Hvor trygt er Nano? Nanotoksikologi et tverrfaglig forskningsfelt Mihaela Roxana Cimpan og Nils Roar Gjerdet Den raske utviklingen av nanoteknologi har påkalt oppmerksomhet for mulige risikoer i forbindelse med nanomaterialer, både for mennesker og for miljøet generelt. Er produkter laget med nanoteknologi trygge? Dette er temaet for den nye disiplinen nanotoksikologi. Toksikologi er studiet av skadelige effekter av substanser på organismer og samspillet mellom disse stoffene og organismer. Paracelsus (1493 1541), toksikologiens far, sa at «Alle ting er giftig og ingenting (er) uten gift. Det er kun dosen som avgjør om en ting er en gift eller ikke». Nanotoksikologi er den grenen av toksikologi som studerer mulige toksiske effekter av partikler på nanometerskala. Begrepet ble først brukt uformelt i undersøkelser om potensielle farer utløst av nanomaterialer og ble formalisert i 2004 av Ken Donaldson og hans kolleger fra Universitetet i Edinburg. De skrev at: «Nanopartikler har større potensial til å bevege seg gjennom organismen enn andre materialer eller større partikler. Vi foreslår derfor at en ny underkategori av toksikologi nemlig nanotoksikologi blir definert for å tette kunnskapshullet og for å spesifikt løse problemer som kan være forårsaket av nanopartikler». Nanotoksikologi omfatter forskningen om sikkerhet i forbindelse med nanoteknologiprodukter og kombinerer flere felt som klassisk toksikologi, biologi, kjemi, fysikk, materialteknologi, ingeniørfag og helsefag. Dette gjør nanotoksikologi til et virkelig flerfaglig felt der mange fagdisipliner er avhengig av hverandre. Fremveksten av nanotoksikologi er knyttet til to studier i 1990 gjort på eksponering for det som kalles «ultrafine aerosoler», hvor det ble vist at inhalerte partikler med diameter mindre enn 100 nm fremkalte en lungerespons som var større enn forventet. Denne tidlige forskningen viste at partikler av titandioksid og aluminiumoksid med diameter på nanometerskala var relativt sett giftigere enn større partikler med samme kjemiske sammensetning. Nanoteknologi ble etablert som et nytt vitenskapelig felt, basert på hvordan strukturering og manipulering av strukturer på nær-atom-skala kunne påvirke fysikalske og kjemiske egenskaper hos det som nå kalles nanomaterialer. I 2011 foreslo EU en definisjon på nanomaterialer som innebærer at de inneholder minst 50 % partikler (regnet i antall) i området 1 100 nano- Mihaela Roxana Cimpan (f. 1964) er førsteamanuensis i biomaterialer ved Institutt for klinisk odontologi, Universitetet i Bergen, og medlem i organisasjonskomiteen av SafeNano-Norge nettverket (2010). Nils Roar Gjerdet (f. 1950) er professor i biomaterialer ved Universitetet i Bergen og arbeider som forsker ved Nordisk institutt for odontologiske materialer as (NIOM as) 121
Nanoteknologi krever også overvåkning av sikkerhetsaspekter Figur 1 Sammenligning av størrelsesorden for nanopartikler, humane celler, bakterier, virus, og molekyler. meter. Kan slike materialer føre til uforutsette helseeffekter? Saken er at de samme egenskapene som gjør nanomaterialer så lovende fra et teknologisk perspektiv, slik som høy reaktivitet og evne til å krysse biologiske barrierer, også gjør dem potensielt skadelige for menneskers helse og for miljøet. Derfor krever utnyttelsen av det fulle potensialet i nanoteknologi samtidig oppfølging av sikkerhetsaspekter. Mot slutten av 1990-tallet ble det i USA satt i gang statlige satsninger som Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN) og American National Nanotechnology Initiative (NNI) som begge ble drivkrefter i utviklingen av nanoteknologi. Det ble klart at det var behov for en disiplin som skulle vurdere mulige helsefarer forbundet med nanoteknologi. «Nanotoksikologi: en voksende disiplin utvikler seg fra studier av ultrafine partikler» ble formalisert blant annet av Günter Oberdörster og hans medarbeidere og med lanseringen av tidsskriftet Nanotoxicology i 2007. I 2008 vedtok EU-kommisjonen en «Code of Conduct for Responsible Nanosciences and Nanotechnological Research», som skal bidra til at forskningsenheter og bedrifter i EU skal sikre en trygg utvikling og bruk av nanoteknologi. EU har finansiert flere prosjekter knyttet til helse- og miljørisiko ved nanoteknologi. En av dem har som mål å utvikle en åpen database som skal lagre forskningsdata innen nanotoksikologi. Databasen er tenkt å være nyttig for både næringsliv og offentlige institusjoner. I Norge ble i 2010 dannet et nasjonalt nettverk, Safe Nano Norway, som har fokus på helse, miljø, sikkerhet, og etiske aspekter relatert til nanoteknologi. Nanopartikler En nanopartikkel er en partikkel med minst en dimensjon som er mindre enn 100 nm (Figur 1). På grunn av den lille størrelsen og den relativt sett store overflaten, kan nanopartikler oppvise spesielle fysikalske og kjemiske egenskaper. Utviklingen av produkter som inneholder nanopartikler har vokst eksponensielt de siste årene. Nanopartikler inngår i dag i mange hverdagslige produkter slik som kosmetikk og renholdsmidler. Nanopartikler kan klassifiseres i tre hovedgrupper: naturlige, utilsiktede, og menneskekonstruerte. Naturlig forekommende partikler, som i vulkansk aske, har alltid eksistert i miljøet. Utilsiktede nanopartikler er biprodukter av industrielle prosesser og andre aktiviteter, slik som forbrenning i motorer. De menneskekonstruerte partiklene kan deles inn med hensyn til sammensetning og bruksområde: metaller, halvledere, metalloksider, nanoleirer, nanorør og kvanteprikker. Hvert av disse 122
materialene har blitt utviklet for spesifikke applikasjoner, som det finnes mange eksempler på i de andre artiklene i dette heftet. Det er lite kjent hvordan konstruerte nanopartikler samvirker med celler eller levende organismer. Det har lenge vært kjent at sølv hemmer vekst av mikroorganismer og dette anvendes i dag i medisinske implantater og i gjenstander for mer alminnelig bruk, slik som tannbørster, tastaturer, oppvaskmaskiner, og tekstiler, for eksempel sokker med «nanosølv». Det er uavklart om slik masse-eksponering representerer en helsefare. Nanopartikler har mange mulige anvendelser innen medisin. Det gjøres forsøk med å bruke nanopartikler som bærere av medikamenter, for å gå gjennom vev og på tvers av naturlige barrierer på vei til målområdet. Dette vil kunne redusere risikoen for bivirkninger. Dette kan du lese mer om i en annen artikkel i dette heftet. En mer direkte metode som kan brukes for overflatesvulster, er å sprøyte inn nanopartikler av jernoksid. Så kan man benytte et eksternt magnetfelt til å varme opp partiklene og det omliggende kreftvevet og derved drepe kreftceller. Samspill mellom nanostrukturer og organismen Nanopartikler kan komme inn i organismer og videre inn i celler (Figur 2) ved andre mekanismer enn de som er aktuelle for oppløselige stoffer eller store partikler. De kan komme til strukturer inne i cellen, for eksempel cellekjernen, som er utilgjengelig for større partikler. Form, størrelse, kjemisk sammensetning, og elektrisk ladning er noen sentrale egenskaper for samspillet mellom nanopartikler og organismer. En forklaring på den økte biologiske reaktivitet av nanopartikler er at de er i størrelsesområdet for biologiske makromolekyler og dermed kan disse påvirke hverandre. Nanopartikler med samme kjemiske sammensetning kan ha forskjellige biologiske effekter på grunn av forskjeller i andre egenskaper. Et eksempel er at karbon i form av nanodiamanter anses å være trygge, mens karbon i form av nanorør kan forårsake uønskede biologiske effekter. Mange nanomaterialer er stabile og uoppløselige og kan derfor forbli i kroppen, med mulighet for hittil ukjente langtidseffekter. Figur 2 Fibroblaster (bindevevsceller) eksponert for titandioksid nanopartikler pilene peker på nanopartikler. Bildet tatt ved hjelp av transmisjonelektronmikroskop (TEM). Foto: Zouhir Ekeland Allouni, 2011. 123
Nanopartikler fra implantater Implantater er kunstige konstruksjoner som settes inn i kroppen for å erstatte tapt vev eller organer og for å opprettholde normal funksjon. Slike konstruksjoner representerer en «indre eksponering», som kan være en kilde til kroppsfremmede substanser, inkludert nanopartikler. Implantatene varierer svært mye i størrelse: fra et lite tannimplantat til store ortopediske implantater som erstatter hele ledd. Et vanlig materiale er titan (Ti) eller titanbaserte legeringer. Under vanlige forhold dannes det et noen nanometer tykt lag av titandioksid (TiO 2 ) naturlig på overflaten av titan, noe som gjør at titan er praktisk sett vevsvennlig og at implantatene integreres godt i kroppen. I ubelastede implantater er det en kontinuerlig, men lite merkbar nydanning av oksidsjiktet. Situasjonen kan være en annen ved implantater som er utsatt for slitasje, slik som leddproteser i hofte og kne (Figur 3). Under uheldige forhold kan slitasje og gnissing føre til at oksidsjiktet blir nydannet i høyt tempo, noe som vil gi partikler i mikrometer- og nanometerstørrelse, som kan migrere til omliggende vev og transporteres med blodet til forskjellige steder i kroppen. Det er ikke tydelig at det gir kliniske komplikasjoner, men det spekuleres på om frigjøringen av nedbrytningsprodukter kan forårsake overømfintlighetsreaksjoner hos disponerte personer. Risikovurdering Nanostrukturer er ikke automatisk farlige. Naturen anvender nanoteknologi i mange av sine prosesser, for eksempel når den bygger en tann eller benvev. Men de menneskeskapte nanostrukturene bør undersøkes systematisk og overvåkes siden de kan finnes i former og doser som miljø eller mennesker ikke har tilpasset seg under evolusjonen. Det er en utfordring å vurdere risiko eller fare for kliniske reaksjoner hos mennesker ut fra resultatene fra laboratorietester. Blant annet kan dosene Figur 3 Hofteprotese fjernet fra pasient. Stammen er laget av en titanlegering og viser en viss slitasje (indikert ved piler). Hoftekulen er av en stållegering og fremstår uskadet. Foto: Nils R. Gjerdet. 124
som anvendes i laboratoriestudier, være urealistiske. Enhver observert biologisk effekt, enten i cellekultur eller i organismer, betyr ikke nødvendigvis at det er en helsefare for den enkelte personen. Selv om det i dag finnes en betydelig mengde data om biologiske effekter av nanopartikler, er de gjerne ufullstendige eller testsubstansene er ikke tilstrekkelig karakteriserte, slik at de ikke er anvendbare til risikovurdering. Det er med andre ord et stort behov for standardisering av både testmaterial og registreringsmetoder. Fremover Nanoteknologi innebærer et stort vitenskapelig fremskritt med et betydelig innovasjonspotensiale til folks beste. Ingen teknologi er uten risiko eller bivirkninger. Forbrukere, utviklere og beslutningstakere må få tilgang til pålitelig informasjon slik at det kan gjøres en avveining mellom fordeler og ulemper. Videre lesning Allouni, ZE, Høl PJ, Cauqui MA, Gjerdet NR & Cimpan MR (2012). Role of physicochemical characteristics in the uptake of TiO 2 nanoparticles by fibroblasts. Toxicology in Vitro 26: 469 479. Commission of the European Communities (2008). Commission recommendation on a code of conduct for responsible nanosciences and nanotechnologies research. (http:// ec.europa.eu/nanotechnology/pdf/ nanocode-rec_pe0894c_en.pdf). Commission Recommendation of 18 October 2011 on the definition of nanomaterial. 2011/696/EU. Official Journal of the European Union. L 275: 54. Maynard AD, Warheit DB & Philbert MA (2011). The New Toxicology of Sophisticated Materials: Nanotoxicology and Beyond. Toxicological Sciences 120(S1): S109 S129. Oberdörster G, Oberdörster E, Oberdörster J (2005). An emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environmental Health Perspectives 113: 823 839. Vamanu CI, Cimpan MR, Høl PJ, Sornes S, Lie SA & Gjerdet NR (2008). Induction of cell death by TiO 2 nanoparticles: Studies on a human monoblastoid cell line. Toxicology in Vitro 22: 1689 1696. Flatebø RS, Høl PJ, Leknes KN, Kosler J, Lie SA & Gjerdet NR (2011). Mapping of titanium particles in peri-implant oral mucosa by Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry and high-resolution optical darkfield microscopy. Journal of Oral Pathology & Medicine 40: 412 420. Informasjon om eventuelle biologiske effekter av nanomaterialer må være lett tilgjengelig 125