Riesgos de materiales a un nanonivel
( Creces, 2006 )
Los nanomateriales son estructuras de ingeniería que tienen una dimensión de a lo menos 100 nanometros. Estos se están usando cada vez más con objetivos comerciales. A este rango de tamaño adquieren propiedades que pueden producir interacciones químicas con el ambiente, que son substancialmente diferentes de las que se les conocen a tamaños mayores. En el medio biológico se teme que produzcan interacciones peligrosas. Se hace necesaria una regulación en su uso.
Algunos expertos estiman que el desarrollo de la nanotecnología llegue a tener un impacto incluso mayor que el de la Revolución Industrial, ya que los expertos proyectan para el año 2015 un mercado que superaría el trillón de dólares. La nanotecnología ya se ha estado utilizando en los más diversos productos, como la fabricación de artículos deportivos, neumáticos, tinciones resistentes para tejidos, cremas solares, cosméticos productos electrónicos, y cada vez se están utilizando más en medicina, ya sea con propósitos de diagnóstico, desarrollo de imágenes o con fines de transportación y distribución de drogas en el interior del organismo (Transistores a tamaño molecular) , (Los nanotubos en reemplazo de las bujías) , (Nanotubos para atrapar bacterias), (La historia de la nanotecnología) .
Mihail Roco del National Nanotech Institute de Estados Unidos, estima que la nanotecnología se irá desarrollando por etapas, y desde ya visualiza cuatro: lo observado hasta ahora corresponde a un desarrollo pasivo de nanoestructuras, entendiendo por tal la producción de materiales como los que ya se han diseñado, con el objeto de abordar alguna tarea aislada. La segunda etapa, ya activa, introduce nanoestructuras para cumplir multitareas, como por ejemplo, actuadores, aparatos para distribuir drogas, y sensores. La tercera etapa se espera que comience a emerger en el año 2010, con la aparición de nanosistemas, interactuando miles de componentes. Después de unos pocos años deberían aparecer los primeros nanosistemas integrados, que en su interior funcionarían como una célula de mamíferos.
Nuevas propiedades y sus riesgos
Las inusuales propiedades fisicoquímicas de la ingeniería nanotecnológica se atribuyen tanto a su pequeño tamaño (pequeña superficie y tamaño de distribución), como a su composición química (pureza, cristalinidad, propiedades electrónicas, etc.), su solubilidad, forma y agregación. Estas nuevas propiedades preocupan por posibles efectos adversos sobre los sistemas biológicos, que a nivel celular incluyen posibles interacciones y cambios estructurales que alterarían funciones intracelulares de proteínas y enzimas. (Promesas y temores de la nanotecnología). Es muy posible que nanopartículas puedan entrar al organismo, llegar al tejido pulmonar e incluso al sistema nervioso y allí penetrar las membranas celulares, introduciéndose en mitocondrias y llegar a gatillar respuestas no imaginadas.
Es una opinión unánime entre los proponentes y escépticos de estas tecnologías, que si bien ofrecen enormes potencialidades, su aplicación requiere de evaluaciones tendientes a regular y hacer seguro sus usos. (Piden regulaciones para la nanotecnología). Desde ya los activistas ambientales están pidiendo una moratoria mundial en la investigación y desarrollo de la comercialización de estas tecnologías. Incluso han aparecido novelas de ciencia-ficción en que nanorobots se autoreplican y llegan a consumir todos los recursos de la Tierra. Estas evidentemente que son exageraciones, pero a pesar de todo parece aconsejable que efectivamente se llegue a una regulación que permita un desarrollo seguro de esta área.
¿Toxicidad biológica?
La principal característica de los materiales nanotecnológicos es su tamaño, que está en la zona de transición entre átomos individuales y moléculas por un lado, y el correspondiente material a mayor tamaño por el otro. Este reducido tamaño puede modificar las características físico-químicas propias del material, como también crear la oportunidad de incrementar la interacción con tejidos biológicos. La combinación de efectos puede generar consecuencias biológicas adversas en las células vivas, las que no serían posibles con el mismo material en tamaños mayores. Así por ejemplo, inhalar partículas ultra finas con un diámetro menor de 100 nanopartículas pueden producir inflamaciones pulmonares, o reacciones de estrés oxidativo, que podrían también llegar a comprometer a órganos distantes. Esto ya se ha visto con la inhalación de carbón, silicatos y asbestos. De igual modo también se ha visto estos efectos en pulmones de animales sometidos a inhalaciones de dióxido de titanio (TiO2) y nanopartículas de carbón. Su efecto se ha visto en cultivos de tejidos y células en las que se induce la producción de citoquinas inflamatorias y respuestas celulares citotóxicas. Tanto las investigaciones clínicas como los estudios experimentales indican que las pequeñas partículas desarrollan capacidades de generar especies de oxígeno reactivo, que se sabe juegan un rol importante en los daños pulmonares que se han observado.
El tamaño de las partículas y la superficie de su área son importantes desde el punto de vista toxicológico. En la medida que el tamaño de las partículas disminuye, se incrementa su superficie y esto permite que una mayor cantidad de sus átomos o moléculas tomen ubicación en su superficie más que en su interior. En la tabla 1 y figura 1 se puede observar que existe una relación inversa entre el tamaño de las partículas y el número de moléculas expresadas en su superficie. De este modo el aumento de las áreas de superficie determina la exposición de un mayor número de grupos reactivos en la superficie de la partícula.
El cambio en las estructuras fisicoquímicas y propiedades estructurales de las nanopartículas, por la disminución del tamaño, puede ser responsable de diversas interacciones materiales que pueden llevar a producir efectos tóxicos. Así por ejemplo la disminución en el tamaño puede crear planos discontinuos del cristal que incremente el número de estructuras defectuosas como también altere la configuración electrónica del material, alterándose de esta forma sus propiedades electrónicas. Esto puede establecer grupos de superficie que pueden funcionar como sitios reactivos (fig. 2). La extensión de estos cambios y su importancia, depende la composición química del material. Grupos de superficie pueden ser hidrofílicos o hidrofóbicos, lipofílicos o lipofobicos, catalíticamente activos o pasivos (fig. 2). Un ejemplo de cómo estas propiedades de superficies pueden llegar a ser tóxicas, como puede ser la interacción de compuestos donadores de electrones o sitios activos de aceptores (activados químicamente o físicamente) con oxígeno molecular (02). La captura de electrones puede llevar a la formación de radicales superóxidos (02-) que a través de dismutación o química Fenton, pueden generar especies de oxígenos reactivos adicionales (02-)
Aparte del estrés oxidativo, es también importante considerar que algunas de las interacciones de los nanomateriales pueden producir otros tipos de injurias, como denaturación de proteínas, daños de membrana, daños del DNA, reactividad inmunológica y la formación de granulomas como cuerpos extraños. Es también posible que las propiedades que adquieren los nanomateriales lleguen a producir nuevos mecanismos de toxicidad (Science vol 311, Febrero 3, 2006).
En resumen, ya hay suficientes evidencias que la manipulación de los nanomateriales pueden llegar a producir efectos tóxicos, aun cuando no se puede excluir que puedan llegar a constituir un problema mayor (tabla 2). Todo lo cual hace aconsejable una evaluación de estos nanomateriales y de allí comenzar a elaborar un código regulatorio. En todo caso, este es un nuevo y desconocido campo, y es muy posible que en los próximos años se lleguen a descubrir enormes beneficios en las más diversas áreas, y muy especialmente en medicina. Así por ejemplo la tendencia de algunas nanopartículas de llegar a lesionar el ciclo oxidativo en las mitocondrias e iniciar un proceso de muerte celular, podrían utilizarse como una quimioterapia en el cáncer.
Tabla 1
Número de partículas y área de superficie de 10 ug/m3 partículas | Diámetro de partículas (um) | Partículas/ml de aire | Area de superficie de partículas FR(um2/ml de aire) |
2 | 2 | 30 |
0.5 | 153 | 120 |
0.02 | 2.390.000 | 3.000 |
Tabla 2
Efectos fisiopatológicos y toxicidad de nanopartículas. Los demostrados por algunas evidencias experimentales tienen un asterisco (*). Los con alguna experiencia clínica tienen un signo más (+) |
Efectos experimentales de Nanomateriales | Posibles consecuencias Fisiopatológicas |
Generación de oxigeno reactivo* | Daños proteínas, alteraciones DNA, alteraciones membranas*, estrés oxidativo+ |
Estrés oxidativo* | Inflamación+, perturbaciones mitocondrias* |
Alteraciones mitocondria* | Daño membrana interna*, alternaciones de la permeabilidad*, falla energía*, apoptosis* |
Inflamación* | Infiltración tisular con células inflamatorias+, granulomas+, aterogenesis+, proteína C reactiva. |
Captación por sistema retículo Endotelial* | Secuestración asintomático y almacenamiento en hígado*, bazo, ganglios linfáticos+, posible hipertrofia y disfunción de órganos. |
Denaturación proteica, degradación* | Pérdida de actividad enzimática*, autoinmunidad |
Captación por el núcleo* | Daño del DNA, aglomeración de nucleoproteínas* |
Captación por tejido nervioso* | Alteraciones cerebrales y periféricas |
Alteraciones de funciones fagocíticas | Inflamación crónica+, fibrosis+, granulomas+, interferencia en eliminación de agentes infecciosos+ |
Disfunción endotelial, efectos en la coagulación | Aterogénesis*, trombosis*, infarto miocardio |
Alteración del ciclo celular | Proliferación,detención del ciclo celular Senescencia |
Daño del DNA | Mutagénesis, carcinogénesis |