Nanočastice zo zvárania a ich vplyv na zdravie

Úvod:
Práca pojednáva o najnovších poznatkoch nanočastíc zo zvárania z hľadiska ich vlastností a účinkov na zdravie. Hoci niektoré priemyselné procesy vytvárajúce nanozlúčeniny (napr. sadze, dymy zo zvárania, atď.) existujú po celé desaťročia, pracovné expozičné údaje, vrátane veľkosti a množstva častíc na pracovisku, ako aj ich biologických účinkov sú menej známe.

Mechanizmus vzniku nanočastíc zo zvárania:
Vysoké teploty pri zváraní generujú splodiny zvárania – častice, žiarenie, hluk a plyny. Častice splodín zvárania obsahujú veľké percento nanočastíc. Odparovaný kov z tepelného oxidačného procesu zvárania produkuje plyny obsahujúce častice oxidu kovov, ako je hliník, kadmium, chróm, meď, z ktorých mnohé sú rozpustné vo vode. Presné zloženie výparov zo zvárania je dané kovmi, ktoré obsahujú elektródy.

Zdravotné účinky:
Dym zo zvárania vyvoláva výrazné prozápalové účinky. Tieto účinky sú spôsobené prevažne kovmi, ktoré podstupujú redox-cykláciu a vedú k oxidačnému stresu. Expozícia výparov zo zvárania je spojená s pľúcnymi ochoreniami. K nim patrí: pokles pľúcnych funkcií, zvýšenie reaktivity dýchacích ciest, zápal priedušiek, fibróza, rakovina pľúc a zvýšené riziko výskytu infekcie dýchacích ciest.

Záver:
Toxicita, mechanizmus účinku nanočastíc zo zvárania na organizmus, ako aj patomechanizmus vzniku ochorení z nich – zostávajú neznáme, a preto aj z tohto dôvodu stúpa záujem o komplexné posúdenie ich rizika/bezpečnosti.

Kľúčové slová:
nanočastice zo zvárania – pľúcne ochorenia v dôsledku expozície dymom zo zvárania – mechanizmus účinku v dôsledku oxidačného stresu

ÚVOD

Choroby pľúc (obštrukčné, fibrotické, nádorové), ktoré sú dôsledkom znečisteného ovzdušia (organické a anorganické polutanty, pevné aerosóly, mnohé prachy vláknitého aj nevláknitého pôvodu, častice, ako aj nanočastice) majú vzostupný trend. Spomínané ochorenia majú závažný dopad na zdravotný stav obyvateľstva a aj na ekonomiku štátov (vysoké náklady na zdravotnú a sociálnu starostlivosť). Z toho dôvodu je potrebné zaoberať sa účinkami dopadu uvedených polutantov na zdravie, aby sme preventívne vylúčili ich riziká z profesionálnej, či environmentálnej expozície.

Častice splodín zvárania obsahujú z veľkej časti aj nanočastice. Expozícia dymom zo zvárania je spojená s mnohými pľúcnymi ochoreniami, ku ktorým patrí pokles pľúcnych funkcií, zvýšenie reaktivity dýchacích ciest, zápal priedušiek, fibróza, rakovina pľúc a zvýšené riziko výskytu infekcie dýchacích ciest. Doteraz ale nepoznáme mechanizmus účinku nanočastíc na zdravie, a ani patomechanizmus vzniku spomínaných ochorení. Z toho dôvodu mnohé výskumné tímy sa touto problematikou zaoberajú. Jeden z  ich cieľov je – z dosiahnutých výsledkov interpretovať mechanizmus vzniku pľúcnych ochorení v dôsledku expozície nanočasticiam zo zváračských dymov.

Nástup nanotechnológií je považovaný za najväčšiu inžiniersku inováciu od čias priemyselnej revolúcie. Látky pozostávajúce z nanočastíc sa momentálne považujú za technologický „vrchol“ a sú pre svoje vlastnosti najviac preferované a používané v mnohých oblastiach.

Nanočastice sú definované, ako častice, ktoré majú aspoň jeden rozmer menší než 100 nm. Nanočastice nazývané ako „ultrajemné častice“ majú všetky rozmery menšie než 100 nm. Veľkosť nanočastíc sa meria v nanometroch a ich rozmery sa blížia k rozmerom molekúl, či atómov [17].

Pokroky v technológiách zvyšujú kvalitu života, ale na druhej strane zaznamenávame zhoršujúce sa následky na ľudské zdravie aj v dôsledku pracovnej aj environmentálnej expozície mnohým nanočasticiam, ktorých vlastnosti a vplyv na zdravie ešte dostatočne nepoznáme [13, 14, 15].

FYZIKÁLNO-CHEMICKÉ VLASTNOSTI A POUŽITIE NANOČASTÍC

Nanočastice sa vyznačujú unikátnymi fyzikálno-chemickými vlastnosťami (majú špecifické magnetické, optické, elektronické, tepelné, mechanické vlastnosti), pre ktoré sa používajú v mnohých oblastiach, ako napr. v elektrotechnike, elektronike, optike, strojárenstve, stavebníctve, textilnom, chemickom, potravinárskom, automobilovom, kozmickom, vojenskom priemysle a v  nemalej miere majú zastúpenie aj v medicíne (pri terapii a diagnostike). Môžu predstavovať nové potenciálne zdravotné riziká.

Podobne, ako v prípade azbestu, ktorý sa používal desiatky rokov a spôsobil vznik mnohých pľúcnych ochorení a dlhosiahle následky na zdravie, existuje obava z neznámych zdravotných dôsledkov z nanomateriálov – z nanočastíc, z  ktorých sú zložené.

V skutočnosti sa môže stať, že normálne ľudské obranné mechanizmy nebudú schopné adekvátne reagovať na tieto novovytvorené častice, ktoré môžu mať vlastnosti, s ktorými sa organizmus nikdy nestretol. Európska komisia sa veľmi opatrne vyjadruje o „dostatočnosti“ legislatívy, čo sa týka účinkov nanočastíc a ochrany pred rizikami nanotechnologicky pripravovaných produktov [9].

Nanočastice môžu vznikať:

a) prirodzene, uvoľňujú sa samovoľne

• po výbuchu sopky;
• pri požiaroch;
• v domácich procesoch (emisie z pekárskych rúr, výpary pri údení mäsa);
• vo výrobných procesoch a priemyselných činnostiach (smog);
• pri zváraní (zváračské dymy, kovové výpary, spájkovacie výpary);
• pri plazmovom rezaní, výpary emisií pri plazmovom striekaní, polymérové výpary;
• pri spaľovaní najmä fosílnych palív (palivo do automobilov, uhlie).

Obsahujú ich výfukové plyny (emisie pevných častíc motorov, emisie z leteckých motorov), ale môžu vznikať aj pri fajčení (pevné častice z dymu cigariet, ktoré dýchajú fajčiari i pasívni fajčiari atď.);

b) môžu byť špeciálne priemyselne vyrobené pre spotrebiteľské výrobky a vyspelé technológie.

Tieto primárne častice o veľkosti niekoľkých málo nanometrov sú väčinou produkty kondenzácie vody z tepelných a chemických reakcií, ale aj pevné častice. Celková koncentrácia všetkých nanočastíc v rôznych pracovných prostrediach niekedy dosahuje 500.000 až 2.500.000 častíc na cm³ [21].

Cesty vstupu nanočastíc do organizmu:

Tým, že sú spomínané častice nanorozmerov, môžu prenikať do buniek (prednostne sa hromadia v mitochondriách ale aj v cytoplazme, jadre, lipozómoch a bunkovej stene), môžu prestupovať membránami, zúčastňovať sa na metabolických pochodoch a ostávať dlhodobo v organizme.

Najpravdepodobnejšie cesty vniknutia nanočastíc do organizmu sú: pľúca (pracovné a životné prostredie, ihhalácia liečiv), koža (používanie kozmetických prípravkov, odevy), tráviaci trakt (konzumácia kontaminovaných potravín, liekov, ktoré obsahujú nanočastice).

Inhaláciou sa nanočastice dostávajú: do mozgu (Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba), pľúc (astma, bronchitída, rozodma pľúc, pľúcna rakovina), obehového systému (arterioskleróza, zúženie ciev, trombus, vysoký krvný tlak), srdca (arytmie a iné ochorenia srdca), lymfatického systému (Kaposiho sarkóm) a do ďalších orgánov (choroby pečene a obličiek neznámeho pôvodu) [15, 24].

Toxické účinky nanočastíc zo splodín zvárania

Toxické účinky nanočastíc závisia od:

• veľkosti,
• povrchovej plochy a reaktivity,
• dávky,
• chemického zloženia,
• tvaru,
• rozpustnosti,
• schopnosti tvoriť agregáty alebo aglomeráty,
• povrchovej úpravy a
•  štruktúry [28].

Niektoré experimentálne štúdie napovedajú, že môžu predstavovať potenciálne riziko, ako sú zápalové reakcie, genetické poškodenia a karcinogénne procesy.

Častice splodín zvárania obsahujú veľké percento nanočastíc a z toho dôvodu sa mnoho vedeckých tímov snaží z dosiahnutých výsledkov interpretovať mechanizmus vzniku pľúcnych ochorení v dôsledku expozície nanočasticiam zo zváračských dymov. 

Hoci niektoré priemyselné procesy vytvárajúce nanozlúčeniny (napr. sadze, dymy zo zvárania, atď.) existujú po celé desaťročia, pracovné expozičné údaje, vrátane veľkosti a množstva častíc na pracovisku, ako aj ich biologické účinky sú menej známe. Väčšina zváracích materiálov sú zliatiny so zmesou kovov a rôzne ocele, ktoré môžu obsahovať železo, mangán, oxid kremičitý, chróm a nikel [2].

Vysoké teploty pri zváraní generujú splodiny zvárania – častice, ako aj žiarenie, hluk a plyny. Odparovaný kov z tepelného oxidačného procesu zvárania produkuje plyny obsahujúce častice oxidu kovov, ako je hliník, kadmium, chróm, meď, z ktorých mnohé sú rozpustné vo vode. Presné zloženie výparov zo zvárania je dané kovmi, ktoré obsahujú elektródy.

Cena et al. vo svojej modelovej štúdii tak isto potvrdili, že veľká časť kovov v zváračskom dyme spočíva v nanočasticovej frakcii (Mn tvoril 30 %, Cr 50 %, a Ni 60 % celkovej hmotnostnej koncentrácie). Toto ich poznanie je rozhodujúce pre rozvoj toxikologických štúdií, zameraných na hľadanie vzťahov medzi expozíciou splodín zo zvárania – nanočasticami – a nepriaznivými účinkami na zdravie [3].

Okrem pľúcnych účinkov kovového dymu (pokles pľúcnych funkcií, zvýšenie reaktivity dýchacích ciest, zápal priedušiek, fibróza, rakovina pľúc a zvýšené riziko výskytu infekcie dýchacích ciest) je často u zváračov pozorovaná horúčka. Tento stav je spôsobený vdychovaním výparov oxidu zinočnatého a je charakterizovaný akútnym nástupom ochorenia podobného chrípke, sprevádzaného: suchým kašľom, dýchavičnosťou, bolesťou svalov, hlavy a horúčkou. K horúčke z dymu obsahujúceho kovy obvykle dochádza v prvých obdobiach expozície. Dym zo zvárania vyvoláva výrazné prozápalové účinky. Tieto účinky sú spôsobené prevažne kovmi, ktoré podstúpia redox-cykláciu a vedú k oxidačnému stresu. Genotoxické účinky zahŕňajú výmeny sesterských chromatid, zvýšenie mikrojadier u lymfocytov, zvýšenie DNA zlomov a chromozomálne aberácie [1, 5, 10, 18, 19, 20, 22, 27].

Chronická expozícia vysokým koncentráciám výparov pri zváraní hliníkovým elektrickým oblúkom spôsobuje ťažké pneumokoniózy charakterizované difúznou akumuláciou hliníkových častíc v pľúcach a zodpovedajúcou zníženou funkciou pľúc. Pneumokoniózy vzniknuté v dôsledku expozície hliníkovému dymu sú popísané zriedkavo a ich podstata a skutočná incidencia nie je známa [12] (obrázok 2).

Nanočastice vznikajúce pri spaľovaní zahŕňajú tiež zváračské dymy a sadze o veľkosti nanočastíc, ktoré predstavujú pracovné riziko. Tvoria sa priamo pri spaľovacom procese a ich chemické zloženie sa môže v priebehu času meniť, nakoľko častice interagujú so zložkami znečisteného ovzdušia [4].

Môžu byť rozpustné a uvoľnené prechodné kovy alebo organické látky sa stávajú primárnou zložkou prozápalového mechanizmu. Prechodné kovy a organické látky môžu podstúpiť zložité cyklické chemické reakcie v prostredí pľúc, ktoré vedú k produkcii voľných radikálov, ako je superoxid anión alebo hydroxylové radikály.

Endogénne zdroje ROS (reactive oxigen species – reaktívne kyslíkové druhy) sú napr. mitochondriálna respirácia, zápalová reakcia atď., zatiaľ čo umelo vyrobené nanomateriály a nanočastice zo životného prostredia pôsobia ako exogénne induktory. Fyziologicky sú ROS tvorené v stopovom množstve v reakciách na rôzne podnety. Voľné radikály sa vyskytujú ako podstatné vedľajšie produkty mitochondriálnej respirácie a prechodového iónu kovu u reakcie Fentonovho typu. Zápalové fagocyty, ako sú neutrofily a makrofágy, indukujú oxidatívne vzplanutie, ako obranný mechanizmus voči škodlivým vplyvom životného prostredia, nádorovým bunkám a mikróbom. Rôzne častice oxidu kovu vrátane nanočastíc indukujú ROS ako jeden z hlavných mechanizmov cytotoxicity. Nanočastice ovplyvňujú intracelulárnu koncentráciu vápnika, aktivujú transkripčné faktory a vznikom voľných radikálov modulujú produkciu cytokínov.

Laboratórne potkany vystavené splodinám zvárania vykazovali výrazné pľúcne zápalové reakcie a lipidovú peroxidáciu, ktorá tak isto indikuje oxidačný stres. Ukázalo sa, že prozápalové účinky dymov zo zvárania v procesoch in vitro a in vivo boli úplne riadené oxidačným stresom v dôsledku rozpustných – uvoľnených komponentov kovov. U nanočastíc – splodín zo zvárania – rozpustné prechodné (uvoľnené) kovy predstavujú primárny mechanizmus oxidačného stresu a zápalu.

Nízka toxicita nerozpustných častíc spôsobuje zápal, ktorý vzniká v dôsledku ich povrchovej plochy. Niektoré nanočastice vznikajúce pri spaľovaní majú rozpustné komponenty a nerozpustné jadro. Expozícia rôznym typom nanočastíc je spojená s množstvom nežiaducich zdravotných účinkov, vrátane fibrózy, chronického zápalového ochorenia pľúc, horúčky z výparov kovov a rakoviny. Epidemiologické štúdie naznačujú o 20–40 % vyššie riziko rakoviny pľúc medzi zváračmi. Niektoré štúdie u zváračov poukázali na zvýšené riziko vzniku očného melanómu [7, 11, 23, 26].

Okrem nepriaznivých účinkov zváračských dymov na respiračný trakt, môžu tieto vyvolať neurologické ochorenia. Najlepšie prebádané nanočastice vznikajúce pri spaľovaní vo vzťahu k prestupu do mozgu sú zváračské dymy. Erikson et al. vo svojej práci dokázali, že inhalačná expozícia soliam mangánu (síranom a fosfátom) produkuje oxidačný stres v mozgu potkanov. V subchronickej štúdii expozície fosfát mangánu nastalo hromadenie mangánu v mozgu, ale nepreukázala sa spojitosť s úbytkom neurónov alebo neurotických účinkov. Nie je známe, či samotné častice zváračského dymu sú prenášané do mozgu, alebo len rozpustný mangán a ďalšie kovy. Rozpustné kovy sa veľmi rýchlo vytrácajú zo splodín zvárania. Rozpustné soli mangánu účinnejšie prestupovali do mozgu po inhalačnej expozícii u potkanov, než nerozpustné soli mangánu. Potkany exponované splodinám zvárania nerezovej ocele viac ako 60 dní preukázali hromadenie mangánu v krvi a pečeni, ale čo je najdôležitejšie, aj v rôznych oblastiach mozgu [8].

Štúdie pracovníkov exponovaných dymami zo zvárania podali jasný dôkaz o vzniku neurologických ochorení [25], ktoré spôsobuje mangán – súčasť zváračských dymov [6]. IARC – medzinárodná agentúra pre výskum rakoviny v Lyone, ktorá klasifikuje chemické látky z hľadiska karcinogenity, zaradila nanočastice vznikajúce pri profesionálnej expozícii zváračským dymom do skupiny 2B (Možný humánny karcinogén) [16].

Viac ako 1 milión pracovníkov vo Veľkej Británii je vystavených nanočasticiam z vedľajších procesov výroby, ako je zváranie a rafinácia. Odhaduje sa, že v USA pracuje asi 2 milióny ľudí exponovaných nanočasticiam (s priemerom častíc do 100 nm) vo vývoji, výrobe a použití nanomateriálov a produktov (sú to odhady amerického ministerstva úradu práce a štatistiky práce za rok 2000). Ak bude nárast výroby v sektoroch spojených s nanotechnológiou taký ako doteraz, očakáva sa, že sa bude musieť v tomto sektore zamestnať rovnaký počet ďalších pracovníkov [21].

ZÁVER

Vyspelé nanotechnológie sa síce podieľajú na zvyšovaní kvality života, ale na druhej strane aj na zhoršujúcich sa následkoch na ľudské zdravie. Toxicita mnohých nanočastíc zostáva neznáma a aj z tohto dôvodu stúpa záujem o komplexné posúdenie ich rizika/bezpečnosti. Vplyv nanočastíc na zdravie sa stáva aj verejno-zdravotníckym problémom.

Z uvedenej problematiky vyplýva dôležitá požia­davka aj pre výskum – cielene sledovať účinky najmä novovyvíjaných nanočastíc, ale aj nanočastíc vznikajúcich v dôsledku pracovných procesov, a to experimentálnymi štúdiami in vitro, in vivo, ako aj štúdiami klinicko-epidemiologickými.

Do redakce došlo dne 5. 2. 2015.

Do tisku přijato dne 24. 2. 2015.

Adresa pro korespondenci:

doc. PhMr. Marta Hurbánková, CSc.

Slovenská zdravotnícka univerzita

Fakulta verejného zdravotníctva

Limbová 12

833 03 Bratislava

Slovenská republika

e-mail: marta.hurbankova@szu.sk