Evaluación biológica de los nanomateriales. Una visión hacia su regulación



Erick Gómez Martínez, Gabriela Navarro-Tovar, María del Carmen González Castillo
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El incremento en la generación y desarrollo de nanomateriales (NMs) destinados para diversas aplicaciones en salud y biomedicina, agroindustrial-alimentaria, ambiental, electrónica, textiles, entre otros, ha llevado a diversos grupos y organizaciones científicas a realizar estudios que apoyen la evaluación del impacto ambiental y de la salud. En México, aún no existe un organismo oficial que regule el uso y manejo de los nanomateriales, es por ello que instituciones académicas han conjuntado esfuerzos, y a través de la Red Temática de Nanociencias y Nanotecnología del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, integraron en 2015 el Sistema Nacional de Evaluación Toxicológica de Nanomateriales (SINANOTOX) para compartir los conocimientos en el ámbito toxicológico de los nanomateriales. En una segunda etapa, SINANOTOX ofrecerá servicios de evaluación de nanomateriales a las empresas e instituciones académicas. 

El Laboratorio de Fisiología Celular de la UASLP forma parte de SINANOTOX y emplea sistemas fisiológicos para la evaluación de nanomateriales, en este laboratorio se evalúan cambios en la actividad muscular (contracción o relajación), asociado a la cuantificación de marcadores biológicos, como el óxido nítrico (NO). Esto ha llevado a proponer mecanismos celulares que derivan de la exposición a nanomateriales.  

 

UN PANORAMA GENERAL DE LOS NANOMATERIALES, LA NANOCIENCIA Y LA NANOTECNOLOGÍA 

 

La palabra “nano” deriva de la palabra del latín “nanus” y de la palabra griega “ν?νος”, cuyo significado es “enano”. Un nanomaterial es un material con dimensiones en la nanoescala, o bien, que tiene un radio de área específica/volumen (A/V) mayor a 60 m2/cm3 (European Comission, 2012). El origen de los nanomateriales puede ser natural o antropogénico. La Environmental Agency Protection (EPA) y la European Journal of Pharmaceutical and Medical Research (EJPMR) clasifican a los nanomateriales en cuatro tipos principales según de que estén constituidos, como se puede observar en la Tabla 1 (EPA2017; Malik, 2020). 

Las nanociencias se refieren al estudio de la materia en la escala nano y al análisis de sus propiedades fisicoquímicas, mientras que la nanotecnología se enfoca en la aplicación del conocimiento para manipular y controlar nanomateriales para el diseño, producción y aplicación en estructuras, dispositivos y sistemas en diversas áreas (Kolahalam y cols, 2019). La Figura 1 muestra una comparación en las dimensiones de estructuras nanométricas, moléculas menores a 1 nm, y objetos mayores a 100 nm. 

El uso de nanotecnología no es algo nuevo, se ha usado pinturas con nanopartículas de oro y plata en iglesias construidas en la Edad Media, en donde los artesanos las utilizaban para dar tonalidades rojas y amarillas a ventanales. Sin embargo, el primer científico en llamar la atención en este ámbito fue Richard Feynman, quien en 1959 plantea la idea de incluir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la punta de un alfiler.  En 1974, Norio Taniguchi acuña la palabra “nanotecnología”, y en 1981, Gerd Binning y Heinrich Rohrer, de la compañía IBM, desarrollaron el primer Microscopio de Efecto Túnel con el cual fue posible observar la materia en la nanoescala. Seguirían  descubrimientos importantes como el de los fullerenos en 1985, y el crecimiento controlado de nanotubos de carbono en 1991 (Dolez, 2015). Como ejemplo del impacto de los nanomateriales en la salud, hemos elegido a las nanopartículas de plata y los nanotubos de carbono debido sus potenciales propiedades antimicrobianas, pero también por sus efectos biológicos con impacto en la toxicología. 

 

LOS NANOTUBOS DE CARBONO 

 

Estos materiales están compuestos mayoritariamente por carbono y pueden clasificarse en fulerenos, grafeno, nanotubos de carbono, nanofibras de carbono y carbono negro. La mayoría de ellos toman forma de esferas huecas, elipsoides o tubo, los nanomateriales de carbono cuya forma es cilíndrica son llamados nanotubos. Los nanotubos de carbono (CNTs) están integrados por átomos de carbono (hojas o panales de grafeno), los cuales están enrollados a manera de cilindro, típicamente tienen diámetros de 1 a 50 nm y una longitud de varios micrómetros, pueden ser de pared simple o múltiple. Estos materiales son 200 veces más fuertes que el acero y son los materiales más livianos y con mayor conductividad (5 veces mayor a la del cobre) que se conocen. Se utilizan en recubrimientos para crear materiales más fuertes y livianos en electrónica e ingeniería aeroespacial (Malik, 2020). 

 

NANOPARTÍCULAS DE PLATA (AgNPs) 

 

Las nanopartículas sintetizadas de metales a tamaños nanométricos se conocen como nanopartículas metálicas y tienen propiedades tales como alta relación superficie/volumen, alta carga superficial, diferente color, actividad óptica y reactividad. Las AgNPs tienen diferentes formas, la más común es esférica y pueden tener capas de material orgánico recubriéndolas, o bien, ser parte de la superficie de otro nanomaterial. Las AgNPs son conocidas por sus propiedades antibacteriales y son utilizadas en una amplia gama de productos comerciales. 

 

EL IMPACTO DE LOS NANOMATERIALES EN EL MEDIO AMBIENTE 

 

Los nanomateriales pueden ser liberados al ambiente desde su fabricación, aplicación, disposición y tratamiento de residuos (EPA, 2017). En el medio ambiente, pueden interactuar con otros contaminantes para formar compuestos mixtos, o bien, sufrir aglomeración, agregación, adhesión, difusión, disociación o degradación. Los organismos acuáticos y terrestres están expuestos y absorben los nanomateriales que se bioacumulan y se integran a la cadena trófica (Figura 2), por lo que el contacto con los humanos puede darse de manera directa en el medio ambiente, o por la ingesta de alimentos contaminados con nanomateriales. Diversos nanomateriales no biodegradables como cerámicos, metales y óxidos metálicos podrían permanecer en el medio ambiente y organismos vivos por décadas. Por ejemplo, los fulerenos de carbono son insolubles en agua, lo que los mantiene por meses o años en sistemas acuosos, permitiendo así una exposición crónica a sistemas y ambientes biológicos (EPA, 2017). 

 

ALGUNOS EFECTOS TÓXICOS DE LOS NANOMATERIALES 

 

Los nanomateriales pueden ingresar al organismo, ya sea por ingestión a través de los alimentos, contacto dérmico por uso de productos como maquillaje, lociones o cremas, o por inhalación. Muestran distintas propiedades toxicológicas debido a que su tamaño es similar al de algunas proteínas (Figura 1). Cuando los nanomateriales entran en contacto con el organismo se distribuyen en células, tejidos, órganos y sistemas a través de la circulación sanguínea por medio del aparato cardiovascular, y pueden llegar al sistema respiratorio. Una vez que ingresan en el organismo pueden depositarse en células, tejidos u órganos, causando diversos efectos tóxicos (Gutiérrez-Praena y cols., 2009).  

Sin embargo, es muy importante mencionar que no todos los nanomateriales ejercen efectos tóxicos, esto depende de la composición química, tamaño, forma y, en particular, del blanco biológico. Algunos de los mecanismos de toxicidad reportados para los nanomateriales incluyen: 1) la oxidación de membranas celulares por la formación de especies reactivas de oxígeno y otros radicales libres, que cambian la estructura química de los lípidos y desencadenan acciones dañinas para las células; 2) alteraciones del DNA3) cambios estructurales en las proteínas de las membrana celulares, y 4) activación de la síntesis de mediadores inflamatorios (Sukhanova y cols., 2018). Lo que desencadena la muerte de las células y, por lo tanto, afecciones varias en el ser humano, por ejemplo, liberación de citocinas, muerte de células nerviosas, fallas cardiacas y respiratorias. 

La Tabla 2 muestra los estudios que nuestro grupo de investigación ha realizado en el Laboratorio de Fisiología Celular de la UASLP, enfocados en las AgNPs y CNTs que demuestran cambios en la tonicidad del músculo liso tráquea, aorta y en el músculo cardiaco de roedores, promoviendo procesos como hiperreactividad, cambios en la presión arterial y alteraciones en el miocardio, que a su vez pueden relacionarse con variaciones en los niveles de algunos biomarcadores como el óxido nítrico (NO), radical libre de tiempo de vida muy corta, y con efectos duales, a bajas concentraciones es broncodilatador y vasodilatador, pero a altas concentraciones es citotóxico (Rosas-Hernández y cols., 2009). 

 

ORGANIZACIONES RELACIONADAS CON LA REGULARIZACIÓN DE USO DE NMs 

 

A nivel mundial se han implementado regulaciones jurídicas y normas para minimizar y evitar riesgos asociados a los nanomateriales. Aunque por el momento no existe una regulación internacional específica para su evaluación toxicológica, sí existen departamentos federales que tratan de controlar su fabricación y disposición, así como sus posibles riesgos a la salud y medio ambiente. Estados Unidos y la Unión Europea cuentan con organismos reguladores y legislaciones normativas para controlar los riesgos potenciales de los nanomateriales (EPA2017). 

En México los nanomateriales se normalizan mediante el Comité Técnico Nacional de Normalización en Nanotecnologías (CTNNN) del Centro Nacional de Metrología (CENAM). El CTNNN ha aprobado Normas Mexicanas (NMX) como: NMX-R-27687-SCFI-2014NMX-R-80004-1-SCFI-2014 y NMX-R-80004-3-SCFI-2014, en las que se plantean terminologías y definiciones para nano-objetos, nanopartículas, nanofibras y nanoplacas, conceptos básicos y nano-objetos de carbono, respectivamente (Vázquez Muñoz & Huerta Saquero, 2018). Sin embargo, las Normas Mexicanas, a diferencia de las Normas Oficiales Mexicanas (NOM), son recomendaciones y lineamientos voluntarios, por lo que no se puede obligar a una empresa o institución pública a seguir las directrices descritas en una NMX. Es por ello que los esfuerzos de SINANOTOX son promisorios para construir una regulación oficial adecuada para la obtención, uso y confinamiento de nanomateriales en sus diferentes campos de aplicación. 

 

REFERENCIAS 

 

Dolez PI (2015), Nanomaterials Definitions, Classifications, and Applications. En Nanoengineering (pp. 3-40). Elsevier. 

Environmental Protection Agency, U. S. (2017). Technical Fact Sheet -Nanomaterials. United States Environmental Protection Agency. 

European Commission. (2012). Types and uses of nanomaterials, including safety aspects. https://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=SWD:2012:0288:FIN:EN:PDF. 

Gonzalez C, Salazar-García S, Maldonado-Ortega DA, Ramírez-Lee MA and Gutiérrez-Hernández JM (2016). Role of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) on the airway smooth muscle. De Gruyter Open. Mesoporous Biomater 3:102-107. 

Gonzalez C, Salazar-García S, Palestino G, Martínez-Cuevas PP, Ramírez-Lee MA, Jurado-Manzano BB, Rosas-Hernández H, Gaytán-Pacheco N, Martel G, Espinosa-Tanguma R, Biris AS and Ali SF (2011). Effect of 45nm silver nanoparticles (AgNPs) upon the smooth muscle of rat trachea: Role of nitric oxide. Toxicology Letters 207(3):306-313. 

Gutiérrez-Hernández JM, Ramírez-Lee MA, Rosas-Hernández H, Salazar-García S, Maldonado-Ortega DA, González FJ and González C (2015). Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) induce vasodilation in isolated rat aortic rings. Toxicology in Vitro 29(4):657-662. 

Gutiérrez-Praena D, Jos A, Pichardo S, Puerto M, Sánchez-Granados E, Grilo A y Cameán A (2009). Nuevos riesgos tóxicos por exposición a nanopartículas. Revista de Toxicología 26(2-3):87-92. 

Kabir E, Kumar V, Kim KH, Yip ACK and Sohn JR (2018). Environmental impacts of nanomaterials. Journal of Environmental Management 225:261-271. 

Kolahalam LA, Kasi Viswanath IV, Diwakar BS, Govindh B, Reddy V and Murthy YLN (2019). Review on nanomaterials: Synthesis and applications. Materials Today: Proceedings 18:2182-2190. 

Malik V (2020). Harnessing Nanotechnology. European Journal of Pharmaceutical and Medical Research 7(1):227-233. 

Panneerselvam S and Choi S (2014). Nanoinformatics: Emerging Databases and Available Tools. International Journal of Molecular Sciences 15(5):7158-7182. https://doi.org/10.3390/ijms15057158. 

Ramírez-Lee MA, Aguirre-Bañuelos P, Martinez-Cuevas PP, Espinosa-Tanguma R, Chi-Ahumada E, Martínez-Castañón GA and Gonzalez C (2018). Evaluation of cardiovascular responses to silver nanoparticles (AgNPs) in spontaneously hypertensive rats. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 14(2):385-395. 

Ramírez-Lee MA, Espinosa-Tanguma R, Mejía-Elizondo R, Medina-Hernández A, Martínez-Castañón GA and González C (2017). Effect of silver nanoparticles upon the myocardial and coronary vascular function in isolated and perfused diabetic rat hearts. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 13(8):2587-2596. 

Ramírez-Lee MA, Martínez-Cueva PP, Rosas-Hernández H, Oros-Ovalle C, Bravo-Sánchez M, Martínez-Castañón GA and González C (2017). Evaluation of vascular tone and cardiac contractility in response to silver nanoparticles, using Langendorff rat heart preparation, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 13(4):1507-1518. 

Rosas-Hernández H, Jiménez-Badillo S, Martínez-Cuevas PP, Gracia-Espino E, Terrones H, Terrones M, Hussain SM, Ali SF and González C (2009). Effects of 45-nm silver nanoparticles on coronary endothelial cells and isolated rat aortic rings. Toxicology Letters 191(2-3):305-313. 

Sukhanova A, Bozrova S, Sokolov P, Berestovoy M, Karaulov A and Nabiev I (2018). Dependence of Nanoparticle Toxicity on Their Physical and Chemical Properties. Nanoscale Research Letters 13(1):44. 

Vázquez Muñoz R y Huerta Saquero (2018). Toxicidad de los nanomateriales de interés biomédico en los sistemas biológicos. Mundo Nano. Revista Interdisciplinaria en Nanociencia y Nanotecnología 11(20):65. 

 

Carmen González 

Gabriela Navarro-Tovar 

Erick Gómez Martínez 

Facultad de Ciencias Químicas 

Centro de Investigación en Ciencias  

de la Salud y Biomedicina 

Universidad Autónoma de San Luis Potosí 

 

gonzalez.castillocarmen@uaslp.mx

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