Los científicos empujan continuamente las fronteras de la ciencia hacia territorios desconocidos. Algunos desafían nuestra imaginación. Y muchas tienen un coste.
Los nanomateriales han estado a la vanguardia de la investigación científica durante más de una década. Estos diminutos materiales se definen como sustancias microscópicas que miden entre 1 nm y 100 nm de tamaño. Las nanopartículas son hasta un millón de veces más finas que un cabello humano.
Debido a su pequeño tamaño, las nanopartículas tienen grandes relaciones superficie-volumen. Estos materiales ofrecen una variedad de propiedades que pueden diferir de configuraciones más grandes de la misma sustancia, normalmente con mayor resistencia, reactividad química o conductividad eléctrica. Y esas propiedades pueden aprovecharse de muchas maneras. Las nanopartículas manufacturadas pueden encontrar aplicaciones prácticas en diversas áreas, incluyendo medicina, ingeniería, catálisis, fabricación y remediación ambiental.
Christie Sayes, Ph.D., Profesora Asociada, Universidad de Baylor
Muchos compartían la creencia de que las nanopartículas pueden tener un mayor riesgo de toxicidad en comparación con partículas más grandes, debido a su mayor reactividad química y actividad biológica. Estas partículas nanoscópicas pueden entrar en el cuerpo mediante inhalación, ingestión y penetración dérmica debido al pequeño tamaño de estas sustancias. Una vez dentro del cuerpo, las nanopartículas pueden atravesar las membranas celulares y pueden interactuar con componentes subcelulares.
La nanotoxicidad, o nanotoxicología, se refiere a los posibles efectos adversos para la salud relacionados con la exposición a nanomateriales modificados, según Christie Sayes, Ph.D. Sayes es profesor asociado en el Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Baylor. Su investigación profundiza en los efectos de estos nanomateriales sobre tejidos vivos y sistemas animales completos.
Estudios con animales en la última década han demostrado que algunas nanopartículas pueden penetrar en células y a través de tejidos. Estos pueden moverse por el cuerpo, alcanzar órganos vitales como el corazón o el cerebro, causar daños bioquímicos y contribuir a la progresión de la enfermedad.
Te cruzas con nanopartículas todos los días. Las aplicaciones de nanopartículas van desde el refuerzo de fibras en telas hasta el aumento de potencia en discos duros de ordenadores. La nanotecnología también desempeña un papel importante en la fabricación de numerosos productos de consumo que utilizamos habitualmente.
Los beneficios se encuentran en aplicaciones de electrónica y tecnología de la información, aplicaciones médicas y sanitarias, almacenamiento y distribución de energía, y remediación de contaminantes en el medio ambiente.
Científicos e ingenieros han tenido gran éxito desarrollando materiales a nanoescala para aprovechar sus propiedades mejoradas de mayor resistencia, menor peso, mayor conductividad eléctrica y bioactividad, en comparación con sus equivalentes a mayor escala. Las nanopartículas diseñadas se utilizan de cientos de maneras.
Los transistores, los interruptores básicos que permiten toda la computación moderna, se han reducido gracias a los procesos nanotecnológicos. Estos materiales pueden incorporarse en paneles solares para convertir la luz solar en electricidad de forma más eficiente, prometiendo energía solar económica en el futuro.
Una imagen óptica hiperespectral superpuesta a una imagen de campo oscuro mejorado. El rojo resalta nanotubos de carbono (aglomerados), el paura resalta el tejido pulmonar y el azul resalta los núcleos celulares pulmonares.
Las nanopartículas modificadas pueden ser más tóxicas que las partículas más grandes porque pueden moverse con mayor libertad que las moléculas más voluminosas. Las defensas naturales del cuerpo contra invasores extranjeros estaban generalmente diseñadas para partículas más grandes.
La exposición a nanopartículas se había asociado previamente con una variedad de efectos agudos y crónicos. Estos van desde inflamación, exacerbación del asma y fiebre por humos metálicos hasta fibrosis, enfermedades pulmonares inflamatorias crónicas y carcinogénesis, según informan los Institutos Nacionales de Salud. Diversos estudios han demostrado que nanopartículas inhaladas o ingeridas pueden entrar en la circulación sistémica y migrar a diferentes órganos y tejidos.
Una micrografía láser confocal de células gastrointestinales humanas en cultivo. El verde resalta la membrana superficial celular, el azul resalta los núcleos celulares y el rojo resalta las mitocondrias.
Las toxicidades que ocurren a nivel celular son únicas, según Sayes. Si una célula entiende que está sufriendo un daño sustancial, tiene un mecanismo de control llamado apoptosis, que simplemente significa suicidio celular. La célula puede reconocer que está pasando por algún evento tóxico y puede optar por eliminarse antes de que esa toxicidad se extienda a otras células circundantes, a órganos, sistemas orgánicos o a todo el cuerpo. Es un mecanismo de defensa que tienen animales y plantas contra una contaminación. Así que lo que ocurre a nivel celular a veces puede no extrapolarse a nivel de todo el organismo.
"Es importante conocer la ruta de exposición y la concentración de lo que podrías haber estado expuesto, y luego puedes caracterizar los efectos", dijo.
Nanopartículas de oro que miden menos de 20 nm de diámetro.
Sayes dijo que la mayoría de las veces, cuando un toxicólogo o un especialista en salud ambiental habla sobre nanotoxicología o nanotoxicidad, se refieren a efectos adversos para la salud que ocurren a nivel celular. Esto se debe a que un nanomaterial es tan pequeño que la primera interacción que un nanomaterial podría tener tras la exposición ocurre a nivel celular.
"Es una interfaz entre el nanomaterial inorgánico y sintético y modificado con la membrana celular orgánica", dijo. "En esa interfaz podrían producirse reacciones químicas o bioquímicas. Eso es algo que los nanotoxicólogos pueden observar, medir y caracterizar."
Se ha demostrado una y otra vez que las nanopartículas penetran y penetran a través de las membranas celulares, pero también pueden, debido a su pequeño tamaño, viajar por nuestras vías respiratorias, en los pulmones, a zonas a las que las partículas más grandes normalmente no pueden llegar. De hecho, algunos estudios han demostrado que las nanopartículas pueden trasladarse del pulmón al sistema circulatorio.
Sin embargo, la amenaza individual que podrían suponer los nanomateriales no se ha confirmado.
"Ha habido muchas hipótesis en los últimos 15 años de que quizá la exposición a nanomateriales diseñados podría suponer un tipo de amenaza diferente a la de otros tipos de sustancias", afirmó. "Pero la literatura realmente no ha revelado amenazas exclusivas de los nanomateriales."
No es que los nanomateriales no supongan un peligro que merezca la pena estudiar.
"Hemos visto un aumento de vulnerabilidades en diferentes sistemas de órganos", dijo Sayes. "Por ejemplo, las nanopartículas, cuando se aerosolizan y las inhalas, pueden llegar a las zonas distales del pulmón, donde las partículas de mayor tamaño no pueden depositarse ni alcanzar. Pero el grado de toxicidad o la dosis necesaria para provocar una respuesta adversa es mucho menor cuando se expone a un nanomaterial en comparación con un tamaño grande o una partícula microdimensionada."
El umbral o la concentración de una nanopartícula que induce una respuesta es menor que la concentración de ese mismo material. Así que se necesitan menos nanopartículas para provocar la misma respuesta que una partícula más grande podría provocar.
"Los trabajadores ocupacionales son el grupo de individuos que estarían expuestos a un nivel más alto de efectos perjudiciales, porque estarían expuestos a nanopolvos aerosolizados que existen antes de que se formulen en una suspensión para incorporarse a un producto", explicó Sayes.
Eso incluiría a quienes trabajan en una planta de fabricación que utiliza nanomateriales como parte de su proceso de producción.
Pero más adelante, la gente común se expone a nanopartículas que inevitablemente se mezclan con otros materiales, lo que hace que estas partículas crezcan en tamaño. Las nanopartículas cambian rápidamente a medida que maduran en la cadena de desarrollo del producto.
"Cuando un consumidor podría estar expuesto a un producto que contenía nanopartículas, la probabilidad de que se exponga a una partícula prístina es muy baja", dijo Sayes. "De hecho, estarían expuestos a una formulación que podría contener una pequeña concentración de nanopartículas en su interior."
Puede que haya perdido sus propiedades nano, o que estas se hayan visto disminuidas.
Los nanomateriales pueden entrar en el ecosistema por muchas vías. Uno es a través de plantas de tratamiento de aguas residuales, mediante la descarga de una lavadora, donde los nanomateriales mejoran los detergentes para tu colada. En agricultura, los productores pueden utilizar fertilizantes, pesticidas o herbicidas habilitados por nanos. Esas se aplicarían a cultivos o a animales y alimentos. La escorrentía de los cultivos o del propio animal puede penetrar en el suelo o en el agua también.
"Las nanopartículas o nanomateriales no se degradan fácilmente", dijo Sayes. "Esa es parte de la razón por la que a los nanoquímicos y científicos de materiales les gustan tanto, porque son muy estables. Por eso tienden a ser persistentes en el entorno, es decir, permanecen intactos en el suelo, el agua y el aire durante mucho tiempo. Por supuesto, depende del tamaño, la carga y la composición para exactamente cuánto tiempo sea, pero puedes detectar partículas. Hemos detectado partículas en el aire, el agua, el suelo y en los tejidos humanos."
Sin embargo, los nanomateriales no son fundamentalmente diferentes de cualquier otro tipo de material, partícula o sustancia química en términos de toxicidad.
Existen diversas propiedades, características o descriptores en los nanomateriales individuales que los hacen más o menos tóxicos. Uno es la composición química. La composición química se convierte en uno de los principales predictores de cuál sería el posible efecto adverso para la salud si estuvieras expuesto a ella. Por lo tanto, su toxicidad no es diferente a la de los nanomateriales dependiendo de su composición a escala atómica. También incluye los elementos y la estructura particulares que están presentes. Eso podría ser una predeterminación de cuál podría ser la toxicidad.
Por ejemplo, un nanomaterial que contiene un metal pesado como el cadmio o el plomo podría ser más citotóxico, o tóxico para las células vivas, que un nanomaterial que contiene algo más inerte como carbono, oxígeno o silicio.
"Creo que la gente debería preocuparse por las toxicidades, punto", dijo Sayes. "Así que, de la misma manera que deberías preocuparte por exposiciones químicas, ambientales o farmacéuticas, también deberías preocuparte por exposiciones a nanomateriales modificados. Al final del día, la exposición y el riesgo están relacionados con la dosis o concentración del material y con la sustancia a la que estás expuesto."
Sayes cree que la gente debería preocuparse por la toxicidad o por las toxicidades en general, ya sea exposición a fármacos, productos químicos, agentes ambientales o nanomateriales modificados. Un nanomaterial modificado es solo una de las muchas cosas de las que deberíamos ser conscientes.
"Me preocupa la mezcla de cosas a las que estoy expuesto", dijo. "No me preocupan tanto los nanomateriales que puedan estar en mi protector solar y que me aplico en la cara en verano, pero quizá sea la coexposición del protector solar y respirar algo de mala calidad del aire o el agua potable contaminada. Es la combinación de exposiciones múltiples y las exposiciones persistentes y la acumulación de múltiples materiales lo que realmente está poco estudiado. Y probablemente ahí es donde está la mayor incertidumbre."
No es que la ciencia no haya avanzado.
"La comunidad toxicológica tiene una idea bastante clara de cuáles son las toxicidades de la exposición a materiales individuales, pero no tenemos tan claro si estamos expuestos a múltiples nanopartículas simultáneamente, o a un nanomaterial más algún otro tipo de contaminantes", dijo.
Si los nanomateriales no suponen por sí solos preocupaciones para la salud, ¿por qué tanto bombo en la prensa popular?
"Creo que había mucha incertidumbre en la comunidad científica", dijo Sayes. "Podrían ser percepciones desfasadas, porque esa percepción en particular era precisa hace cinco, diez, quince años. Estamos empezando a diseñar experimentos para responder a estas preguntas de riesgo. Quizá ha habido un retraso en la comprensión pública de los nanohazards respecto a la de los científicos. Puede que la ciencia esté un poco más avanzada en comparación con la comprensión o educación general de la población sobre el tema. Quizá sea necesario un esfuerzo más concertado para comunicar lo que hemos encontrado en la literatura al público general."
HORIBA Microscopio Raman Confocal XploRA™ Plus acoplado al sistema de Imagen Oscura e Hiperespectral Mejorado de CytoViva
La investigación sobre la nanotoxicidad continúa. Sayes estudia las interacciones de nanomateriales y tejido orgánico a nivel celular. Utiliza un microscopio Raman Confocal HORIBA XploRA™ Plus junto con el sistema CytoViva Enhanced Darkfield and Hyperspectral Image. Es un instrumento altamente especializado producido gracias a la colaboración entre HORIBA Scientific y CytoViva. El dispositivo combina microscopía Raman con imagen hiperespectral óptica, según Maruda Shanmugasundaram, Ph HORIBA.D. científica de aplicaciones AFM-Raman.
"Las dos tecnologías, basándose en cómo funciona cada una, son similares entre sí y pueden proporcionar información muy complementaria", dijo Shanmugasundaram. "Por tanto, los datos obtenidos con ambas tecnologías de la misma área muestral pueden estar correlacionados entre sí."
Como resultado de la integración, la plataforma combinada de microscopio proporciona tanto modos de imagen de campo amplio (reflexión, transmisión, campo claro, campo oscuro, luz polarizada y epifluorescencia) como de imagen hiperespectral (Raman, fluorescencia, fotoluminiscencia, transmitancia y reflectancia).
Lo que hace, dijo Sayes, es permitir a los investigadores estudiar los nanomateriales absorbidos por el tejido y el propio tejido de una manera no destructiva. Proporciona no solo información visual y cualitativa, sino que también puede cuantificar el tipo de reacción que podría estar ocurriendo. En algunos casos, hay reacciones bioquímicas fuertes. En otros casos, no los hay.
"Es importante que entendamos la naturaleza de esa interacción, para poder comprender mejor qué tipo de toxicidades podrían inducirse", dijo. "Podrían ser más citotóxicos."
El objetivo de su estudio era desarrollar nuevas metrologías (técnicas de medición) para poder obtener información sobre el nanomaterial inorgánico, en este caso, los nanotubos de carbono, y el sistema biológico, en este caso, tejido pulmonar de ratón, en la misma plataforma al mismo tiempo, mediante un método que no destruya la muestra.
Sayes afirmó que su investigación demuestra un modelo para futuros estudios.
"Mi colaboración con HORIBA es un excelente ejemplo de investigadores en el ámbito académico colaborando con investigadores de la industria, no solo para preparar muestras para un estudio toxicológico, sino también para utilizar este instrumento único, un instrumento diseñado específicamente para obtener información cualitativa y cuantitativa sobre una muestra de tejido toxicológico", afirmó. "La microscopía Raman puede combinarse con imágenes hiperespectrales para proporcionar información medible tanto sobre nanotubos de carbono como sobre tejido pulmonar simultáneamente."
Es un tema de estudio que se adapta bien a la colaboración interinstitucional.
"La nanotoxicología es un área en la que los académicos pueden colaborar con la industria y el gobierno, con investigadores y reguladores, desarrollando diseños experimentales, ejecutando estudios e interpretando los resultados de manera altamente colaborativa e interdisciplinar", dijo Sayes. "Recibimos múltiples perspectivas de diferentes partes interesadas en cada aspecto del estudio, y eso lo hace lucrativo, divertido y gratificante."
Aunque continúa la investigación sobre nanotoxicidad, la toxicidad puede estar más relacionada con la composición del material que con el tamaño.
"Los nanomateriales son como cualquier otra sustancia, y pueden contribuir al inicio de muchas enfermedades o condiciones diferentes", dijo Sayes. "Simplemente, ninguno de ellos (enfermedades o condiciones) es exclusivo de los nanomateriales. Hay otros materiales que también pueden inducir esos mismos efectos. Pero el hecho de que sean tan pequeños y puedan adquirir estas diferentes propiedades químicas no afecta al tipo de toxicidad inducida. Pero sí afecta al grado de toxicidad."
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