Abstrakta přednášek
15. ročník, květen 2016 (zpět na seznam abstrakt)
Nanočástice a imunita. Máme se těšit nebo obávat?
Prof. RNDr. Jan Krejsek, CSc.
Ústav klinické imunologie a alergologie, LF UK a FN Hradec Králové
Celá veřejnost a zvláště lékaři se v posledních několika létech stále častěji setkávají s nanotechnologiemi. Nanotechnologie jsou využívány pro přípravu nanočástic, které mají velmi rozmanité uplatnění. Jsou využívány prakticky ve všech oblastech našeho života pro svoje velmi výhodné užitné vlastnosti. Představují jednu z nejrychleji se rozvíjejících se oblastí vědy a očekává se explozivní nárůst jejich využití v blízké budoucnosti. Nanotechnologie zjevně předbíhají naše znalosti o působení nanočástic na živé systémy. Na rozdíl od jiných chemických látek, jejichž užití je velmi přísně regulováno Evropskou komisí, např. v rámci legislativy REACH nebo US EPA, nejsou pro nanotechnologie a nanočástice zatím připraveny specifické dokumenty, které by jasně regulovaly možný vliv nanočástic na životní prostředí a na zdraví člověka, včetně profesionální expozice. Důvodem je mimořádná komplexnost, jak nanočástice interagují s živými systémy. Do jisté míry se vymykají našim představám a analytickým možnostem, které se osvědčily v jiných situacích. Právě z tohoto důvodu musí být studiu vlivu nanočástic na živé systémy a také na imunitní soustavu v blízké budoucnosti věnována velká pozornost.
Nanočástice jsou definovány jako částice jejichž alespoň jeden rozměr je menší než 100 nm. Pro představu velikost atomů je menší než 1 nm. Nanočástice jsou tvořeny přirozeně přírodními procesy, ve kterých vznikají malé částice minerálů nebo aerosolů s charakteristikami nanočástic. Velikosti nanočástic dosahují biologické struktury, např. makromolekuly sacharidů, bílkovin i nukleových kyselin. Jako nanočástice můžeme určit také některé organely, např. ribosomy a většinu virových částic.
Působením člověka vznikají nanočástice buď jako vedlejší, nežádoucí produkt jeho činnosti nebo jsou tvořeny cíleně pro praktické využití. Hlavním necíleným zdrojem nanočástic, které vznikají lidskou činností, jsou částice, které vznikají při spalování fosilních paliv v motorech, především dieselových. Tvoří se také při některých výrobních procesech, např. svařování a mnoha dalších. Takto vznikají heterogenní množiny nanočástic, které mohou dále agregovat a mají jednoznačně negativní dopady na zdraví. Např. nanočástice tvořené při spalování v dieselových motorech působí jako „katalyzátory“ pro tvorbu citrulinovaných peptidů, které se uplatňují v poškozujícím zánětu.
Cílená produkce nanočástic pro průmyslové využití se uskutečňuje buď cestou fragmentace, kterou si jednoduše můžeme představit jako drcení nebo mletí pevné výchozí látky na fragmenty o velikosti nanočástic. Tímto způsobem jsou nanočástice připravovány již po tisíciletí např. v podobě různých minerálních pigmentů nebo tuše. Složitější je příprava nanočástic chemickou cestou „zdola nahoru“, kdy jsou využívány nukleační, kondenzační, koagulační a další chemické procesy. Touto cestou budou nanočástice žádoucích vlastností připravovány stále častěji.
Výčet typů nanočástic, který zde uvedeme, není vyčerpávající. Je zjednodušen pro naše potřeby. Většinu nanočástic pro průmyslové použití zatím představuje uhlíková čerň, která se používá v mnoha odvětvích, především v gumárenství. Druhou nejběžnější skupinou jsou nanočástice, které vycházejí z kovů, jako jsou oxidy titanu, zinku, hliníku, mědi. Od nich odvozené nanočástice mají velmi rozmanité využití, především v nátěrových hmotách, mají samočistící vlastnosti. Zvláštní postavení zaujímají nanočástice odvozené od stříbra a zlata. Antibakteriální působení stříbra je známo po tisíciletí a je ve své podstatě zprostředkováno právě nanovlastnostmi stříbrných solí. Jsou využívány pro potlačení růstu mikroorganismů v tkaninách, nátěrech apod.. Další skupinou nanočástic jsou částice odvozené od uhlíku. Sférické molekuly amorfního uhlíku jsou označovány jako fullereny. Jiná modifikace představuje uhlíkové nanotrubice, jejichž průměr je 1,2 – 1,4 nm a mohou být několik set nm dlouhé. Byly vytvořeny i vícevrstevné nanotrubice. Jejich využití vychází z jejich mimořádné pevnosti. Jako nanodráty označujeme nanočástice vytvořené z kovů, které mají výjimečné vodivé vlastnosti. Pro využití v živých systémech mají velmi výhodné vlastnosti nanočástice označované jako liposomy. Výčet ukončíme tzv. kvantovými doty, které jsou představovány tečkami o velikosti 2 – 10 nm z polovodičů s využitím v elektronice, optice a imunodiagnostice.
Člověk je exponován cíleně vytvořeným nanočásticím ve svém běžném životním prostředí. Setkává se s nimi nejenom jako součásti nátěrových hmot, oblečení, elektronických, optických součástek, ale je jim vystaven i v kosmetických přípravcích a v potravě. Je známo, že oxidy titanu jsou významnou součástí krému na opalování. Při výrobě potravin jsou nanočástice přidávány s cílem zlepšit organoleptické vlastnosti potravin, prodloužit jejich trvanlivost nebo jsou součástí ochranných obalů potravin. Nanočástice jsou používány v zemědělské výrobě a mohou se v různých přírodních zdrojích akumulovat a obtížně predikovatelným způsobem přeměňovat. Jejich dopad na zdraví je obtížné odhadnout. Je prokázáno, že nanočástice vykazují genotoxické působení a působí poškození buněk rozmanitými mechanismy.
Není překvapivé, že imunitní systém člověka je nanočásticemi rovněž ovlivňován. Funkcí imunitního systému je identifikovat signály nebezpečí PAMP nebo poškození DAMP a reagovat na ně obrannou zánětovou reakcí. Nanočástice jsou někdy označovány jako NAMP (Nanoparticle Associated Molecular Patterns). Reakce na ně je podobná reakci na signály DAMP/PAMP. Nanočástice vstupují do těla především dýchací soustavou a trávicím traktem. Nanočástice jsou z těla vylučovány převážně ledvinami. Možný prostup je i přes kůži. Málo je známo o modifikacích nanočástic v lidském těle, které jsou zprostředkovány působením mikrobioty, především střevní. Nanočástice mohou rozrušovat pevné spoje mezi epitelovými buňkami a buňkami endotelu. Jsou internalizovány buňkami imunity i jinými buněčnými typy prostřednictvím různých mechanismů. V závislosti na chemickém původu mohou prodělávat změny v kyselém prostředí fagolyzosomu. Běžně poškozují endosomální i fagosomální aparát buňky a unikají do cytoplazmy. Jedním z nejlépe prozkoumaných nežádoucích účinků nanočástic je jejich schopnost vyvolat oxidační stres se všemi negativními dopady na buněčné organely i makromolekuly. NAMP jsou v cytoplazmě identifikovány receptory NLR, především NLRP3. Následně je sestaven inflamasom, který aktivací kaspázy 1 vytváří pluripotentní prozánětlivé cytokiny IL-1β a IL-18. Nanočástice mohou interagovat i s membránovými receptory PRR, protože některé z nich na svém povrchu vyvazují bílkoviny a další makromolekuly za vzniku tzv. koróny, která významně modifikuje jejich imunobiologické vlastnosti. Nanočástice ovlivňují biologické aktivity makrofágů a dendritických buněk. Velmi zjednodušeně řečeno expozice nanočásticím vykazuje prozánětlivé účinky na imunitní systém. Zcela mimořádné vlastnosti povrchů nanočástic jsou odpovědné i za navazování mikrobiálních PAMP, např. LPS, opět s indukcí prozánětlivých aktivit. Hodnocení imunotoxicity nanočástic či jejich imunomodulačních vlastností je pro jejich vlastnosti mimořádně komplikované. Lze konstatovat, že nálezy jsou nekonzistentní, k dispozici nejsou validované in vitro postupy a nálezy ze zvířecích modelů neodrážejí reálnou situaci v jaké je člověk nanočásticím vystaven.
Nanočástice jsou považovány za mimořádně perspektivní pro aplikace v medicíně. Některé typy nanočástic, v současnosti především liposomy, jsou využívány pro cílení cytostatické léčby. Tato aplikace nanočástic je rychle rozpracovávána a jsou konstruovány nanočástice, které v sobě kombinují monoklonální protilátku cílící na strukturu nádorových buněk, cytostatikum a nanotečku pro sledování distribuce tohoto léčiva. V onkologii jsou velká očekávání kladena na kovové nanočástice, které budou cíleně distribuovány do nádorové tkáně. Po ozáření laserovým paprskem dojde k jejich zahřátí a zničení nádorových buněk. Nanočástice jsou již nyní používány v diagnostice v podobě biosenzorů. Velmi výhodné jsou paramagnetické vlastnosti některých nanočástic, které mohou být využity v zobrazovacích technikách MRI. Nanotechnologie budou využity pro lepší vlastnosti léčiv aplikovaných v aerosolech nebo práškových formách, což je velmi aktuální pro alergologii. Velmi perspektivním se jeví využití liposomů při konstrukci vakcín. Vláknité nanočástice, které mohou být základem pro „tkaní“ nanotextilií budou využívány pro hojení ran. Na jejich povrchy mohou být navázány růstové faktory nebo antibakteriální látky. Není technologickou utopií, že prostřednictvím nanotechnologií bude možné konstruovat umělé tkáně a orgány.
Měli bychom domyslet, že nanočástice a „nanotechnologie“, nejsou výsledkem invence moderního člověka. Všechny živé systémy jsou ve své podstatě postaveny na „zdola nahoru“ přístupu, formulovaném geniálně koncem 50.let 20.století budoucím nositelem Nobelovy ceny za fyziku Richardem Feynmanem, který je v mnohém ohledu právem považován za zakladatele oboru. V živých systémech vznikají z atomů molekuly, v hierarchickém uspořádání se „samosestavují“ a „samoorganizují“ za vzniku makromolekul, organel, buněk, tkání, orgánů. Buňku můžeme považovat za „nanomolekulární továrnu“, ve které fungují receptory na povrchu membrán, membránové transportní systémy, ribosomy jako biologické nanostroje. Za fyziologických podmínek jsou tyto nanoprocesy přísně řízeny a podřízeny potřebám živých organismů. To jistě neplatí v případě uměle vytvářených nanočástic, které jsou produkovány především s cílem zefektivnit výrobní procesy a dosáhnout vyšších zisků. Je nepochybné, že rychlý rozvoj nanotechnologií, který právě vysoká ziskovost v tomto sektoru nepochybně zajistí, bude mít zásadní dopady na zdraví člověka a na přírodní prostředí. Politické systémy by měly zajistit vysokou míru obezřetnosti a zabránit prostřednictvím regulací negativním dopadům nanotechnologií na zdraví i přírodu. Obtížně představitelné jsou společenské dopady nanotechnologií. Zde je odhadováno, že lidstvo stojí před při nejmenším stejnou zlomovou situací, jako byla první a druhá průmyslová revoluce. Nanotechnologie, spolu s umělou inteligencí a robotizací, povedou k obrovskému zefektivnění výrobních procesů, které již nebudou vyžadovat lidskou práci. Zásadně tak promění lidskou společnost. I toto je tvář nanotechnologií. Musíme věřit, že komplexní výzvy spojené s nanotechnologiemi lidstvo zvládne.
