Что несут нам нанотехнологии?
Слово «нанотехнология», ещё несколько лет назад практически неизвестное неспециалистам, сегодня у всех на слуху. В России даже сформирован правительственный совет по нанотехнологиям и принят закон о Российской корпорации нанотехнологий. Хоть и без подобной помпы, США, Германия, Япония, Китай и ряд других стран работают в этом направлении давно и весьма успешно. А потому здесь уже сегодня всё более широкое распространение получают различные потребительские товары, при производстве которых были использованы нанотехнологии. Наглядным примером могут служить солнцезащитные кремы. Старые кремы содержали микрочастицы диоксида титана, что придавало составу белый цвет. Потребителям это не нравилось, и они старались втереть такой крем поглубже в кожу, что снижало его эффективность. Поэтому ряд химических и фармацевтических компаний заменили в своих кремах микрочастицы наночастицами того же самого пигмента, что сделало эти кремы совершенно прозрачными, ничуть не ухудшив их солнцезащитные свойства. Наночастицы, диаметр которых не превышает 50-ти миллиардных долей метра, что в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса, уже сегодня придают сотням хорошо известных продуктов совершенно новые свойства, ещё десятки тысяч таких продуктов на подходе. Но… у этой нанореволюции есть и изнанка, – говорит доктор Вольфганг Крайлинг (Wolfgang Kreyling), биофизик-токсиколог Научного центра по изучению проблем окружающей среды и здоровья Общества по защите от облучения в Нойерберге близ Мюнхена:
Мы полагаем, что появление новых продуктов на базе нанотехнологий будет носить взрывной характер. Это вполне сравнимо с появлением компьютера. А потому мы должны уже сегодня разработать методы оценки рисков и опасностей, исходящих от этих новых разработок.
Каковы же эти риски и опасности? Если диоксид титана в виде наночастиц насыпать в пробирку, его будет внешне не отличить от того же пигмента в виде порошка, широко используемого в лакокрасочной промышленности, – говорит Вольф-Дитер Гриблер (Wolf-Dieter Griebler), сотрудник химической фирмы «Sachtleben», той, что выпускает прозрачный солнцезащитный крем:
Наноматериал выглядит в точности как стандартный белый пигмент: мелкодисперсный порошок, очень похожий на муку. И так же поглощает ультрафиолетовое излучение.
А какими ещё свойствами обладает эта «наномука»? Как она действует на кожу? Не ядовита ли при попадании в пищеварительный тракт? Что будет, если её вдохнуть? Как ни странно, точных ответов на эти вопросы ещё нет. Но уже есть основания полагать, что нанопорошки отнюдь не безвредны. Токсикологи всерьёз заинтересовались мелкодисперсными пылями ещё в 90-е годы, когда резко подскочила популярность легковых автомобилей с дизельными двигателями, и вскоре пришли к выводу, что содержащиеся в выхлопных газах частицы сажи опасны для здоровья, причём чем мельче, тем опаснее. Сегодня многие эксперты полагают, что наночастицы в этом отношении ничуть не лучше. В отделении ингаляционной биологии Научного центра по изучению проблем окружающей среды и здоровья доктор Вольфганг Крайлинг проводит опыты на крысах, примешивая к вдыхаемому ими воздуху наночастицы иридия, производимые сегодня в промышленных масштабах. Решающим фактором для исследователя в данном случае является не химический состав, а размер частиц. Чтобы можно было проследить их путь внутри организма, каждая наночастица помечена специальным радиоактивным маркером. Учёный поясняет:
Затем по прошествии определённых временных интервалов – или сразу, или спустя час, или два, или шесть, или сутки, или даже несколько суток, – мы смотрим, как наноматериал, изначально попавший только в лёгкие, распределился внутри организма. Мы используем высокочувствительную аппаратуру для измерения уровня радиоактивности различных проб тканей. Спустя 24 часа мы обнаруживаем наночастицы иридия даже в головном мозге.
А ведь головной мозг надёжно защищён от проникновения извне посторонних веществ и микроорганизмов так называемым гемато-энцефалическим барьером. Преодолеть этот барьер неспособны даже медикаменты. Однако для наночастиц он не преграда. Вольфганг Крайлинг говорит:
Количества, которые мы идентифицируем, порой составляют всего лишь одну десятитысячную того количества, что изначально попало в лёгкие, однако мы обнаруживаем эти частицы в самых разных органах и тканях. Если принять исходное количество наночастиц во вдыхаемом воздухе за 100 процентов, то в печени оказывается примерно 1 процент частиц, в головном мозге – чуть меньше 0,1 процента. Это касается и наночастиц иридия, и наночастиц золота – мы в основном занимаемся сейчас этими двумя элементами.
Итак, из тысячи частиц, оказавшихся в лёгких, одна попадает в мозг, десять – в печень. А как обстоит дело с безопасностью эмбриона в матке?
Это был следующий вопрос: могут ли эти наночастицы через плаценту матери проникнуть в плод? Мы провели эксперименты на беременных крысах, и оказалось, что частицы накапливаются и в плаценте, причём в довольно значительном количестве. А оттуда некоторые частицы попадают в эмбрион. То есть плод защищён отнюдь не так надёжно, как мы это себе представляли.
Эксперименты свидетельствуют о способности наночастиц с невероятной лёгкостью преодолевать защитные механизмы и преграды организма. Да, собственно говоря, и в лёгкие-то частицы обычной пыли попасть не могут: клетки выстилающего дыхательные пути так называемого мерцательного эпителия снабжены особыми волосками-ресничками, которые, сгибаясь и разгибаясь, выводят частицы пыли, попавшие с воздухом в лёгкие, наружу. Однако против наночастиц они, судя по всему, бессильны. Затем – путь из лёгких внутрь организма. Обычно любого вторгшегося сюда пришельца встречает целая армия клеток иммунной системы – и нейтрализует его. Но наночастицы и здесь оказываются практически неуязвимыми. Проникая всё дальше, они вызывают целый каскад биохимических реакций.
И в результате возникают воспалительные процессы, которые, как мы предполагаем, могут в конечном счёте стать серьёзной угрозой для здоровья.
Понятно, что Вольф-Дитер Гриблер из фирмы «Sachtleben», выпускающей прозрачный солнцезащитный нанокрем, с такой точкой зрения не согласен. Исходный материал – наночастицы диоксида титана – компания производит в собственных цехах, расположенных в Дуйсбурге на самом берегу Рейна. Сырьём служат либо сульфат, либо хлорид титанила. Все технологические процессы протекают в водных растворах в герметически закрытых сосудах, – подчёркивает Гриблер:
Мы регулярно измеряем содержание пыли в воздухе во всех помещениях. Если бы произошла разгерметизация оборудования, то нас сразу известили бы об этом контрольно-измерительные приборы. А если бы утечка была значительной, мы бы сами это и услышали, и увидели, и запах почувствовали.
Подобные заверения от производителей наночастиц токсикологу Крайлингу доводится слышать нередко, но он относится к ним скептически:
Большинство наночастиц, с которыми я до сих пор имел дело, не имеют запаха, так что обоняние тут не поможет. А обнаружение наночастиц с помощью приборов сопряжено с рядом трудностей. Да, методы, которые позволяют измерять концентрацию частиц в воздухе, давно существуют и вполне надёжны, но ведь эти показатели надо суметь отделить от того пылевого фона, который всегда имеет место в таких цехах, а это изрядно усложняет задачу.
Однако Вольф-Дитер Гриблер уверен, что фирма «Sachtleben» надёжно контролирует не только качество воздуха в производственных помещениях, но и безопасность своих изделий, будь то упаковочные материалы для пищевых продуктов, спортивная одежда или солнцезащитный крем:
Тогда, прежде чем выйти с нашим продуктом на рынок, мы провели целую серию крайне жёстких тестов и испытаний. Сперва in-vitro, то есть в пробирке, на клеточных культурах кожной ткани, а потом in-vivo, то есть на лабораторных животных, на крысах и мышах. Нас интересовало, проникают ли наночастицы двуокиси титана в кожу. Все эксперименты дали отрицательный результат, так что сегодня мы можем со всей определённостью утверждать: нет, не проникают!
Как и любая другая косметика, солнцезащитный крем прошёл проверку на безопасность и переносимость. Но Вольфганг Крайлинг сомневается в том, что предписанные законом тесты вообще имеют смысл применительно к наночастицам. Он считает, что испытания на коже очень слабо отражают действительность: ведь они проводятся только на здоровой коже. А как нанокрем влияет на тонкую детскую кожу? На травмированную кожу? На кожу людей, страдающих аллергиями или экземами?
Напрашивается предположение, что травмированная кожа более проницаема. По крайней мере, точно известно, что при наличии раны даже относительно крупные частицы быстро проникают в кровоток, однако подробных исследований на сей счёт не было. Понятно, что стандартизировать подобные испытания трудно, и именно по этой причине они пока не проводятся. Но это не оправдание, тем более что солнцезащитные и прочие косметические средства на базе наночастиц применяются уже очень широко.
Наночастицы способны повысить и механическую прочность изделия, поэтому они используются сегодня при производстве спортинвентаря, например, хоккейных клюшек, – говорит Мартин Шмид (Martin Schmid), глава отделения нанотехнологий химического концерна «Bayer»:
Это изделие состоит из эпоксидной смолы, углеволокна и углеродных нанотрубок. Клюшка испытывается в одной из команд высшей лиги. Она должна выдержать целую игру, все три периода, а потом ещё 100 щелчков – ударов с полным замахом. Обычно если из 100 клюшек такой тест выдерживают 80, это считается отличным показателем. В случае наноклюшек тест выдержали все сто.
Концерн «Bayer», как и многие другие производители, сделал ставку на особую форму наночастиц – тончайшие трубочки из атомов углерода. Эти углеродные нанотрубки обладают целым рядом необычных и интересных свойств. Но так же, как и в случае с другими наночастицами, нанотрубки не исследованы на предмет риска для здоровья. А ведь под микроскопом они выглядят как волокна, что само по себе сразу настораживает токсикологов, поскольку на память им приходит другой волокнистый материал, сначала считавшийся совершенно безобидным и оказавшийся потом опаснейшим канцерогеном: это асбест. Но Шмид возражает:
Наши углеродные нанотрубки не имеют с асбестом ничего общего. Они представляют собой не отдельные прямые нити, а длинные спиралевидные структуры, больше напоминающие порцию спагетти в тарелке. А асбест – это что-то вроде иголок.
К тому же, – подчёркивает Шмид, – нанотрубки склонны слипаться:
Из реактора выходят не отдельные углеродные нанотрубки, а прекрасно видные невооружённым глазом агломераты, вроде крупного песка чёрного цвета.
Однако Вольфганг Крайлинг возражает:
Всё не так просто. В принципе это, конечно, верно, так что попадание в окружающую среду одиночных наночастиц, отделившихся от наноизделий, представляется маловероятным. Но оказавшись в живом организме, эти относительно крупные структуры вполне могут распасться на отдельные наночастицы. Во всяком случае, это не исключено. Мы просто этого пока не знаем.
Поэтому сегодня в некоторых лабораториях уже исследуют взаимодействие наночастиц с клетками организма человека, используя для этого довольно простые тесты. Мы выращиваем клеточные культуры той или иной ткани в чашке Петри, затем добавляем в питательную среду наночастицы, помеченные флуоресцентным красителем, и смотрим, что получится, – говорит Анна фон Микец (Anna von Miekecz), сотрудница Института по изучению воздействия окружающей среды на здоровье человека при Дюссельдорфском университете:
Эти частицы очень быстро, в считанные минуты, проникают в цитоплазму. Чтобы внедриться в ядро, им требуется несколько больше времени – около двух часов. Но такие барьеры, как клеточная оболочка, для них, похоже вообще не преграда.
Спрашивается, как это отразится на жизнедеятельности всего организма? Ясно, что наночастицы, обладающие высокой реакционной способностью и разрушающие едва ли не любую молекулу, с которой соприкасаются, нанесут живой клетке колоссальный урон. Именно поэтому Анна фон Микец выбрала для своих опытов вроде бы совершенно безобидное соединение – диоксид кремния, широко применяемый фармацевтической промышленностью при изготовлении внешней оболочки витаминных пилюль. Однако оказалось, что эти наночастицы, накапливаясь внутри клеточного ядра, приводят к образованию в нём неких белковых агрегатов. А это имеет катастрофические последствия:
Мы видим, что клетка впадает в своего рода состояние покоя, перестаёт расти. И это состояние необратимо. Клетка как бы засыпает и больше уже не просыпается.
Кроме того, образование внутриклеточных белковых агрегатов – симптом, типичный для таких заболеваний как хорея Хантингтона или болезнь Паркинсона. То есть наночастицы вызывают патологические изменения в клетке, и эти изменения точно соответствуют тем, что ассоциируются с нейродегенеративными заболеваниями. Это очень тревожит медиков, но они не поспевают за прогрессом в сфере нанотехнологий, – говорит Анна фон Микец:
Это действительно проблема: синтез и внедрение наночастиц заведомо требуют меньше времени, чем их проверка на цитотоксичность.
Разработка теста занимает от года до трёх – для каждой разновидности наночастиц. О том, чтобы эти тесты стандартизировать, пока и речи нет. Дело осложняется тем, что производители наночастиц, ссылаясь на технологические секреты, не сообщают важную информацию о своей продукции. А учёные пока даже не знают, что именно делает наночастицы опасными – их размеры, структура, химический состав или какие-то иные свойства.
Потребителю не позавидуешь! Тем более, что обязательных нормативов в отношении маркировки наноизделий нет, поэтому сегодня производители могут в тексте на упаковке и не указывать на наличие наночастиц в своих товарах. Короче, нанотехнологии преподнесут нам ещё немало сюрпризов – как приятных, так и не очень.