Os cientistas continuamente expandem as fronteiras da ciência para territórios desconhecidos. Algumas dessas descobertas desafiam nossa imaginação. E muitas têm um preço.
Os nanomateriais estão na vanguarda da pesquisa científica há mais de uma década. Esses materiais minúsculos são definidos como substâncias microscópicas que medem de 1 nm a 100 nm. As nanopartículas são até um milhão de vezes mais finas que um fio de cabelo humano.
Devido ao seu tamanho reduzido, as nanopartículas possuem uma grande relação entre área superficial e volume. Esses materiais oferecem uma gama de propriedades que podem ser diferentes das configurações maiores da mesma substância – tipicamente, maior resistência, reatividade química ou condutividade elétrica. E essas propriedades podem ser exploradas de diversas maneiras. Nanopartículas fabricadas podem encontrar aplicações práticas em várias áreas, incluindo medicina, engenharia, catálise, manufatura e remediação ambiental.
Christie Sayes, Ph.D., Professora Associada, Universidade Baylor
Muitos compartilhavam a crença de que as nanopartículas poderiam apresentar um risco maior de toxicidade em comparação com partículas maiores, devido à sua maior reatividade química e atividade biológica. Essas partículas nanoscópicas podem entrar no corpo por inalação, ingestão e penetração dérmica, devido ao seu pequeno tamanho. Uma vez dentro do corpo, as nanopartículas são capazes de atravessar as membranas celulares e podem interagir com componentes subcelulares.
A nanotoxicidade, ou nanotoxicologia, refere-se aos potenciais efeitos adversos à saúde relacionados à exposição a nanomateriais produzidos em laboratório, de acordo com Christie Sayes, Ph.D. Sayes é professora associada do Departamento de Ciências Ambientais da Universidade Baylor. Sua pesquisa investiga os efeitos desses nanomateriais em tecidos vivos e em sistemas animais completos.
Estudos com animais na última década demonstraram que algumas nanopartículas podem penetrar nas células e nos tecidos. Elas podem se deslocar pelo corpo, atingir órgãos vitais como o coração ou o cérebro, causar danos bioquímicos e contribuir para a progressão de doenças.
Você se depara com nanopartículas todos os dias. As aplicações das nanopartículas variam desde o fortalecimento de fibras em tecidos até o aumento da potência em discos rígidos de computadores. A nanotecnologia também desempenha um papel importante na fabricação de inúmeros produtos de consumo que usamos regularmente.
Os benefícios podem ser encontrados em aplicações de eletrônica e tecnologia da informação, aplicações médicas e de saúde, armazenamento e distribuição de energia e remediação de contaminantes no meio ambiente.
Cientistas e engenheiros têm obtido grande sucesso no desenvolvimento de materiais em nanoescala para aproveitar suas propriedades aprimoradas, como maior resistência, menor peso, maior condutividade elétrica e bioatividade, em comparação com seus equivalentes em escala maior. Nanopartículas projetadas são utilizadas de centenas de maneiras.
Os transistores, os interruptores básicos que possibilitam toda a computação moderna, tornaram-se menores graças aos processos da nanotecnologia. Os materiais podem ser incorporados em painéis solares para converter a luz solar em eletricidade de forma mais eficiente, prometendo energia solar barata no futuro.
Imagem hiperespectral óptica sobreposta a uma imagem de campo escuro aprimorada. A cor vermelha destaca nanotubos de carbono (aglomerados), a cor roxa destaca o tecido pulmonar e a cor azul destaca os núcleos das células pulmonares.
Nanopartículas projetadas podem ser mais tóxicas do que partículas maiores porque conseguem se mover com mais liberdade do que moléculas maiores. As defesas naturais do corpo contra invasores externos foram geralmente projetadas para partículas maiores.
A exposição a nanopartículas já foi associada a uma série de efeitos agudos e crônicos. Estes variam desde inflamação, exacerbação da asma e febre dos fumos metálicos até fibrose, doenças pulmonares inflamatórias crônicas e carcinogênese, conforme relatado pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH). Diversos estudos demonstraram que nanopartículas inaladas ou ingeridas podem entrar na circulação sistêmica e migrar para diferentes órgãos e tecidos.
Micrografia confocal de varredura a laser de células gastrointestinais humanas em cultura. A cor verde destaca a membrana da superfície celular, a cor azul destaca os núcleos celulares e a cor vermelha destaca as mitocôndrias.
Segundo Sayes, as toxicidades que ocorrem em nível celular são únicas. Se uma célula percebe que está sofrendo danos significativos, ela possui um mecanismo de controle chamado apoptose, que significa simplesmente suicídio celular. A célula pode reconhecer que está passando por um evento tóxico e optar por se eliminar antes que a toxicidade se espalhe para outras células vizinhas, para órgãos, sistemas orgânicos ou para todo o corpo. É um mecanismo de defesa que animais e plantas possuem contra contaminações. Portanto, o que acontece em nível celular pode não se estender ao nível do organismo como um todo.
“É importante saber a via de exposição e a concentração da substância à qual você pode ter sido exposto, para então caracterizar os efeitos”, disse ela.
Nanopartículas de ouro com diâmetro inferior a 20 nm.
Sayes afirmou que, na maioria das vezes, quando um toxicologista ou um especialista em saúde ambiental fala sobre nanotoxicologia ou nanotoxicidade, está se referindo a efeitos adversos à saúde que ocorrem em nível celular. Isso porque um nanomaterial é tão pequeno que a primeira interação que ele pode ter após a exposição ocorre em nível celular.
“Trata-se de uma interface entre o nanomaterial inorgânico sintético projetado e a membrana celular orgânica”, disse ela. “Nessa interface, podem ocorrer algumas reações químicas ou bioquímicas. Isso é algo que os nanotoxicologistas podem observar, medir e caracterizar.”
Está comprovado repetidamente que as nanopartículas conseguem penetrar e permear as membranas celulares, mas também são capazes, devido ao seu pequeno tamanho, de viajar pelas vias aéreas, chegando aos pulmões e áreas que partículas maiores geralmente não conseguem alcançar. De fato, alguns estudos demonstraram que as nanopartículas podem se deslocar dos pulmões para o sistema circulatório.
No entanto, a ameaça individual que os nanomateriais poderiam representar não se confirmou.
“Nos últimos 15 anos, surgiram muitas hipóteses de que a exposição a nanomateriais sintéticos possa representar um tipo de ameaça diferente de outros tipos de substâncias”, disse ela. “Mas a literatura científica ainda não revelou ameaças específicas dos nanomateriais.”
Não que os nanomateriais não representem um perigo que valha a pena estudar.
“Temos observado um aumento na vulnerabilidade de diferentes sistemas orgânicos”, disse Sayes. “Por exemplo, as nanopartículas, quando aerossolizadas e inaladas, conseguem atingir as áreas distais do pulmão, onde partículas maiores não conseguem se depositar ou chegar. Mas o grau de toxicidade, ou a dose necessária para provocar uma reação adversa, é muito menor quando se é exposto a um nanomaterial em comparação com uma partícula de tamanho normal ou micrométrico.”
O limiar ou a concentração de uma nanopartícula necessária para induzir uma resposta é menor do que a concentração desse mesmo material seria necessária para produzir a mesma resposta. Portanto, são necessárias menos nanopartículas para provocar a mesma resposta que uma partícula maior poderia provocar.
“Os trabalhadores ocupacionais são o grupo de indivíduos que estariam expostos a um nível mais elevado de efeitos nocivos, porque estariam expostos a nanopartículas em aerossol que existem antes de serem formuladas em uma pasta para serem incorporadas ao produto”, disse Sayes.
Isso incluiria aqueles que trabalham em uma fábrica que utiliza nanomateriais como parte de seu processo de produção.
Mas, com o tempo, as pessoas comuns são expostas a nanopartículas que inevitavelmente se misturam com outros materiais, o que faz com que essas partículas aumentem de tamanho. As nanopartículas mudam rapidamente à medida que o processo de desenvolvimento do produto avança.
“Quando um consumidor é exposto a um produto que contém nanopartículas, a probabilidade de ele ser exposto a uma partícula pura é muito pequena”, disse Sayes. “Na verdade, ele seria exposto a uma formulação que pode conter uma pequena concentração de nanopartículas.”
Pode ter perdido suas propriedades nanométricas, ou essas propriedades podem ter sido diminuídas.
Os nanomateriais podem entrar no ecossistema por diversas vias. Uma delas é através de estações de tratamento de águas residuais, por meio do efluente de uma máquina de lavar roupa, onde os nanomateriais potencializam os detergentes utilizados na lavagem de roupas. Na agricultura, os agricultores podem utilizar fertilizantes, pesticidas ou herbicidas com nanotecnologia. Esses produtos seriam aplicados em plantações, animais e alimentos. O escoamento das plantações ou dos próprios animais também pode infiltrar-se no solo ou na água.
“Nanopartículas ou nanomateriais não se degradam facilmente”, disse Sayes. “Essa é uma das razões pelas quais os nanoquímicos e cientistas de materiais gostam tanto deles, porque são muito estáveis. Assim, tendem a ser persistentes no ambiente, o que significa que permanecem intactos no solo, na água e no ar por um longo tempo. É claro que isso depende do tamanho, da carga e da composição, mas é possível detectar partículas. Já detectamos partículas no ar, na água, no solo e em tecidos humanos.”
No entanto, os nanomateriais não são fundamentalmente diferentes de qualquer outro tipo de partícula material ou substância química em termos de toxicidade.
Existem diversas propriedades, características ou descritores sobre nanomateriais individuais que os tornam mais ou menos tóxicos. Uma delas é a composição química. A composição química torna-se um dos principais indicadores do potencial efeito adverso à saúde em caso de exposição. Portanto, sua toxicidade não difere da de outros nanomateriais, dependendo de sua composição em escala atômica. Isso também inclui os elementos e a estrutura específicos presentes. Tal fator pode ser um determinante da toxicidade potencial.
Por exemplo, um nanomaterial que contenha um metal pesado como cádmio ou chumbo pode ser mais citotóxico, ou seja, tóxico para as células vivas, do que um nanomaterial que contenha algo mais inerte como carbono, oxigênio ou silício.
“Acho que as pessoas deveriam se preocupar com a toxicidade, ponto final”, disse Sayes. “Assim como você deve se preocupar com a exposição a produtos químicos, ambientais ou farmacêuticos, também deve se preocupar com a exposição a nanomateriais sintéticos. No fim das contas, a exposição e o perigo estão relacionados à dose ou à concentração do material e à substância à qual você está exposto.”
Sayes acredita que as pessoas devem se preocupar com a toxicidade em geral, seja ela proveniente da exposição a produtos farmacêuticos, químicos, agentes ambientais ou nanomateriais sintéticos. Os nanomateriais sintéticos são apenas um dos muitos elementos dos quais devemos estar cientes.
“Preocupo-me com a mistura de substâncias às quais estou exposta”, disse ela. “Não me preocupo tanto com os nanomateriais que possam estar no protetor solar que aplico no rosto durante o verão, mas talvez seja a coexposição do protetor solar com a inalação de ar de má qualidade ou água potável contaminada. É a combinação de múltiplas exposições, a exposição persistente e o acúmulo de múltiplos materiais que realmente são pouco estudados. E é provavelmente aí que reside a maior incerteza.”
Não que a ciência não tenha feito progressos.
“A comunidade toxicológica tem uma noção bastante precisa da toxicidade da exposição a materiais individuais, mas não temos um entendimento tão bom sobre o que acontece quando somos expostos a múltiplas nanopartículas simultaneamente, ou a um nanomaterial juntamente com algum outro tipo de contaminante”, disse ela.
Se os nanomateriais não representam, por si só, riscos consideráveis à saúde, por que toda essa repercussão na imprensa popular?
“Acho que havia muita incerteza na comunidade científica”, disse Sayes. “Podem ser percepções desatualizadas, porque essa percepção específica era precisa há cinco, dez, quinze anos. Estamos começando a projetar experimentos para responder a essas questões sobre riscos. Talvez tenha havido uma defasagem entre a compreensão do público sobre os riscos da nanotecnologia e a dos cientistas. Pode ser que a ciência esteja um pouco mais avançada do que a compreensão ou o nível de conhecimento da população em geral sobre o assunto. Talvez seja necessário um esforço mais conjunto para comunicar ao público em geral o que descobrimos na literatura.”
Microscópio confocal Raman HORIBA XploRA™ Plus acoplado ao sistema de imagem hiperespectral e de campo escuro aprimorado CytoViva.
A pesquisa sobre nanotoxicidade continua. Sayes estuda as interações de nanomateriais e tecido orgânico em nível celular. Ela utiliza um microscópio confocal Raman HORIBA XploRA™ Plus acoplado ao sistema de imagem hiperespectral e de campo escuro aprimorado CytoViva. Trata-se de um instrumento altamente especializado, produzido por meio de uma colaboração entre HORIBA Scientific e a CytoViva. O dispositivo combina microscopia Raman com imagem hiperespectral óptica, de acordo com Maruda Shanmugasundaram, Ph.D., cientista de aplicações AFM-Raman HORIBA
“As duas tecnologias, com base em seu funcionamento, são semelhantes entre si e podem fornecer informações muito complementares”, disse Shanmugasundaram. “Portanto, os dados obtidos com as duas tecnologias na mesma área de amostragem podem ser correlacionados entre si.”
Como resultado da integração, a plataforma de microscopia combinada oferece modos de imagem de campo amplo (reflexão, transmissão, campo claro, campo escuro, luz polarizada e epifluorescência) e imagem hiperespectral (Raman, fluorescência, fotoluminescência, transmitância e refletância).
O que isso faz, disse Sayes, é permitir que os pesquisadores estudem os nanomateriais absorvidos pelo tecido e o próprio tecido de forma não destrutiva. Fornece não apenas informações visuais e qualitativas, mas também pode quantificar o tipo de reação que pode estar ocorrendo. Em alguns casos, há fortes reações bioquímicas. Em outros, não.
“É importante entendermos a natureza dessa interação, para que possamos compreender melhor que tipo de toxicidades podem ser induzidas”, disse ela. “Elas podem ser mais citotóxicas.”
O objetivo do estudo era desenvolver uma nova metrologia (técnicas de medição) para obter informações sobre o nanomaterial inorgânico, neste caso, nanotubos de carbono, e o sistema biológico, neste caso, tecido pulmonar de camundongo, na mesma plataforma e ao mesmo tempo, com um método que não destrua a amostra.
Sayes afirmou que sua pesquisa demonstra um modelo para estudos futuros.
“Minha colaboração com HORIBA é um excelente exemplo de pesquisadores da academia colaborando com pesquisadores da indústria, não apenas para preparar amostras para um estudo toxicológico, mas também para usar este instrumento único, um instrumento projetado especificamente para obter informações qualitativas e quantitativas sobre uma amostra de tecido toxicológico”, disse ela. “A microscopia Raman pode ser combinada com imagens hiperespectrais para fornecer informações mensuráveis tanto sobre nanotubos de carbono quanto sobre tecido pulmonar simultaneamente.”
É um tema de estudo que se adapta bem à colaboração interinstitucional.
“A nanotoxicologia é uma área em que acadêmicos podem colaborar com a indústria e o governo, com pesquisadores e órgãos reguladores, no desenvolvimento de projetos experimentais, na execução de estudos e na interpretação dos resultados de maneira altamente colaborativa e interdisciplinar”, disse Sayes. “Obtemos múltiplas perspectivas de diversas partes interessadas em todos os aspectos do estudo, o que o torna lucrativo, divertido e gratificante.”
Embora a pesquisa sobre nanotoxicidade continue, a toxicidade pode estar mais relacionada à composição do material do que ao seu tamanho.
“Os nanomateriais são como qualquer outra substância e podem contribuir para o surgimento de diversas doenças ou condições”, disse Sayes. “A diferença é que nenhuma delas (doenças ou condições) é exclusiva dos nanomateriais. Existem outros materiais que também podem induzir esses mesmos efeitos. Mas o fato de serem tão pequenos e poderem adquirir essas diferentes propriedades químicas não afeta o tipo de toxicidade induzida. Porém, afeta a extensão da toxicidade.”
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