O processo de triagem da toxicidade de nanomateriais manufaturados

Um nanomaterial (NM) pode ser um material natural, incidental ou manufaturado contendo partículas, em um estado não ligado ou como um agregado ou um aglomerado e onde, para 50% ou mais das partículas na distribuição numérica de tamanho, uma ou mais dimensões externas estão na faixa de tamanho 1 nm – 100 nm. Foi feita uma compilação de métodos destinados a auxiliar o processo de triagem da toxicidade de nanomateriais projetados e manufaturados em um momento anterior aos ensaios toxicológicos e respectivas análise e avaliação de risco, em grande escala.

Os métodos de triagem da toxicidade se concentram em fornecer informações e ferramentas que podem ser utilizadas nos processos de tomada de decisão. Desta maneira, existem variadas informações sobre os métodos que podem ser utilizados para a triagem de nanomateriais, a fim de determinar se o desenvolvimento de um nanomaterial em si e/ou um produto que contém um nanomaterial seja continuado; determinar se precisa assumir o custo de execução das etapas restantes dentro de uma estratégia de testagem em etapas completas; ou determinar se os controles apropriados estão em vigor para continuar a pesquisa de nanomateriais em escala laboratorial.

Assim como qualquer outra substância química, alguns nanomateriais são perigosos e outros não. A nanoescala das partículas não implica em si um perigo. Em vez disso, os efeitos potenciais são baseados nos efeitos adversos que um nanomaterial pode causar e na quantidade absorvida por um organismo (humano ou animal).

No entanto, vários nanomateriais manufaturados têm sido associados a riscos à saúde. Alguns nanomateriais podem ser absorvidos pelos pulmões, causando inflamação e danos aos tecidos, fibrose e geração de tumores. O sistema cardiovascular também pode ser afetado. Alguns tipos de nanotubos de carbono podem levar a efeitos semelhantes aos do amianto.

Além dos pulmões, descobriu-se que os nanomateriais atingem outros órgãos e tecidos, incluindo fígado, rins, coração, cérebro, esqueleto e tecidos moles. Como resultado de seu pequeno tamanho e grande área de superfície, os nanomateriais particulados em forma de pó podem apresentar riscos de explosão, enquanto versões não nanométricas da mesma substância podem não apresentar.

Deve-se alertar que o uso de nanomateriais está se expandindo rapidamente e um grande número de produtos de uso diário já contém nanomateriais. Os consumidores podem ser expostos a nanomateriais manufaturados contidos em tintas, protetores solares e outros cosméticos, alimentos e embalagens de alimentos, têxteis, equipamentos esportivos, eletrônicos e baterias. Sua função pode ser: bloqueador de UV, autolimpante, antibacteriano, repelente de água, isolamento térmico, força aprimorada, cor, textura, sabor e consistência aprimorados dos alimentos, e purificação da água.

O destino e a distribuição ambiental dos NM dependem de muitos fatores, como a via de liberação por meio da qual os NM inicialmente entram no ambiente (por exemplo, em biossólidos de uma estação de tratamento de águas residuais para aplicação no solo ou degradação de produtos de consumo). Após a liberação, a mobilidade do NM depende das características ambientais do meio, como as propriedades do solo ou dos sedimentos, ou a química aquosa de um corpo de água.

As características do NM são tipicamente também muito pertinentes, como seus revestimentos de superfície ou falta deles, forma e morfologia (hastes versus esferas), composição das partículas e afinidade por outras moléculas no ambiente, como matéria orgânica natural. Os potenciais de degradação e transformações diferem para NM baseados em carbono e inorgânicos. As nanopartículas de carbono (por exemplo, fulerenos e nanotubos de carbono) podem, em última análise, ser mineralizadas em dióxido de carbono por vias bióticas (biodegradação) ou abióticas.

As nanopartículas carbonáceas também podem ser modificadas, por meio de oxidação e alterações na química da superfície das partículas. Os NM inorgânicos também podem ser transformados por meio da dissolução em seus íons característicos, processos de oxidação (por exemplo, ferro zero-valente em óxidos de ferro) e reações químicas, que de outra forma alteram a composição dos NM (por exemplo, nanopartículas de prata sendo transformadas em cloreto de prata ou sulfeto de prata).

Outro tópico pertinente para alguns NM diz respeito a mudanças em seus revestimentos de superfície, como biodegradação, troca do revestimento de superfície (por exemplo, matéria orgânica natural por citrato) ou modificação de revestimentos de superfície por processos bióticos, ou abióticos (por exemplo, fotólise). A biopersistência e a bioacumulação dos NM dependem das características do NM (por exemplo, tamanho, composição das nanopartículas, revestimentos de superfície), características dos meios ambientais (com diferentes fatores sendo mais importantes para meios aquáticos, meios terrestres ou sedimentos) e características dos organismos.

A ABNT ISO/TR16197 de 12/2022 – Nanotecnologias – Compilação e descrição de métodos de triagem da toxicidade para nanomateriais manufaturados fornece uma compilação e descrição de métodos in vitro e in vivo que podem ser utilizados para a triagem da toxicidade, incluindo triagem ecotoxicólogica, de nanomateriais engenheirados e manufaturados. Os ensaios de triagem da toxicidade podem ser utilizados para fins como a tomada de decisão proativa em pesquisa e desenvolvimento de produto, resposta rápida sobre potenciais preocupações toxicológicas/de segurança ou para a avaliação preliminar de nanomateriais manufaturados. Este relatório técnico está dividido entre os ensaios de triagem para efeitos em humanos e ensaios de triagem relacionados ao meio ambiente.

Um ensaio de triagem é relativamente simples e de baixo custo, que pode ser realizado facilmente e fornece uma indicação de possíveis resultados adversos e efeitos na saúde humana ou no meio ambiente. O relatório técnico pretende complementar outros esforços internacionais que abordam a toxicologia dos nanomateriais, concentrando-se em métodos de triagem adequados para avaliação preliminar e não pretende duplicar esforços semelhantes com outras organizações internacionais, como a Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE). Caso a triagem forneça uma indicação precoce de perigo, a orientação indicará a necessidade do uso de abordagens de outras organizações para avaliação toxicológica completa ou estudos em etapas adicionais.

É um desafio acompanhar o número de NM emergentes com novas propriedades e avaliar toxicologicamente novos materiais antes da exposição humana, incluindo exposição ocupacional e ambiental. Como praticamente todos os elementos da tabela periódica poderiam ser explorados na nanotecnologia, a potencial diversidade de NM torna impraticável utilizar os paradigmas atuais de testagem para avaliar cada novo nanomaterial. A triagem da toxicidade de alto rendimento é essencial para acompanhar a taxa de NM atualmente emergentes no mercado.

Essa triagem é normalmente realizada utilizando cultura de células ou outras técnicas in vitro devido a restrições de custo, infraestrutura e tempo. Estas considerações impedem a maioria dos estudos em modelos animais. Além disso, há um esforço mundial para diminuir o uso de estudos in vivo em animais, conforme apresentado nos princípios dos 3R (substituição, redução, refinamento).

O objetivo de um ensaio de triagem é fornecer um indicador de potenciais resultados adversos e efeitos sobre a saúde humana ou o meio ambiente. Embora existam muitas definições disponíveis para o termo ensaio de triagem, para efeitos deste relatório técnico, um ensaio de triagem pode ser geralmente definido como relativamente simples e de baixo custo, que pode ser administrado facilmente e fornece resultados rápidos.

Um ensaio de triagem pode incluir o seguinte: não utiliza (ou usa um número muito limitado de) animais sencientes; produz um desfecho quantificável ou uma resposta sim/não que seja bem aceita e confiável; demonstrou repetibilidade em vários laboratórios; e é reprodutível com controles positivos e negativos apropriados. Os ensaios de triagem geralmente fornecem dados mecanísticos específicos para que sejam utilizados no contexto de uma estrutura de vias de resultados adversos ou de uma análise de assinatura química. Este relatório técnico trata apenas dos ensaios de triagem que foram utilizados para fins de avaliação da toxicidade de nanomateriais, portanto, os resultados deste tipo de ensaio de triagem poderiam ser utilizados para determinar se irá ou não prosseguir com o desenvolvimento contínuo de um determinado produto nanomaterial.

Por exemplo, NM previstos para serem particularmente perigosos podem ter seu desenvolvimento paralisado. Quando utilizados em uma estratégia de testagem hierárquica, os métodos de triagem de alto rendimento têm o potencial de eliminar mais ensaios in vivo ou identificar materiais perigosos para investigação in vitro ou in vivo direcionada, simplificando assim o processo de identificação de riscos.

O fato de que os ensaios de triagem podem ser conduzidos em um modelo de alto rendimento, tem implicações especialmente importantes para a saúde humana, considerando a complexidade e o grande número de NM já no mercado e atualmente em desenvolvimento. No entanto, há também limitações de ensaios de triagem relativos a ensaios mais detalhados e confirmatórios. Portanto, convém que os ensaios de triagem sejam projetados para serem incorporados em uma estratégia de testagem integrada. As limitações dos ensaios de triagem incluem os ensaios de triagem muitas vezes carecem de previsibilidade humana validada, a extrapolação das relações dose-resposta dos ensaios de triagem à exposição humana é complexa, e a predição do perigo de exposição crônica humana de uma triagem de exposição aguda é difícil.

Embora os ensaios de triagem não tenham o objetivo de serem utilizados como métodos independentes, eles podem eliminar outros estudos se os resultados sugerirem que um NM é particularmente tóxico ou não tóxico. Isso significa que os ensaios de triagem em alguns casos, sem dúvida, superestimarão ou subestimarão os perigos ao ser humano. Uma abordagem de testagem hierárquica se baseia em uma avaliação etapa por etapa, com cada etapa da avaliação fornecendo dados/informações que podem ser necessárias para a etapa subsequente ou serão utilizadas para toda a abordagem de ensaio.

Muitas vezes os ensaios de triagem são incluídos em uma estratégia de testagem hierárquica, e geralmente são realizados em um dos primeiros níveis. Isso permite um uso eficiente de recursos em vários níveis, por exemplo, tanto para identificar novas necessidades de testagem quanto para decisões sobre o desenvolvimento de produtos, tendo em vista um perfil de perigo precoce. A triagem da toxicidade faz parte da maioria dos primeiros níveis em estratégias de testagem inteligentes (ETI) baseadas em peso de evidências.

A ETI leva em conta os dados disponíveis para o nanomaterial de interesse e fornece uma estratégia de testagem racional para entender as propriedades de periculosidade desse nanomaterial sem recorrer a ensaios indevidos em animais. Além dos métodos in vitro e in vivo, métodos in silico poderiam fazer parte do ETI. Em princípio, os métodos de análise de relação quantitativa estrutura-atividade (QSAR) podem ser aplicados a nanopartículas, desde que descritores adequados possam associar as características estruturais e físico-químicas das nanopartículas com sua atividade biológica. Estes podem resultar em modelos que fazem predições qualitativas (por exemplo, o potencial de estresse oxidativo) ou predições quantitativas (por exemplo, potência citotóxica), dependendo da abordagem de dados e modelagem.

Até o momento, no entanto, apenas alguns estudos foram publicados, provavelmente devido à falta de conjuntos de dados adequados. Os desafios e os sucessos recentes do desenvolvimento de QSAR para nanopartículas são descritos mais profundamente em outros lugares. Os seres humanos e o meio ambiente são expostos a NM por meio de um número limitado de rotas, por exemplo, inalação, ingestão, contato dérmico ou, pelo meio ambiente, água, ar e solo.

As concentrações de exposição para alguns desses cenários de exposição podem ser determinadas, por exemplo, NM transportados pelo ar no local de trabalho ou partículas por grama de emulsões de óleo em água aplicadas à pele. Atualmente, as concentrações de exposição de NM engenheirados para o meio ambiente são desconhecidas. Embora a certeza dessas concentrações seja necessária para a avaliação quantitativa do risco, não é necessária para a caracterização de perigo tipicamente associada aos ensaios de nível de triagem.

Como em todos os estudos, convém que tanto o pesquisador que conduz os ensaios de triagem quanto os assessores que avaliam os dados tenham cautela para que a relação entre efeito e dose não seja excessivamente interpretada. Sempre que possível, convém que os pesquisadores utilizem níveis de dose que se aproximem da dose estimada à qual as espécies de interesse podem estar expostas; assim, para estudos in vitro de culturas celulares do trato respiratório, convém utilizar concentrações relacionadas à carga pulmonar observada após a inalação, ou, para estudos in vitro de queratinócitos, convém que sejam utilizados níveis de dose consistentes com concentrações aplicadas à pele.

O tamanho e a distribuição das partículas em relação à área de superfície também foram identificados como parâmetros críticos na avaliação dos aspectos ambientais, de saúde e segurança dos NM. A especificidade do tamanho em relação à toxicidade de um material já foi discutida em relação à sua área de superfície.

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As reações químicas ocorrem em superfícies; portanto, pode-se esperar que um material com uma grande área de superfície tenha uma maior reatividade em uma base de massa do que o mesmo material com uma baixa relação de área de superfície para volume. A agregação/aglomeração também pode afetar a ingestão de partículas por macrófagos alveolares. As partículas inaladas para o pulmão são geralmente reconhecidas e eliminadas pelos macrófagos.

Algumas pesquisas demonstraram que os macrófagos reconhecem mais facilmente as partículas agregadas ou aglomeradas do que as nanopartículas individuais e eliminam as partículas agregadas ou aglomeradas em uma taxa muito mais rápida do que as partículas individuais em nanoescala. Os efeitos da forma na toxicidade dos NM não foram totalmente investigados, mas publicações recentes indicaram que as nanofibras com alta razão de aspecto (HARN) demonstraram ter o potencial de causar uma resposta semelhante ao amianto em estudos com animais.

Em 2007, uma edição abrangente de métodos foi publicada, dedicada à avaliação da imunotoxicidade em modelos animais. Para a sensibilização da pele (hipersensibilidade do tipo retardado), três ensaios in vivo estão disponíveis atualmente, sendo o ensaio de maximização na cobaia (GPMT), o teste de Beuhler (BT) e o ensaio de linfonodo local (LLNA). Os dois últimos ensaios dependem da penetração do agente a ser ensaiado na pele antes de ocorrer a sensibilização. No entanto, para NM, a penetração da pele é geralmente considerada baixa ou ausente.

Atualmente, para produtos químicos, os ensaios alternativos in vitro estão sendo desenvolvidos para ensaios de sensibilização da pele. Ainda não se sabe se eles são aplicáveis aos NM. Um conjunto bem definido e padronizado de métodos para avaliar a imunotoxicidade é realizado pelo sistema modular imune construído in vitro (construto). Este sistema é um conjunto proprietário de culturas e ensaios in vitro baseados em células humanas que imitam o sistema imunológico humano.