ננו-טוקסיקולוגיה

ננו-טוקסיקולוגיה הוא ענף בטוקסיקולוגיה העוסק בחקר הרעילות של ננו-חומרים (ננו-חלקיקים). עם התפתחות הננוטכנולוגיה נתגלו ופותחו חומרי ננו רבים, תוך כך נוצר הצורך להבין את פוטנציאל הנזק הסביבתי של חומרים אלו. יישום ננו-חומרים במחקר ובתעשייה מחייב הבנה עמוקה של השפעת חומרים אלו על בריאות בני האדם ועל סביבת החיים. הידע הנצבר בתחום זה מאפשר לקבוע כללי בטיחות ביישום ושימוש בננו-חומרים.

רקע

ננו-טוקסיקולוגיה הובילה למהפכה בתחום רעילות חומרים. ניתן לחלק את הננו-חלקיקים למס' קבוצות: צינוריות פחמן (carbon nanotubes), נגזרות של חלקיקי בערה כמו פיח (דיזל), חלקיקים הנוצרים מהתפרצויות געשיות ועוד. ננו-חלקיקים הם חומרים פעילים מאוד ומסוגלים להגיב עם סביבתם גם כאשר מיוצרים מחומרים אינרטיים (חומר שאינו מגיב עם סביבתו) כמו זהב.
רעילות ננו-חלקיקים, שקוטרם קטן מ-100 ננומטר, היא גבוהה יותר מחלקיקים גדולים יותר. מאחר שלננו-חלקיקים שטח פנים גדול יחסית לנפחם, כמות קטנה של חלקיק ננומטרי הנספגת בגוף באה במגע עם מספר מולקולות גדול יותר בסביבתה, בהשוואה לחלקיקים גדולים יותר בעלי אותה מסה. עקב כך חומרים אלו יכולים להוביל להגברת התגובה הדלקתית, למשל ברקמת הריאות. במחקרים שנעשו בעבר נמצא כי חלקיקי דיזל פגעו במערכת הלב במודל של עכברים.
ננו-חלקיקים יכולים להעתיק את מיקומם ממקום המצאם לאתרים מרוחקים, כמו למשל הדם והמח. בשל עובדה זאת חל שינוי באופן ההתייחסות להשפעתם של ננו-חלקיקים על רקמות הגוף. לכן, יש צורך לבחון את השפעתם באזורים נוספים בגוף כגון מח, דם, כבד, עור ומעי בנוסף לריאות.

אופן פיזור הננו-חומרים בגוף

גודלם המזערי של הננו-חלקיקים מאפשר להם לחדור בקלות רבה יותר לתוך גוף האדם מאשר חלקיקים גדולים יותר. אולם, השאלה העיקרית העומדת בעינה היא כיצד מתנהגים חלקיקים אלו בתוך הגוף? התנהגות החלקיקים תלויה בגודל, בצורה ובשטח הפנים. בשל גודלם המזערי שטח המגע עם הרקמה הסובבת גדל ובעקבות זאת גדלה פעילותם. כמות רבה של חלקיקים יכולה להוביל לעומס על התאים הבולעניים בגוף (מאקרופאגים), המעכלים והורסים גופים זרים. כתוצאה מכך נגרמת תגובת דחק המובילה להתפתחות דלקתית ולהחלשת מערכת החיסון כנגד גורמי מחלה אחרים.
ננו-חלקיקים אשר אינם מתפרקים או שקצב התפרקותם איטי, יכולים להצטבר באיברי הגוף. בנוסף הם בעלי פוטנציאל להפרעה לתהליכים ביולוגים בתוך הגוף. שטח הפנים הגדול של הננו-חלקיקים, בחשיפתם לרקמות ונוזלי הגוף, גורם לספיחה מיידית של מקרומולקולות בהם הם נתקלים ובכך משפיעים על מנגנוני ויסות של אנזימים וחלבונים אחרים.
ננו-חלקיקים מסוגלים לחצות ממברנות ביולוגיות, רקמות ואיברים בעוד שחלקיקים גדולים יותר אינם מסוגלים. ננו-חלקיקים יכולים לחדור לזרם הדם על ידי שאיפה או בליעה, לחדור את מחסום הדם-מח (BBB-blood brain barrier) ולהצטבר ברקמותיו. ישנם מספר ננו חומרים היכולים לחדור דרך העור. עור פגוע אינו מחסום יעיל לננו-חלקיקים לכן אקנה, אקזמה, פצעי גילוח או כוויות שמש קשות עלולים להאיץ את ספיגת הננו-חלקיקים דרך העור. ננו-חלקיקים בזרם הדם יכולים להגיע לכל חלקי הגוף כולל המח, הלב, הכבד, הכליות, הטחול, מח העצם, ומערכת העצבים. בניסויים ברקמות אנושיות ותרביות תאים הראו כי ננו-חלקיקים הם רעילים כתוצאה מהגברת התגובה החימצונית (צורות מחוזרות של חמצן היכולות לגרום נזק לתאים), ייצור ציטוקינים דלקתיים ומוות של תאים. בניגוד לחלקיקים גדולים יותר, ננו-חלקיקים יכולים לחדור למיטוכונדריה ולגרעין התא. מחקרים הציגו את הפוטנציאל לגרימת מוטציות לדנ"א על ידי ננו-חלקיקים ולגרימת נזק למבנה המיטוכונדריה היכולים לגרום למוות התא.

השפעה אימונולוגית של ננו-חומרים

תשומת לב מועטה הופנתה כלפי הפוטנציאל האימונוגני של הננו חלקיק. חלקיקי הננו יכולים להפעיל את מערכת החיסון ולגרום לתגובה דלקתית, אלרגיה, או אפילו להשפיע על תאי מערכת החיסון בצורה מזיקה או מועילה (דיכוי מערכת החיסון במחלות אוטואימוניות ושיפור התגובה החיסונית בחיסונים). עדיין נדרשים מחקרים נוספים בתחום.

מחקרים ננו-טוקסיקולוגים

בהיעדר תקנים קונבנציונאליים לננו-חלקיקים, ישנם הרבה מוצרים רבים העלולים להיות מסוכנים לבני אדם. מחקר מדעי שפורסם מראה כי ננו-חומרים הם בעלי פוטנציאל להיות רעילים לבני אדם או לסביבה. בדיקות שנערכו בשנת 2004 על ידי דוקטור אווה אוברדורסטר, חוקרת רעילות סביבתית, בשיתוף עם אוניברסיטת Southern Methodist בטקסס, נמצא כי דגים אשר נחשפו לפולרנים למשך 48 שעות במינון נמוך של 0.5 חלקים למיליון סבלו מנזק מוחי נרחב. בנוסף הדגים הציגו שינוי בסמנים גנטיים (גן או מקטע דנ"א שמיקומו ידוע בכרומוזום וניתן לעקוב אחר הורשתו) בכבד, דבר המעיד על פגיעה פיזיולוגית כללית. מחקר שנערך במקביל הראה כי שימוש בפולרנים גרם להרג פרעושי מים אשר מהווים חוליה חשובה בשרשרת המזון הימית.
גודלם הזעיר של ננו-חלקיקים מאפשר להם לחדור בקלות גדולה יותר לתוך רקמות חיות, יותר מאשר רעלנים הידועים כיום משום שהממברנות הביולוגיות אינן סלקטיביות להן. ננו-חלקיקים יכולים לחדור לגוף על ידי שאיפה, בליעה, ספיגה דרך העור והזרקה. בנוסף, חלקיקים אלה עלולים בכוונה או בטעות להשתחרר מחומרים המושתלים ברקמה חיה. 
הדאגה לבטיחות האדם מפני ננו-חלקיקים גוברת ככל שהשימוש בטכנולוגיה זאת עולה ברחבי העולם. בשל חששות אלה נערך מחקר במכון קרולינסקה השוודי, בו הוכנסו לתאי אפיתל של ריאת אדם מגוון של ננו-חלקיקים. תוצאות המחקר אשר פורסמו בשנת 2008 הראו כי חלקיקי תחמוצת ברזל גרמו נזק קטן לדנ"א לעומת חלקיקי תחמוצת האבץ אשר הראו השפעה חמורה יותר. חלקיקי ננו העשויים מטיטניום די אוקסיד גרמו נזק לדנ"א בעוד שצינורות פחמן גרמו נזק ברמות נמוכות יותר. החומר שזוהה על ידי החוקרים כרעלן המסוכן ביותר מבחינה בריאותית היא תחמוצת הנחושת.

אתגרים בחקר הננו-טוקסיקולוגיה

גודל חלקיק הוא פקטור חשוב בקביעת הפוטנציאל של חומר להיות רעיל. מצד שני זהו אינו הפקטור היחידי שחשוב. תכונות נוספות של ננו-חלקיקים אשר משפיעות על רמת רעילות החומר כוללות את ההרכב הכימי, צורת החלקיק, מבנה השטח, מטען השטח, נטיית החומר ליצור משקעים דבר המקשה לתהליך פינויו מן הגוף, מסיסות, נוכחות והעדר של קבוצות פונקציונאליות של כימיקלים נוספים הנכללים בהרכב החלקיק. בשל המגוון הרחב של תכונות החומר המשפיעות על רמת רעילותו, קשה להכליל את שלל חומרים אלה תחת קטגוריה אחת של סיכון בריאותי מפני חשיפה לננו-חלקיקים. כל ננו-חלקיק חדש המיוצר לצורך מטרה מסוימת חייב להיבדק באופן פרטני לצורך קביעת רמת רעילותו. 
על מנת לבחון את הסיכון בשימוש בננו-חלקיק חדש, יש צורך בתקנון כללי אשר ישמש מעבדות החוקרות את פעילותם של ננו-חלקיקים. התקנון יכלול את התכונות שיש לבדוק לגבי כל ננו-חלקיק חדש המיוצר ובכך לקבוע את רמת רעילותו. מחקר שנערך באוניברסיטת ויגו בספרד הראה שהחדרת ננו-חלקיקים צריכה להיבדק במגוון שורות תאים. תאים שונים מרקמות שונות עלולים להגיב אחרת לרמת רעילות ויצירת משקעים של אותו ננו-חלקיק. הנוזל הביולוגי כמו ציטופלסמת התא יכול להשפיע על נטיית הננו-חלקיק ליצור משקעים כתלות בסוג והרכב התא.