клеток тканей.

Отдельный, очень интересный вопрос: изучение влияния размеров наночастиц, формы, кристаллической и химической структур на их свойства. Как при этом могут меняться свойства наночастиц при воздействии на организм?

– Чем это опасно?

– Мировые исследования показывают, что наночастица, попавшая внутрь мембраны, может приводить к нарушению метаболизма клетки, к другим изменениям. Мы приходим к тому, что нанотехнологии могут быть потенциально небезопасными, поэтому требуется проведение тщательной токсико-гигиенической экспертизы наночастиц.

Это новая проблема, и мы сейчас только начинаем исследования в области нанобезопасности. В связи с этим необходимо развивать дальнейшие исследования по биокинетике, транспорту наночастиц, по изучению способности преодоления различных гистогематических барьеров

Пока остаются неясными также вопросы о механизме взаимодействия наночастицы с клеткой, о причинах, вызывающих нарушения метаболизма и другие изменения в клетках. Непонятно, что происходит с самой наночастицей: разлагается она в клетке, деградирует или нет. Нам могут помочь некоторые существующие методы детектирования наночастиц, с помощью которых можно узнать, как наночастицы ведут себя при попадании в организм.

– Что это за методы?

Первый метод – это просвечивающая электронная микроскопия. Лабораторным мышам и крысам дают корм с наночастицами, затем образец их ткани помещается в эпоксидную смолу и нарезается микротомом на очень тонкие слои. Вся эта пробоподготовка занимает около месяца, поэтому получить удовлетворительные значения для концентрации наночастиц в этом случае достаточно сложно.

Необходимо проанализировать большое количество срезов, осуществить трудоемкую и длительную пробоподготовку, после этого провести измерения на микроскопе. И нет никакой гарантии, что мы обнаружим наночастицы.

Этот метод скорее годится для фиксации на наличие, детектирование наночастиц, для предварительного исследования того, проникают ли наночастицы в определенные органы или клетки, а не для оценки концентраций. Такие работы уже проводятся, наша группа в настоящее время тоже в них участвует.

Мы рассматриваем различные области головного мозга: гипоталамус, гиппокамп, мозжечок для детектирования наночастиц серебра. Просвечивающей микроскопией мы тоже пользуемся, но это все-таки не универсальный метод.

Другой метод – масс-спектрометрия – требует тоже достаточно длительной и сложной пробоподготовки. Тем не менее он дает более точные оценки концентрации.

Наиболее прецизионные и представительные - ядерно-физические методы: нейтронно-активизационный анализ, метод радиоактивных индикаторов и нейтронно-радиационный анализ.

Нейтронно-радиационный анализ используется, но он пока находится в стадии развития в перспективе исследований биокинетики наночастиц. Мы проводили работы, используя нейтронно-активационный анализ и метод радиоактивных индикаторов. В последнем случае мы радиоактивно метим наночастицы. Появляются определенные изотопные метки, с помощью которых мы можем следить за круговоротом этих наночастиц в организме животного.

– Что дает этот метод по сравнению с микроскопией?

Прежде всего, большую точность, более полный контроль. И он не требует практически никакой пробоподготовки. Кроме того, метод позволяет оценивать концентрации наночастиц в тех веществах, которые постоянно присутствуют в организме и участвуют в его жизненно важных функциях.

– То есть мы все равно получаем статический снимок. А есть ли метод наблюдения в динамике?

– К сожалению, в любом случае в той или иной мере нужно вмешиваться в процессы метаболизма животного. Возможно, для этого могут быть применены некоторые способы томографии, но мы пока оставили этот вопрос открытым для своих исследования. Работа нашей группы сфокусирована в основном на ядерно-физических методах.

– В чем различие методов нейтронно-активационного анализа и метода радиоактивных индикаторов?

– В случае метода радиоактивных индикаторов мы метим эту наночастицу изотопом, и она остается в организме животного. После этого мы определяем концентрацию таких наночастиц, основываясь на том, что массовое содержание наночастиц пропорционально активности искомого элемента. В свою очередь его активность определяется гамма-спектрометрически.

В случае нейтронно-активационного анализа мы можем проводить работы не в лабораториях, имеющих сертификат, необходимый для проведения этих работ, требующийся даже при работе с дозами ниже минимально значимой активности.

Для этого подходят обычные лаборатории, не требуется специальных разрешений, особых мер по защите здоровья персонала. При использовании нейтронно-активационного анализа возможно произвести разделение труда между различными лабораториями, имеющими свою специфику.

После этого мы облучаем образцы тканей в канале ядерного реактора, при взаимодействии с нейтронным излучением рождаются изотопы с теоретически предсказанным временем жизни и сечением реакции. По активности этих изотопов на гамма-спектрометре мы можем увидеть линии этих веществ и оценить их активность.

После этого производится оценка концентрации изучаемого элемента. При этом мы облучаем экспериментальный образец вместе с эталонным образцом, содержащим известное количество вещества, и таким образом сравниваем активности и, соответственно, массовое содержание.

Конечно, для проведения подобных работ недостаточно обычного лабораторного оборудования, используются различные ускорители – источники высокоэнергетических частиц.