Health Effect of Nanoparticles and Toxicology Study

เผยแพร่เมื่อ: 09/08/2563....,
เขียนโดย ผู้ช่วยศาสตราจารย์ เกียรติศักดิ์ บัตรสูงเนิน 
สาขาวิชาอาชีวอนามัยและความปลอดภัย สำนักวิชาสาธารณสุขศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี 
Meet the Academic: Nano Safety for JorPor series

 

ผลกระทบต่อสุขภาพและการศึกษาด้านพิษวิทยาของอนุภาคนาโน 

(Health Effect of Nanoparticlesand Toxicology Study) 

 

          ปัจจุบันการศึกษาถึงอันตรายและผลกระทบต่อสุขภาพของอนุภาคนาโนในมนุษย์ยังมีข้อจำกัด ข้อมูลส่วนใหญ่ได้จากการศึกษาในเซลล์สิ่งมีชีวิตและสัตว์ทดลอง แต่อย่างไรก็ตามอนุภาคนาโนสามารถเข้าสู่ร่างกายได้ 3 ทางคือ ทางการหายใจ (Inhalation) ทางผิวหนัง (Dermal contact) และการกิน (Digestion) ขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงานของผู้ปฏิบัติงาน โดยทางการหายใจเป็นทางเข้าสู่ร่างกายหลักและมีความเสี่ยงสูงที่สุด (Sha et al., 2015) (NIOSH, 2009a) (Tedja et al., 2011) มีงานวิจัยหลายเรื่องได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นพิษและความเป็นอันตรายของอนุภาคนาโนที่สังเคราะห์ขึ้น (Engineered Nanoparticles: ENP) โดยลักษณะอันตรายจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอนุภาคนาโนนั้นๆเป็นหลัก ความเป็นพิษของอนุภาคนาโนจะสูงกว่าอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ที่เป็นสารชนิดเดียวกัน เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็ก มีพื้นที่ผิวมาก เข้าสู่เซลล์และอวัยวะต่างๆได้มากและลึกกว่า จึงส่งผลให้เกิดอันตรายที่มากกว่าตามมา

          ทางเข้าสู่ร่างกายของอนุภาคนาโนมีความสัมพันธ์กับการเกิดพยาธิสภาพหรือการก่อโรคในร่างกายมนุษย์ ตัวอย่างเช่น TiO2 nanoparticle มีหลักฐานยืนยันว่าสามารถก่อโรคกับผู้ที่ได้รับสัมผัสทางกายหายใจ เช่น ทำให้เกิดมะเร็งปอด การสัมผัสทางผิวหนังได้รับการยืนยันแล้วว่า TiO2 nanoparticle ไม่สามารถซึมผ่านผิวหนังได้ เช่นในกรณีผสมในครีมทาผิว ส่วนทางการกินยังไม่มีผลการวิจัยยืนยันว่าสามารถก่อโรคได้หรือไม่ เป็นต้น ความเป็นพิษและความเป็นอันตรายของอนุภาคนาโนที่ถูกสังเคราะห์ขึ้น (ENP) ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของอนุภาคนาโน ดังต่อไปนี้ (OSHA, 1999) (Tsuji et al., 2006) (Maynard & Kuempel, 2005) (Günter Oberdörster, Maynard, et al., 2005)

  • คุณสมบัติทางกายภาพ (Physical properties)
  • คุณสมบัติทางเคมี (Chemical properties)
  • องค์ประกอบทางเคมี (Chemical composition)
  • คุณสมบัติของการจับตัวกัน (Agglomeration state)
  • รูปร่าง (Shape)
  • โครงสร้างผลึก (Crystal structure)
  • ความเข้มข้นของอนุภาคนาโน (Nanoparticle concentration)
  • พื้นที่ผิวของอนุภาคนาโน (Surface area)
  • สภาพแวดล้อมการทำงาน (Working condition)
  • ระยะเวลาการสัมผัส (Exposure duration)
  • ศักยภาพของการเกิดพิษ (Potential hazard identification)
  • ขนาดอนุภาค (Particle size)
  • การกระจายขนาดของอนุภาค (Size distribution)

 

          มีการศึกษาอนุภาคนาโนและอนุภาคขนาดใหญ่ในปริมาณที่มวลของอนุภาคทั้งสองชนิดเท่ากัน ผลการศึกษาพบว่า อนุภาคนาโนมีความเป็นพิษและความเป็นอันตรายสูงกว่าอนุภาคขนาดใหญ่ต่อหน่วยมวล (Mass per unit) (The Royal Society, 2004) ยิ่งไปกว่านั้นมีการศึกษาทดลองในหนู แสดงให้เห็นถึงปริมาณการสัมผัสสารที่มีมวลเท่ากัน (equivalent mass doses) อนุภาคนาโนที่ไม่ละลายน้ำหรือละลายได้น้อยมีศักยภาพให้เกิดอันตรายสูงกว่าอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีองค์ประกอบทางเคมีที่เหมือนกันรวมทั้งอนุภาคนาโนยังเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการอักเสบของเนื้อเยื่อปอด เนื้อเยื่อปอดถูกทำลาย และเกิดเนื้องอกในปอด (NIOSH, 2009a) (Tsuji et al., 2006) (NIOSH, 2009b)

 

          3.1 อนุภาคนาโนในระบบทางเดินหายใจ (Nanoparticle in respiratory tract)

                 ผลจาการศึกษาอนุภาคนาโนในระบบทางเดินหายใจพบว่า อนุภาคนาโน (ขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 100 นาโนเมตร) สามารถสะสมในระบบทางเดินหายใจ ตั้งแต่โพรงจมูกหรือระบบทางเดินหายใจส่วนต้น (nasopharyngealregion) หลอดลมหรือระบบทางเดินหายใจส่วนกลาง (tracheobronchialregion) และระบบทางเดินหายใจส่วนปลายหรือถุงลมปอด (alveolar region) (ICRP, 1994)(G. Oberdörster et al., 2004)(McCreddin et al., 2013)(Stephen T. Horhota, Said Saim, 2001)

รูปที่ 8: การสะสมของอนุภาคในระบบทางเดินหายใจ (particle deposited in lung) (Günter Oberdörster, Oberdörster, et al., 2005)(ICRP, 1994)

 

          จากรูปที่ 8 สามารถอธิบายได้ดังนี้ อนุภาคที่มีขนาด 10 นาโนเมตร (0.01 µm) สามารถสะสมในถุงลมปอด (alveolar region) ได้ถึง 58 เปอร์เซ็นต์ ประมาณ 21 เปอร์เซ็นต์สะสมในทางเดินหายใจส่วนกลาง (tracheobronchialregion) และอีกประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์สะสมในระบบทางเดินหายใจส่วนต้น (nasopharyngealregion) แต่อย่างไรก็ตามอนุภาคนาโนจำนวนหนึ่งที่สะสมในระบบทางเดินหายใจส่วนต้นและระบบทางเดินหายใจส่วนกลางสามารถขับออกได้เองบางส่วน โดยอาศัยกลไกลธรรมชาติของร่างกาย เช่น การไอ จาม และออกมากับเสมหะ ส่วนอนุภาคนาโนที่สะสมอยู่ในถุงลมปอดไม่สามารถขับออกมาได้ แต่มีอนุภาคนาโนบางส่วนสามารถเคลื่อนที่ไปยังอวัยวะเป้าหมายอื่นได้

 

          3.2 การเคลื่อนที่ของอนุภาคนาโนจากถุงลมปอดสู่อวัยวะเป้าหมาย (Nano translocation)

                (Wang et al., 2008)(Kreyling et al., 2010)(Geiser & Kreyling, 2010)

 

รูปที่ 9: การเคลื่อนที่ของอนุภาคนาโนจากถุงลมปอดสู่อวัยวะเป้าหมาย (Nano translocation) (Kreyling et al., 2010)

 

          มีรายงานการเกิดโรค Pulmonary Alveolar Proteinosis (PAP) ( PAP คือ โรคปอดชนิดหนึ่งที่พบได้น้อยมาก เกิดขึ้นจากการสะสมของโปรตีนและไขมันในถุงลมปอด (Alveoli) ) ของคนงานที่มีประสบการณ์การทำงานเป็นช่างสีมากกว่า 25 ปี โดยใน 8 ปีคนงานรายนี้ใช้วิธีการพ่นสีเป็นหลัก และใน 1 ปี มีการทำงานพ่นทราย รวมทั้งในขณะทำงานเขาไม่ใช้หน้ากากป้องกันฝุ่น ในรายงานพบว่า ในเนื้อเยื่อปอดของคนงานรายนี้ มีไทเทเนี่ยมไดออกไซด์ เป็นจำนวนมาก (ไทเทเนี่ยมไดออกไซด์ คืออนุภาคนาโนชนิดหนึ่ง) (Keller et al., 1995)(NIOSH, 2011)  คนงานที่สัมผัสไทเทเนี่ยมไดออกไซด์ในระบบทางเดินหายใจทำให้เนื้อเยื่อปอดถูกทำลายและสุดท้ายจะพัฒนากลายไปเป็นมะเร็งปอดได้ (Sha et al., 2015)

 

          3.3 การศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคนาโน (Toxicology study of nanoparticles)
                 ในปัจจุบันมีงานวิจัยจำนวนหนึ่งที่นำเสนอผลการศึกษาของอนุภาคนาโนที่มีต่อเซลล์สิ่งมีชีวิต ทั้งในรูปแบบ อินวิโทร (in vitro study) และ อินวิโว (In vivo study) 

                 อินวิโทร (in vitro study) คือ การศึกษาผลกระทบต่อเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ในสภาพแวดล้อมที่ควบคุม เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน เป็นต้น และทำการทดลองในหลอดทดลอง เซลล์ที่ศึกษาอาจเป็นได้ทั้งเซลล์ของจุลชีพ เซลล์สัตว์ หรือเซลล์ของมนุษย์ 

                 การศึกษาแบบอินวิโว (In vivo study) คือ การศึกษาในสภาพแวดล้อมจริง ในร่างกายสิ่งมีชีวิตปกติ โดยใช้สัตว์ทดลอง เช่น หนู กระต่าย ลิง รวมถึงการศึกษาในมนุษย์ เป็นต้น 

                 ส่วนการศึกษาในเชิงการสัมผัส (Exposure study) และการศึกษาเชิงระบาดวิทยา (Epidemiology study) ยังมีอยู่อย่างจำกัด เนื่องจากยังมีข้อมูลการศึกษาที่ไม่เพียงพอในการก่อโรคของอนุภาคนาโนในมนุษย์ ตัวอย่างผลการศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคนาโน แสดงในตารางที่ 1

 

ตารางที่ 1: การศึกษาความเป็นพิษของอนุภาคนาโน (Toxicology study of nanoparticles)

 

บรรณาณุกรม

Falck, G. C. M., Lindberg, H. K., Suhonen, S., Vippola, M., Vanhala, E., Catalán, J., Savolainen, K., & Norppa, H. (2009). Genotoxic effects of nanosized and fine TiO2. Human & Experimental Toxicology, 28(6–7), 339–352. https://doi.org/10.1177/0960327109105163

Geiser, M., & Kreyling, W. G. (2010). Deposition and biokinetics of inhaled nanoparticles. Particle and Fibre Toxicology, 7, 2. https://doi.org/10.1186/1743-8977-7-2

Ghosh, M., Bandyopadhyay, M., & Mukherjee, A. (2010). Genotoxicity of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles at two trophic levels: Plant and human lymphocytes. Chemosphere, 81(10), 1253–1262. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2010.09.022

IARC. (2015). Agents Classified by the IARC Monographs (Vols. 1–114). World health organization, International Agency for Research on Cancer. http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/

ICRP. (1994). Human respiratory tract model for radiological protection. A report of a Task Group of the International Commission on Radiological Protection. Annals of the ICRP, 24(1–3), 1–482.

Keller, C. A., Frost, A., Cagle, P. T., & Abraham, J. L. (1995). Pulmonary alveolar proteinosis in a painter with elevated pulmonary concentrations of titanium. Chest, 108(1), 277–280.

Kreyling, W. G., Hirn, S., & Schleh, C. (2010). Nanoparticles in the lung. Nature Biotechnology, 28(12), 1275–1276. https://doi.org/10.1038/nbt.1735

Lee, J., Mahendra, S., & Alvarez, P. J. J. (2010). Nanomaterials in the Construction Industry: A Review of Their Applications and Environmental Health and Safety Considerations. ACS Nano, 4(7), 3580–3590. https://doi.org/10.1021/nn100866w

Maynard, A. D., & Kuempel, E. D. (2005). Airborne Nanostructured Particles and Occupational Health. Journal of Nanoparticle Research, 7(6), 587–614. https://doi.org/10.1007/s11051-005-6770-9

McCreddin, A., Gill, L., Broderick, B., & McNabola, A. (2013). Personal Exposure to Air Pollution in Office Workers in Ireland: Measurement, Analysis and Implications. Toxics, 1(1), 60–76. https://doi.org/10.3390/toxics1010060

NIOSH. (2009a). Approaches to Safe Nanotechnology Managing the Health and Safety Concerns Associated with Engineered Nanomaterials. U.S. Department of Health and Human Services, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health. http://www.cdc.gov/niosh/docs/2009-125/pdfs/2009-125.pdf

NIOSH. (2009b). Current Intelligence Bulletin 60: Interim Guidance for Medical Screening and Hazard Surveillance for Workers Potentially Exposed to Engineered Nanoparticles. U.S. Department of Health and Human Services, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health. http://www.cdc.gov/niosh/docs/2009-116/pdfs/2009-116.pdf

NIOSH. (2011). Occupational Exposure to Titanium Dioxide. U.S. Department of Health and Human Services, Centers for Disease Control and Prevention, National Institute for Occupational Safety and Health.

Oberdörster, G., Sharp, Z., Atudorei, V., Elder, A., Gelein, R., Kreyling, W., & Cox, C. (2004). Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain. Inhalation Toxicology, 16(6–7), 437–445. https://doi.org/10.1080/08958370490439597

Oberdörster, Günter, Maynard, A., Donaldson, K., Castranova, V., Fitzpatrick, J., Ausman, K., Carter, J., Karn, B., Kreyling, W., Lai, D., Olin, S., Monteiro-Riviere, N., Warheit, D., & Yang, H. (2005). Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: Elements of a screening strategy. Particle and Fibre Toxicology, 2, 8. https://doi.org/10.1186/1743-8977-2-8

Oberdörster, Günter, Oberdörster, E., & Oberdörster, J. (2005). Nanotoxicology: An emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environmental Health Perspectives, 113(7), 823–839.

OSHA. (1999). Nanotechnology, Health Effects and Workplace Assessments and Controls. U.S. Department of Labor, Occupational Safety and Health Administration. https://www.osha.gov/dsg/nanotechnology/nanotech_healtheffects.html

Sha, B., Gao, W., Cui, X., Wang, L., & Xu, F. (2015). The potential health challenges of TiO2 nanomaterials. Journal of Applied Toxicology: JAT. https://doi.org/10.1002/jat.3193

Stephen T. Horhota, Said Saim. (2001). Supercritical fluid extraction of mould lubricant from hard shell capsules. http://www.google.com/patents/US6228394

Tedja, R., Marquis, C., Lim, M., & Amal, R. (2011). Biological impacts of TiO2 on human lung cell lines A549 and H1299: Particle size distribution effects. Journal of Nanoparticle Research, 13(9), 3801–3813. https://doi.org/10.1007/s11051-011-0302-6

The Royal Society. (2004). Nanoscience and nanotechnologies: Opportunities and uncertainties. The Royal Society & The Royal Academy of Engineering. http://www.nanotec.org.uk/report/Nano%20report%202004%20fin.pdf

Tsuji, J. S., Maynard, A. D., Howard, P. C., James, J. T., Lam, C., Warheit, D. B., & Santamaria, A. B. (2006). Research Strategies for Safety Evaluation of Nanomaterials, Part IV: Risk Assessment of Nanoparticles. Toxicological Sciences, 89(1), 42–50. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfi339

Wang, J., Chen, C., Liu, Y., Jiao, F., Li, W., Lao, F., Li, Y., Li, B., Ge, C., Zhou, G., Gao, Y., Zhao, Y., & Chai, Z. (2008). Potential neurological lesion after nasal instillation of TiO2 nanoparticles in the anatase and rutile crystal phases. Toxicology Letters, 183(1–3), 72–80. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2008.10.001

WHO. (2010). IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans: Carbon Black, Titanium Dioxide, and Talc (Vol. 93). World health organization, International Agency for Research on Cancer. http://monographs.iarc.fr/ENG/Monographs/vol93/mono93.pdf

 

 

 

 

Visitors: 15,492