Оценка рисков, связанных с наноматериалами

По оценкам экспертов, количество производимых химических веществ для коммерческих целей составляет от 80 000 до 100 000 видов (например, для медицины, пищевых добавок, косметических продуктов, пестицидов и промышленных химических веществ). Причем эти цифры не включают химические вещества, встречающиеся в природе: токсины животного и растительного происхождения (Purchase, 2000). Чтобы новые свойства наноматериалов можно было внедрить в промышленность, с ними необходимо работать, а затем безопасно утилизировать. По мере появления все новых и новых наноматериалов, которые становятся потребительским продуктом, требуется предварительно качественно и количественно оценить, существуют ли риски для здоровья людей или окружающей среды, связанные с их применением. Оценка риска — это классификационная научная характеристика потенциально вредных для здоровья факторов рисков, возникающих при воздействии на людей и окружающую среду опасных агентов или при возникновении опасных ситуаций (National Research Council, 1983, 1994). Как и в отношении более крупных по размеру химических субстанций, оценка рисков является основой для изучения наноматериалов и установления регулирующих норм при безопасной работе с ними. Они проводятся путем всестороннего анализа имеющейся информации и знаний для своевременной защиты здоровья людей и окружающей среды. Оценка риска подразумевает:

• 1) идентификацию опасностей — проведение количественной оценки вредных воздействий различных веществ;
• 2) оценку экспозиции — определение видов экспозиции (источников воздействия и среды), количественных параметров или ее уровней;
• 3) оценку доз и реакций на них — определение зависимости между дозой и проявлением вредного эффекта (степенью воздействия);
• 4) характеристику риска — количественную оценку возможного проявления вредных для здоровья эффектов при разных условиях экспонирования, включая описание неучтенных факторов.

Таким образом, различие между опасностью (заведомо присущей химическому веществу токсичности, которая либо проявляется, либо нет в зависимости от степени экспонирования) и риском (последствиями воздействия опасного химического вещества при конкретном уровне экспонирования), существенно (Purchase, 2000). При оценке потенциальных рисков наноматериалов важна каждая составляющая этого процесса (идентификация опасностей, оценка экспозиции, оценка доз и реакций на них, характеристика риска). Перечисленные составляющие являются универсальными при оценке опасностей и рисков уже используемых при разных условиях химических веществ или продуктов и не зависят от природы этих веществ (являются они растворителями, волокнами, макрочастицами или наноматериалами).

Чтобы оценить риски, связанные с наноматериалами, в первую очередь необходимо идентифицировать и охарактеризовать возможные опасности и оценить вероятность и количественные параметры экспонирования. Возможные последствия для здоровья после работы с наноматериалами определяются на основе класса опасности этих веществ, в том числе зависимости между дозами и реакциями на них. Предварительно изучают физико-химические свойства наноматериалов, проводя тщательно спланированные исследования как в искусственных условиях, так и на живых организмах. На основании полученных результатов получают характеристики токсикологических эффектов и связанные с ними зависимости доз и реакций на них для конкретного ианоматериала (рис. 1.2).

Масштабы токсикологических исследований, которые требуется провести при изучении наноматериалов, варьируются в зависимости от потенциального применения данного материала и полноты наличия всех необходимых данных. Например, использование наноматериалов в медицинских приборах, лекарственных препаратах, пестицидах, продуктах питания или пищевых упаковочных материалах потребует проведения разносторонних исследований как в искусственных условиях, так и на живых организмах, поскольку требуется оценить и охарактеризовать их токсичность. Многие из этих продуктов будут приниматься внутрь или напрямую контактировать с наноматериалом, поэтому также следует провести и доклинические испытания. Только после этого правительственные агентства, занимающиеся вопросами регулирования химических веществ (например, в США этим занимается Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), Управление по охране окружающей среды (ЕРА), также Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA), Европейское агентство по оценке лекарственных средств (ЕМЕА), а также другие национальные агентства в разных странах), дадут одобрение выпуска данного продукта на потребительский рынок (дорыночный этап). Применение наноматериалов в некоторых товарах, когда не требуется получения одобрения на дорыночном этапе и когда эти продукты не регулируются так же строго, как продукты питания и лекарства, скорее всего не потребует проведения масштабных токсикологических исследований. В большинстве случаев потребительские продукты представляют собой матрицу, в которой распределены наночастицы, поэтому вероятность контакта с ними и их воздействия невысока. Однако необходимо обязательно учитывать потенциальные источники воздействия «открытых» наноматериалов на такие продукты (при производстве самих наноматериалов или продуктов, их содержащих, пескоструйной обработке,

Рис. 1.2. Оценка опасностей наноматериалов. Оценку класса опасности можно разделить на две части: определение физико-химических свойств наноматериала и составление его токсикологического профиля. Первая часть должна содержать информацию о размере наночастиц, дисперсности образца, растворимости и агрегатном состоянии, а также о морфологии частиц (в том числе форма, кристаллическая структура, химические свойства поверхности и аллотропное состояние). Токсикологический профиль можно составить, если провести серию исследований в искусственных условиях и на живых организмах, на млекопитающих и в экосистемах

распиливании или резке материалов, например труб, пластика или волокон) или при их утилизации. Существуют документы и инструкции для проведения широкомасштабных исследований в искусственных условиях и на живых организмах, которыми следует руководствоваться при оценке уровней опасности наноматериалов в составе потребительских продуктов (такие документы составили Организация экономического сотрудничества и развития, FDA, ЕРА, Европейский союз). При этом выбор подходящих и необходимых исследований зависит от цели, с которой они проводятся. Может быть, следует составить схему решений, с помощью которой отбирать требуемые исследования в искусственных условиях и на живых организмах для оценки разных токсикологических предельных значений с учетом соответствующих вариантов экспонирования. Ведь в конечном счете цель такого предиктивного подхода в том, чтобы разработать серию экспериментов по определению токсичности, благодаря которой можно выделить оптимальную серию исследований на живых организмах и тем самым сэкономить средства и сократить число привлекаемых для исследований животных (Nel et al., 2006). Обсуждение предлагаемых общих схем и скрининговых исследований по оценке уровня токсикологического потенциала воздействия наноматериалов актуально и в наши дни.

В качестве первичной оценки нового наноматериала можно провести определение количественных соотношений структуры и свойств (метод QSAR) и выявить, имеются ли какие-то структурные сигналы, свидетельствующие о превышении предельно допустимых значений, или их нет. Учитывая достаточно хорошие знания о структурно или функционально связанных составляющих, при помощи QSAR можно провести скрининг фактически любого, хорошо обоснованного биологического, токсикологического или фармакологического предельного значения, которое интересует исследователей, в том числе и кинетические характеристики, например всасывание, распределение, метаболизм, выделение (ADME от absorption, distribution, metabolism, excretion) (Doull et al., 2007). Такие операции можно проводить с помощью обычного программного обеспечения. Однако может отсутствовать токсикологическая или фармакологическая информация о новых искусственно созданных наноматериалах, относящаяся к их структурным или функциональным аспектам. Если говорить о таких наноматериалах, как фуллерены или квантовые точки, результаты их исследований показывают, что функциональные группы, расположенные на поверхности, могут значительно менять токсикологический потенциал. Поэтому по мере накапления данных о влиянии химических структур необходимо создавать базы данных с информацией, которая потребуется для проведения анализов QSAR при изучении наноматериалов (Hardman, 2006; Sayes et al., 2006; Isakovic et al., 2006). Кроме того, для сравнения потенциальных токсикологических воздействий различных веществ или отдельных функциональных групп для конкретного класса наноматериалов (в том числе квантовых точек, фуллеренов и углеродных нанотрубок) может оказаться полезным воспользоваться эквивалентными по токсичности факторами (TEF). Методологию TEF предложило Управление по охране окружающей среды, чтобы оценивать опасности смесей структурно связанных химических веществ, обладающих одинаковым механизмом действия. Факторы TEF были разработаны для сравнения токсичности таких веществ, как диоксины или полициклические ароматические углеводороды, состоящие из нескольких сложных веществ (Van den Berg et al., 2006; Haws et al., 2004; Petry et al., 1996). Разработка TEF для отдельных наноматериалов может оказаться полезной для проведения оценок рисков наиболее опасных классов наноматериалов.

При оценивании риска наноматериалов очень важно знать зависимость между дозами и реакциями организма на них. Во многих случаях оценку этой зависимости приходится экстраполировать на дозы, при которых начинают проявляться вредные эффекты. Обычно в проведении подобных токсикологических исследований участвуют животные, чтобы впоследствии выйти на уровни экспонирования, которые можно считать безопасными для человека. Если данные о предельно допустимых дозах для людей доступны, ими можно воспользоваться и для установления тех безопасных уровней экспонирования для данного наноматериала, которые не связаны с каким-то конкретным вредным эффектом. Кроме того, следует собирать данные по токсикокинетическим параметрам наноматериалов: всасывание, распределение, метаболизм, выведение (ADME), так как эту информацию можно использовать для определения доз и реакций организма на них, а также уточнения приемлемых оценочных уровней экспонирования.

При определении зависимости реакции организма от дозы неканцерогенных химических веществ в первую очередь следует установить вредный эффект, который наблюдается при минимальной дозе в экспериментах на животных или некоторых группах людей (например, при изучении особенностей ряда профессий). В качестве порогового значения может выступать «наблюдаемый уровень минимального вредного воздействия» (ЕОАЕЕ) или «ненаблюдаемый уровень вредного воздействия» (>ЮАЕЕ). Конечно, обязательно нужно учитывать соответствие биологических реакций у людей и животных, поскольку в ряде случаев эффекты, наблюдаемые у животных, из-за физиологических различий с человеческим организмом у людей не встречаются. Есть другой вариант: для оценки величины бенчмаркинговой дозы (ВМО) на основе имеющихся данных о зависимостях между экспозицией и ответной реакцией организма можно провести бенчмаркинговое моделирование, взяв для этого подходящие математические модели. ВМО можно определить как дозу вещества, которая вызывает конкретное повышение риска заболевания, обычно находящееся в диапазоне от 1 до 10% от общего воздействия на здоровье, или как дозу, связанную с методом ее измерения или изменения силы биологического эффекта. Если имеется достаточное количество данных, то при использовании подхода на основе ВМО можно получить более точные количественные параметры, чем при выборе методов ЕОАЕЕ/ЫОАЕЕ для выявления неканцерогенных воздействий на здоровье. После того как для конкретного наноматериала установлены значения ВМО, ЕОАЕЕ или ИОАЕЕ, основываясь на факторах безопасности или неопределенности, можно экстраполировать результаты, полученные в экспериментах на животных, на людей (т. е. прибегнуть к межвидовой экстраполяции при условии, что значения ВМО, БОАЕЬ или 1МОАЕЕ изначально не относятся к результатам экспериментов на людях). Это необходимо, чтобы учесть вариативность реакций или чувствительность к воздействию разных людей из популяции и, если требуется, экстраполировать условия экспонирования, вызывающие острые заболевания, на возможные хронические заболевания. Значения ВМО, БОАЕБ или ЕЮАЕЕ можно классифицировать по факторам безопасности, чтобы определить уровни безопасного экспонирования или величину стандартной (референтной) дозы. Использование факторов безопасности приводит к определению приемлемого уровня экспонирования, который, как правило, более чем в 100 раз ниже дозы, при которой не наблюдается никаких эффектов при воздействии изучаемого химического вещества (например, наноматериала). Поэтому такое значение является вполне надежным с точки зрения защиты здоровья людей и считается консервативной оценкой. Подход на основе факторов безопасности применяется уже на протяжении многих лет и является базовым при оценивании рисков регулирующими агентствами, когда они устанавливают безопасные уровни экспонирования для широкого класса химических веществ. Этот подход также может быть пригодным и для установления безопасных уровней экспонирования наноматериалов. Однако при работе с факторами безопасности существует множество изначально присущих этому подходу неопределенностей. Если есть фармакокинетические и фармакодинамические данные химического вещества, оценку рисков с точки зрения биологии можно проводить либо не прибегая к факторам безопасности, либо пользуясь ими весьма ограниченно.

Определение зависимостей между дозами и реакциями для них для канцерогенных веществ более сложно, так как в отношении некоторых из них считается, что никакого порогового значения для их вредных эффектов не существует, поэтому значения ЫОАЕЬ установить нельзя. Экстраполяцию результатов с низкими дозами канцерогенов можно осуществить при помощи таких математических моделей, как многоэтапная, нелинейная вероятность с нормальным распределением, вероятность с логистическим распределением и линейная экстраполяция. При изучении канцерогенов важно учитывать, считаются ли они генотоксическими или негенотоксическими и существует ли пороговое значение для проявляющейся канцерогенной реакции на них. Чтобы оценить риски канцерогенов, при определении влияния небольших доз этих веществ, а также взаимосвязи дозы и реакции на нее, требуется более всесторонний учет имеющихся данных, в том числе информация о механизме канцерогенное™. В результате мы получаем показатели, известные как канцерогенные факторы. Если говорить о канцерогенах, для них мы найдем предельное значение риска ракового заболевания, которое вычисляется умножением вероятной допустимой дозы или оценочного значения экспонирования на вероятность заболевания. Таким образом, мы вычислим максимальную вероятность возникновения ракового заболевания, к которому может привести воздействие токсического вещества на протяжении всей жизни организма. Ее значение обычно выражается в виде риска для популяции: например, запись 1 - КГ⁶ означает, что раковое заболевание возникнет не более, чем у одного человека из миллиона людей, подвергающихся воздействию данного вещества. Оценка риска, проведенная этим способом, не является научной; она позволяет узнать только «верхнюю границу» риска, которая в большей степени требуется для работы регулирующим органам, когда они задают ограничения на экспонирование.

Помимо сбора информации, необходимой для оценки опасностей и определения зависимости между дозами веществ и реакциями на них, оценку экспонирования также необходимо проводить для получения характеристик любых потенциальных рисков, связанных с наноматериалами. Если устанавливается, что наноматериал является безвредным и не оказывает вредного воздействия на здоровье людей или окружающую среду, то, вероятно, нет необходимости проводить дополнительные токсикологические исследования или другие масштабные оценки экспонирования. И наоборот, в тех случаях, когда выявлено вредное влияние наноматериала, требуется провести дополнительные исследования как в искусственных условиях, так и на живых организмах, чтобы точно оценить потенциал его воздействия при систематическом экспонировании на основе оценочных значений внутренних доз (при проникновении такого вещества ингаляционным, оральным или дермальным путем). Большая часть опубликованных токсикологических и эпидемиологических данных для человека связана с воздушно-капельным экспонированием наночастиц или сверхтонких частиц. Однако есть и другие варианты попадания наноматериалов в организм:

• 1) поглощение (продукты питания, пищевые добавки и продукты личной гигиены, различные фармацевтические препараты и медицинские приборы);
• 2) через кожу (продукты, контактирующие с кожей, и косметические товары);
• 3) инъекции или имплантации (Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCEN1HR), 2006).

При оценивании экспонирования потребуется включить информацию о продуктах, содержащих наноматериалы, частоте их использования, продолжительности контакта с ними разных людей, в том числе чувствительных к веществу (например, младенцев, пожилых людей, беременных), концентрации наноматериала в готовом товаре, вероятности нецелевой эксплуатации продукта, а также о его утилизации.

На данный момент мы не обладаем достаточными знаниями о токсичности большинства искусственно созданных наноматериалов или информацией о характеристиках продуктов, содержащих наноматериалы и/или уровнях экспонирования на рабочих местах, чтобы оценить, насколько они безопасны. Считается, что у потребительских продуктов, содержащих наноматериалы в свободном виде, которые непосредственно воздействуют на человека или напрямую попадают в окружающую среду, высокий потенциал экспонирования. Продукты, в состав которых включены наночастицы, относятся к материалам с косвенным воздействием на человека или эмиссией в окружающую среду, поэтому, с этой точки зрения, у них низкий потенциал экспонирования и сопровождающих его опасностей. Возможно, потребуется отнести продукты с высоким уровнем экспонирования свободных наноматериалов (как на рабочих местах, так и на потребителей в процессе эксплуатации) к более высокой категории, для которой необходимо провести дополнительное изучение потенциальных рисков для здоровья. Данные о вероятности ожидаемой экспозиции вещества и ее числовых параметров важны, при этом степень приоритета последующих исследований возможных рисков зависит и от токсичности самого наноматериала. В настоящее время только понимания уровней экспонирования и профилей токсичности для большинства искусственно созданных наноматериалов недостаточно для определения рисков. Поскольку отсутствует полная информация по этим вопросам, вероятно, еще слишком рано оценивать риски для человеческого здоровья и для окружающей среды, а стоит в первую очередь ликвидировать пробелы в знаниях о влиянии наноматериалов.

Важным этапом при оценивании безопасности является определение ожидаемого пути и уровня экспонирования, которое необходимо проводить для каждого наноматериала отдельно, а в случаях необходимости учитывать и вторичное экспонирование. Затем оценочные уровни экспонирования можно сравнить со значением расчетной дозы безопасности, полученным на основе идентификации опасностей. Ожидается, что процедуры и факторы, учитываемые в ходе оценки экспонирования наноматериалов, не будут отличаться от аналогичных процедур и факторов, принимаемых во внимание при изучении более крупных частиц или химических веществ. Степень опасностей, связанных с экспонированием любого химического вещества или субстанции, независимо от его физико-химических характеристик, зависит от нескольких факторов, в том числе от токсичности, зависимости предельной дозы и реакций на нее, концентрации вещества, пути, продолжительности и/или частоты его экспонирования. Однако в зависимости от пути ожидаемого экспонирования (дермального, ингаляционного или орального), в отсутствии систематического воздействия химическое вещество может не вызывать риска заболеваний. Взаимодействие с химическим веществом не будет приводить к вредным эффектам до тех пор, пока в организме оно не накопится в достаточном количестве, т. е. пока не будет достигнута его определенная концентрация. Поэтому для проявления реакции необходимо какое-то время. Важно отметить, что измеренная концентрация химического вещества, находящегося в организме, еще не свидетельствует о вредном влиянии, хотя может являться надежным индикатором химического воздействия. В случае дермального экспонирования вещество, не преодолевшее кожный покров, действует временно. Для систематического воздействия необходимо, чтобы оно преодолело несколько клеточных слоев кожи, в том числе прочный роговый слой — именно он определяет степень проникновения. В то же время вероятно, что такой материал, как наночастица, может вызвать локальный и временный вредный эффект и/или аллергические реакции, например раздражение, аллергический контактный дерматит, кожная сыпь, или фототоксические реакции, возможные даже без преодоления частиц кожного покрова. При проведении токсикологических исследований вероятность появления некоторых из этих случаев следует обязательно оценить. Из-за широкого диапазона потенциальных областей применения продуктов нанотехнологий существуют разные пути экспонирования наноматериалов. В результате может возникнуть и столь же широкий диапазон воздействий на здоровье человека и окружающую среду. В настоящее время мы обладаем лишь ограниченными знаниями о путях этого экспонирования и о его количественных параметрах, а также о потенциальном воздействии наноматериалов на окружающую среду. Поэтому, конечно, необходимо в полной мере разобраться в тех плюсах и минусах, которые несут с собой наноматериалы по сравнению с обычными химическими веществами и продуктами на протяжении всего своего жизненного цикла.

Заключительный этап оценки риска называется «определение характеристик риска», в ходе которого обобщается информация, полученная на предыдущих этапах работы. Это позволит вычислить вероятность возникновения вредного для человеческой популяции или окружающей среды последствия, в результате экспозиции данного химического вещества. Затем характеристики рисков и общая оценка качества информации, полученной при анализе рисков, попадает к риск-менеджеру, чтобы он принял необходимые решения, связанные с их управлением.

По мере того как по наноматериалам будет поступать все новая и новая научная информация, можно будет точнее оценивать их безопасность и риски для здоровья людей и их воздействие на окружающую среду. Складывается впечатление, что современный общий подход (парадигма) к оценке риска, который применяется при рассмотрении экспонирования традиционных химических веществ, также подходит и для оценки риска наноматериалов. 8СЕМН11, научная группа Европейского союза, подготовила доклад с предложениями о возможном модифицировании процецедуры оценки рисков, относящихся к искусственно созданным наноматериалам (ЗСЕМНИ., 2007). Для этого, по-видимому, потребуются дополнительные данные, которые необходимо учесть на ранних этапах планирования исследований, чтобы при проведении оценок будущих рисков уже имелась полная и полезная информация (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Основные пробелы в знаниях, которые необходимо устранить при проведении оценок рисков наноматериалов

Специалисты ожидают, что в ходе предстоящих исследований эти вопросы будут изучены более подробно. Но в любом случае важно, чтобы планирование исследований проводилось таким образом, чтобы полученная информация пригодилась на последующих этапах оценки рисков наноматериалов.