Τοξικότητα Νανοσωματιδίων

Abstract

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση των, μέχρι τώρα, γνωστών παραγόντων που διέπουν την τοξικότητα των νανοϋλικών και μετατρέπουν ανενεργά υλικά σε άκρως επικίνδυνα υλικά για τον άνθρωπο και το περιβάλλον γενικότερα, με το μόνο το οποίο αλλάζει να είναι τουλάχιστον η μια τους διάσταση. Η σημαντικότερη αιτία για αυτό, αποτελεί το γεγονός ότι στη ναάνοκλίμακα κυρίαρχο ρόλο στην επεξήγηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα έχει η κβαντομηχανική φυσική και όχι η κλασσική φυσική. Έτσι, ότι μέχρι στιγμής μπορούσε να θεωρηθεί δεδομένο, πρέπει να τεθεί ξανά υπό διερεύνηση. Είναι ευρέως αποδεκτό ότι οι μοναδικές ιδιότητες που κάνουν την χρήση νανοϋλικών τόσο ελκυστική, για διάφορες εφαρμογές σε ποικίλους τομείς, είναι οι ίδιες που πρέπει να τεθούν υπό μικροσκόπιο για τη διερεύνηση των συνεπειών που μπορούν να έχουν σε όλα τα οικοσυστήματα. Η συγκεκριμένη εργασία περιορίστηκε μόνο σε ό,τι αφορά άμεσα τον άνθρωπο χωρίς να γίνουν άμεσα αναφορές για επιπτώσεις στο περιβάλλον. Αρχικά, παραθέτετε μια κατηγοριοποίηση των νανοϋλικων, ανάλογα με τη διέλευση και τη σύνθεσή τους. Στη συνέχεια, αναλύονται οι μηχανισμοί με τους οποίους μπορούν να εισέλθουν στον ανθρώπινο οργανισμό γενικότερα και στο εσωτερικό των κυττάρων ειδικότερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται μια διερεύνηση τω παραγόντων που συνήθως προσδιορίζονται για τον χαρακτηρισμό των νανοϋλικών και οι οποίοι και έχουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην εμφάνιση τοξικών συνεπειών στον άνθρωπο. Παράλληλα, γίνεται μια διάκριση των ειδών τοξικότητας σε επιθυμητή, όπως είναι περιπτώσεις που νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς στην εξάλειψη ασθενειών, και μη επιθυμητή. Έτσι δεν θα μπορούσαν να μην αναφερθούν και οι τρόποι που χρησιμοποιούνται για την μετρίαση ή στόχευση αυτών των συνεπειών για περιπτώσεις που σχετίζονται με τη χρήση νανοσωματιδίων ως θεραπευτική αγωγή για διάφορες ασθένειες όπως αυτή των διαφόρων ειδών καρκίνου. Τελειώνοντας το δεύτερο κεφάλαιο συγκρίνονται οι διάφορες μέθοδοι που υπάρχουν σήμερα για την αξιολόγηση της τοξικότητας ή μη των νανοσωματιδίων που χρησιμοποιούνται για θεραπευτικές αγωγές. Στα επόμενα δύο κεφάλαια περιγράφηκε η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον in vitro προσδιορισμό της τοξικότητας νανοσφαιρών PMMA με εγκλεισμένο αντικαρκινικό φάρμακο (Doxorubicin) σε κύτταρα καρκίνου του μαστού. Παραθέτετε ο τρόπος σύνθεσης αυτών ων νανοσωματιδίων, η διαδικασία του εγκλεισμού του φαρμάκου, ο χαρακτηρισμός τους με διάφορες τεχνικής ανάλυσης όπως επίσης και η βιολογική τους αξιολόγηση με τη διαδικασία MTT. Στο παράρτημα που ακολουθεί, αναφέρονται τα παγκόσμια πρότυπα (ISO) που υπάρχουν αυτή τη στιγμή για τον τομέα τον νανοτεχνολογιών όπως επίσης και τα χρηματοδοτούμενα ευρωπαϊκά προγράμματα σχετιζόμενα με τη νανοτεχνολογία και ειδικά με την αξιολόγηση των κινδύνων και της τοξικότητας των νανοϋλικών. Τέλος, συγκρίνονται ποσοτικά και παραθέτεται το ποσοστό των ερευνών που σχετίζονται με τα νάνο-ασφάλεια (nanosafety) σε σύγκριση με το ερευνητικό ποσοστό που ασχολείται είτε με την κατασκευή νανοϋλικών είτε με κάποια καινούργια εφαρμογή τους και σχολιάζονται τα αποτελέσματα. Η έρευνα για τον τυχαίο και μη στοχευόμενο τρόπο εισαγωγής των νανοσωματιδίων στον ανθρώπινο οργανισμό θα συνεχιστεί με την αξιολόγηση όχι μόνο των κινδύνων/συνεπειών που μπορεί να προκαλέσουν αλλά και της πιθανότητας να λάβει χώρα ένα τέτοιο γεγονός ή ακόμα και κάποιο ατύχημα.

Nanotechnology is the first major worldwide research initiative of the 21st century. Nanotechnologies are general purpose technologies that act as both the basis for technology solutions across a range of industrial problems or as a nexus for the convergence of other enabling technologies like biotechnologies, computational sciences, physical sciences, communication technologies, cognitive sciences, social psychology and other social sciences. However, there is currently great concern that engineered nanoparticles may exert unexpected toxicities and pose a threat to human health and the environment; on the other hand, nanoparticles may be exploited for targeted drug delivery and could reduce the adverse bystander effects of conventional drugs, including chemotherapeutic drugs. This thesis’ goal is to determine all the factors that have crucial role in the appearance of toxicity effects in living organisms due to the use of nanomaterials. An analytical research of their effect has been made and presented, followed by a majority of examples and figures in order to better understand not only the potential consequences of their interactions with human, especially, but also to comprehend the toxic mechanisms that take place. Also it is provided a full knowledge of the current status of all the research programs funded by the European Union (FP6 & FP7) as well as some statistic data that concern the amount of projects regarding nanotoxicity compared to the number of projects that refer to nanotechnology in general and some conclusions are following. In the first chapter it is mostly provided a great piece of information that concern the categorization of nanomaterials as well as the possible ways of nanomaterials’ entrance in human organism. In order to understand properly the toxic effects that nanomaterials may exhibit, it is very important to comprehend first how they entered the human body in the first place, as this also plays an important role in their toxicity apart from their physicochemical properties. The possible routes of exposure that have been discussed are the inhalation, via the skin, through intestinal tract and finally via forced entry for pharmaceutical uses such as their injection. It is also been analyzed all the possible mechanisms that a substance may follow to penetrate a cell’s membrane and it is mentioned which of this is more possible to follow the nanomaterials. This is also important for the toxicology assessment as it depicts the first interactions between nanomaterials and cells that will afterwards domain the cells’ fate. The second chapter is sacrificed in the understanding of all the physicochemical parameters that toxic effects depend on. Every single property that is known to cause toxicity is analyzed, providing a great amount of combined information that exists in various researches. Moreover toxicity it is divided into separate categories; the first refers to toxic effects that caused by accidentally interactions with nanomaterials and the second one refers to controlled toxic effects that are desirable in order to cure diseases like cancer. So the properties that are mentioned are not only the ones that may cause serious health problems by accident but also some that many researchers are currently using in order to fight various types of cancer. It is also presented all the assays that are currently used to determine the cytotoxicity of such cures with the MTT assay to be analyzed as this one it is used in the experimental of this thesis. The two following chapters are related to the experimental procedure that has been followed in order to determine whether the drug loaded PMMA nanoparticles with doxorubicin are effective enough for breast cancer cells. The characterization of those specific nanoparticles is mentioned and the results are presented among with some conclusions that accrued. Those results concern the optic characterization of nanoparticles, using the scanning electron microscope and the transmission electron microscope, the confirmation of nanoparticles’ loading with the anticancer drug doxorubicin, using the infrared spectrometry, the calculation of drug loading from results of ultraviolet spectrometry and finally the determination of cytotoxic efficacy via MTT assay. The last chapter summarizes the above and mentions some conclusions regarding all those information. As it will be fully understand no one currently could conduct any definite conclusions about the sophisticated issue of nanotoxicity. The suggested challenges that need to be addressed are to name but a few the generation of standardized, validated in vitro assays for nanosafety testing including a set of reference materials; the establish ex vivo models relevant for the specific routes of administration of nanomedicines; the development of in silico modeling approaches to predict the biological and toxicological responses of nanomedicines; the development of an understanding of the absorption, distribution, metabolism, and excretion of nanomaterials in vivo and the establishment of a paradigm for the understanding of factors that dictate nanomaterial interactions with living systems. It is also been referred to personal future objectives for research that concern this domain. In the appendixes that follow are presented various tables as extra information to the above mentioned. Moreover, it has been gathered all the ISO standards that exist nowadays concerning the nanothechnology in order to observe the current lack of knowledge and standardization, something that has to be outreached. In the end, it is presented all the current EU projects among with some statistic data that refer to them so as to observe that a few have been done till now and a lot is needed to be done in order to fully understand the complex issue of nanotoxicity so as to be able to luxuriate all the potential benefits that nanotechnology can provide us. As Richard P. Feynman says:

”There is plenty of room at the bottom”