Nanoplastik w powietrzu pod lupą naukowców. UC Davis opracuje standard oceny neurotoksyczności
Badacze z University of California, Davis opracują powtarzalne metody wykrywania nanoplastiku, badania jego przenikania przez barierę krew–mózg i oceny odpowiedzi zapalnej komórek.
Naukowcy z University of California, Davis opracują pierwszą standaryzowaną metodę oceny neurotoksyczności nanoplastiku obecnego w powietrzu. Projekt, finansowany grantem o wartości niemal 4 mln dolarów, ma umożliwić porównywalne badanie ekspozycji, przenikania nanocząstek przez barierę krew–mózg oraz ich wpływu na procesy zapalne, śmierć komórek i aktywność genów związanych z rozwojem chorób.
W artykule:
- Czym nanoplastik różni się od mikroplastiku
- W jaki sposób nanoplastik dostaje się do organizmu
- Czym są nanocząstki plastiku z zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami
- Jak naukowcy będą śledzić nanoplastik w organizmie
- Jak zostanie oceniona neurotoksyczność cząstek
- Dlaczego standaryzacja badań może wpłynąć na przyszłe regulacje
Brakuje jednolitych metod oceny zagrożenia
Nanoplastik jest wykrywany w coraz większej liczbie środowisk i materiałów biologicznych – od odległych regionów Antarktydy po tkanki ludzkiego organizmu, w tym mózg. Mimo rosnącej liczby obserwacji nadal nie istnieją powszechnie przyjęte, wystandaryzowane metody pozwalające wiarygodnie określać, w jakim stopniu narażenie na nanoplastik może wpływać na zdrowie człowieka.
Naukowcy z University of California, Davis otrzymali grant w wysokości niemal 4 mln dolarów od National Institute of Environmental Health Sciences. Celem projektu jest opracowanie pierwszej na świecie standaryzowanej metody pomiaru i opisu neurotoksyczności nanoplastiku unoszącego się w powietrzu.
Projektem kierują Randy Carney, associate professor of biomedical engineering, oraz Sascha Nicklisch, associate professor of environmental toxicology.
Jak wyjaśnia Randy Carney, naukowcy dysponują już przesłankami wskazującymi na możliwe skutki zdrowotne narażenia na nanoplastik. Jednym z głównych problemów pozostaje jednak brak uzgodnionych metod jego niezawodnego wykrywania, charakteryzowania i ilościowego oznaczania. Bez takich standardów trudno opracowywać przepisy określające dopuszczalne poziomy ekspozycji lub zasady monitorowania nanoplastiku w środowisku.
Czym nanoplastik różni się od mikroplastiku?
Tworzywa sztuczne stopniowo ulegają zużyciu i fragmentacji pod wpływem promieniowania słonecznego, tarcia, zmian temperatury, procesów chemicznych oraz oddziaływań mechanicznych. W wyniku tego procesu większe elementy plastiku rozpadają się na mikroplastik, a następnie na jeszcze mniejsze cząstki określane jako nanoplastik.
Nanoplastik może być uwalniany do atmosfery w wielu codziennych sytuacjach. Źródłem cząstek mogą być między innymi fale rozbijające się o zanieczyszczone wybrzeże, ścieranie opon i nawierzchni podczas ruchu pojazdów, gwałtowne hamowanie samochodów, prace rolnicze, zużywanie materiałów syntetycznych oraz degradacja odpadów z tworzyw sztucznych.
Nanocząstki plastiku są niewidoczne gołym okiem i mogą być nawet około tysiąca razy mniejsze od niektórych cząstek mikroplastiku, które bywają porównywane wielkością do ziaren piasku. Granice definicyjne mikro- i nanoplastiku nie są jednak całkowicie jednolite we wszystkich dziedzinach nauki, co dodatkowo utrudnia porównywanie wyników badań.
Ze względu na bardzo małe rozmiary i niewielką masę nanoplastik może przez dłuższy czas pozostawać zawieszony w powietrzu. O ile istotną drogą przedostawania się mikroplastiku do organizmu jest spożycie wraz z żywnością lub wodą, o tyle w przypadku nanoplastiku szczególne znaczenie może mieć również inhalacja.
Nanoplastik może docierać do płuc i mózgu
Wdychane cząstki mogą osadzać się w różnych częściach układu oddechowego. Ich depozycja zależy między innymi od rozmiaru, kształtu, gęstości, ładunku powierzchniowego, stopnia agregacji oraz warunków oddychania. Najmniejsze cząstki mogą docierać do obwodowych odcinków płuc, gdzie potencjalnie wchodzą w kontakt z nabłonkiem pęcherzykowym i komórkami układu odpornościowego.
Badaczy szczególnie niepokoi możliwość przemieszczania się części nanocząstek poza układ oddechowy. Ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne nanoplastik może potencjalnie przenikać przez bariery biologiczne, w tym barierę krew–mózg, której zadaniem jest ograniczanie dostępu wielu substancji i obcych cząstek do ośrodkowego układu nerwowego.
Samo wykrycie nanoplastiku w określonej tkance nie przesądza jeszcze o wywołaniu choroby. Konieczne jest ustalenie rzeczywistego poziomu ekspozycji, dawki docierającej do narządów, czasu utrzymywania się cząstek w organizmie oraz mechanizmów ich potencjalnej toksyczności. Właśnie brak porównywalnych metod pomiarowych stanowi obecnie jedną z największych przeszkód w wiarygodnej ocenie ryzyka.
Nanoplastik jako nośnik innych zanieczyszczeń
Carney i Nicklisch skoncentrują się w szczególności na nanocząstkach plastiku, na których powierzchni osadzają się inne zanieczyszczenia środowiskowe. Badacze określają je jako pollutant-adsorbed nanoplastics, czyli nanoplastik z zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami. W projekcie stosowany jest skrót PANs.
Powierzchnia nanoplastiku może wykazywać właściwości sprzyjające wiązaniu rozmaitych związków chemicznych. Podczas przemieszczania się cząstek przez zanieczyszczone powietrze mogą przyłączać się do nich między innymi pestycydy, metale ciężkie, składniki sadzy i spalin samochodowych, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz substancje per- i polifluoroalkilowe, określane skrótem PFAS.
Powstaje w ten sposób złożony układ, w którym cząstka plastiku może pełnić funkcję nośnika innych substancji. Nie wiadomo jeszcze, czy po przedostaniu się do organizmu związki te pozostają trwale związane z powierzchnią nanoplastiku, czy też ulegają uwolnieniu w płucach, krwi lub innych tkankach.
Naukowcy zbadają, czy wdychane PANs wykazują większy potencjał neurotoksyczny niż nanoplastik bez dodatkowych zanieczyszczeń. Ocenione zostanie również, czy adsorpcja substancji chemicznych zmienia rozmieszczenie nanocząstek w organizmie oraz toksyczność samych zanieczyszczeń.
Rozmiar i kształt cząstek mogą zmieniać ich działanie
Jednym z najpoważniejszych problemów metodologicznych jest ogromna różnorodność nanoplastiku. Cząstki różnią się rozmiarem, kształtem, składem polimerowym, stopniem zwietrzenia, właściwościami powierzchni oraz obecnością związanych substancji chemicznych i biologicznych.
Nawet niewielka zmiana rozmiaru lub geometrii cząstki może wpływać na jej zdolność do pozostawania w powietrzu, miejsce osadzania się w drogach oddechowych, oddziaływanie z błonami komórkowymi, przenikanie przez bariery biologiczne oraz podatność na wychwytywanie przez makrofagi.
Ta heterogeniczność dotychczas znacząco utrudniała standaryzację badań. Poszczególne zespoły wykorzystywały różne materiały referencyjne, sposoby przygotowania próbek, metody ekspozycji oraz techniki identyfikacji cząstek. W rezultacie wyniki uzyskane w różnych laboratoriach nie zawsze można bezpośrednio porównywać.
Laboratorium wolne od przypadkowego zanieczyszczenia plastikiem
Zespół stworzy wyspecjalizowane środowisko laboratoryjne ograniczające ryzyko przypadkowego zanieczyszczenia próbek nanoplastikiem obecnym w powietrzu, odzieży, sprzęcie laboratoryjnym lub materiałach opakowaniowych.
Jest to szczególnie istotne, ponieważ badane cząstki mogą występować w bardzo małych stężeniach. Nawet niewielka liczba cząstek pochodzących z otoczenia mogłaby zafałszować wyniki i zostać błędnie uznana za element analizowanej próbki.
Jak podkreśla Sascha Nicklisch, opracowanie nowych metod musi rozpocząć się od stworzenia właściwych kontroli oraz procedur umożliwiających rozróżnienie cząstek rzeczywiście obecnych w materiale badanym od zanieczyszczeń wprowadzonych podczas pobierania, przygotowywania lub analizowania próbek.
Spektroskopia Ramana i mikroskopia hiperspektralna
Za charakterystykę i śledzenie nanoplastiku odpowiadać będzie przede wszystkim laboratorium Randy’ego Carneya. Badacze wykorzystają między innymi spektroskopię Ramana, która pozwala identyfikować materiały na podstawie ich charakterystycznej struktury molekularnej i widma drgań cząsteczek.
Technika ta może wspomóc rozróżnianie poszczególnych rodzajów polimerów oraz ocenę zmian zachodzących na powierzchni cząstek. Zespół zastosuje także połączenie mikroskopii ciemnego pola z mikroskopią hiperspektralną.
Takie obrazowanie ma umożliwić obserwację naturalnych właściwości fizycznych i molekularnych nanoplastiku bez konieczności wprowadzania znaczników, barwników lub innych substancji ułatwiających wizualizację. Dodatkowe odczynniki mogłyby zmieniać właściwości powierzchni cząstek i wpływać na ich zachowanie.
Jak wyjaśnia Elizabeth Hale, Ph.D. student w Carney Lab, metody te pozwolą obserwować, w jaki sposób nanoplastik oddziałuje z zanieczyszczeniami i jak powstają cząstki PANs.
Model bariery krew–mózg
Naukowcy wykorzystają modele bariery krew–mózg prowadzone in vitro. Umożliwią one porównanie zachowania nanoplastiku o różnych rozmiarach, kształtach i właściwościach powierzchniowych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
Badacze będą mogli ocenić, które cząstki zatrzymują się na barierze, które mogą przechodzić pomiędzy komórkami lub przez ich wnętrze oraz czy obecność zaadsorbowanych zanieczyszczeń zmienia przepuszczalność bariery.
Modele in vitro nie odtwarzają całej złożoności ludzkiego organizmu. Pozwalają jednak precyzyjnie badać poszczególne mechanizmy, kontrolować dawkę ekspozycji i ograniczać wpływ zmiennych zakłócających. Mogą również służyć jako podstawa do opracowania powtarzalnych testów przesiewowych stosowanych przez inne laboratoria.
Ocena aktywności genów i markerów neurotoksyczności
Równolegle z pracami obrazowymi zespołu Carneya laboratorium Saschy Nicklischa będzie ilościowo oceniać potencjalną neurotoksyczność nanoplastiku.
Naukowcy opracują metody przesiewowe pozwalające sprawdzić, w jaki sposób różne kombinacje nanoplastiku i związanych z nim substancji chemicznych wpływają na aktywność genów w komórkach. Analizy obejmą między innymi markery związane z odpowiedzią zapalną, stresem komórkowym, śmiercią komórek oraz procesami biologicznymi uczestniczącymi w rozwoju chorób.
Badacze sprawdzą również, czy PANs aktywują biomarkery powiązane z procesami nowotworowymi. Wykrycie zmiany aktywności takich markerów nie jest jednak równoznaczne z wykazaniem, że nanoplastik powoduje nowotwór u człowieka. Testy mają przede wszystkim identyfikować sygnały biologiczne wymagające dalszych badań.
Laboratorium Nicklischa będzie ponadto analizować mechanizmy umożliwiające nanoplastikowi przenikanie przez barierę krew–mózg.
Badania przy stężeniach odpowiadających środowisku
Istotną cechą projektu ma być prowadzenie badań przy stężeniach odpowiadających rzeczywistemu narażeniu środowiskowemu. Wiele wcześniejszych eksperymentów toksykologicznych dotyczących mikro- i nanoplastiku wykorzystywało stosunkowo wysokie dawki, przydatne do wykrywania mechanizmów biologicznych, lecz nie zawsze odzwierciedlające typową ekspozycję człowieka.
Eli Wooliever, Ph.D. student w Nicklisch Lab, zwraca uwagę, że dokładniejsze określenie ryzyka związanego z nanoplastikiem atmosferycznym wymaga badań prowadzonych właśnie przy stężeniach mających znaczenie środowiskowe.
Ostateczna ocena ryzyka będzie wymagała zestawienia danych dotyczących toksyczności z informacjami o rzeczywistych poziomach narażenia różnych populacji. Znaczenie mogą mieć między innymi miejsce zamieszkania, natężenie ruchu drogowego, charakter pracy zawodowej, jakość powietrza wewnętrznego oraz bliskość źródeł emisji.
Podstawa dla przyszłych regulacji
Metody opracowane przez zespół UC Davis mogą pomóc w identyfikacji tych rodzajów nanoplastiku, które wykazują największy potencjał toksyczny. Pozwolą również określić, czy szczególnie niebezpieczne są określone kombinacje materiału polimerowego, wielkości cząstki i zaadsorbowanych zanieczyszczeń.
Powtarzalna metoda badawcza mogłaby umożliwić porównywanie wyników między laboratoriami, tworzenie materiałów referencyjnych oraz ustalanie zależności między poziomem ekspozycji a nasileniem odpowiedzi biologicznej.
Takie dane mogą w przyszłości dostarczyć instytucjom regulacyjnym podstaw do opracowania zasad monitorowania nanoplastiku w powietrzu, oceny ryzyka zawodowego i środowiskowego oraz ustalania priorytetów ograniczania emisji.
Randy Carney podkreśla, że jednym z najważniejszych celów projektu jest stworzenie standardowego i możliwego do powtórzenia sposobu wykrywania cząstek oraz ilościowego określania zależności między stopniem narażenia a skalą potencjalnych szkód biologicznych.
Projekt nie rozstrzygnie od razu, jakie ryzyko zdrowotne wiąże się z każdą formą nanoplastiku. Może jednak dostarczyć narzędzi niezbędnych do przejścia od pojedynczych, trudnych do porównania eksperymentów do bardziej spójnego systemu oceny zagrożeń dla zdrowia publicznego.
