Hlavní navigace

Jan Topinka: Chceme sledovat, co nanočástice dělají s mozkem

Andrea Pencová

Zabývá se trpasličími částicemi prachu. Jsou tak jemné, že snadno proniknou hluboko do našich plic, dokonce až do mozku. A jsou všude kolem nás. Máme se proto nanotechnologií a nanočástic bát?

Doba čtení: 11 minut

Nanočástice byly v přírodě vždycky, vznikají vlivem přírodních procesů, například hořením nebo spalováním. Zdrojem nanočástic je třeba obyčejná svíčka. Později ale začala systematická výroba nanočástic a z nich produkovaných nanomateriálů. Odborníci varují, že jsou sice užitečné, ale mohou být i nebezpečné.

Jan Topinka stojí v čele Oddělení genetické toxikologie a nanotoxikologie Ústavu experimentální medicíny Akademie věd ČR. Dlouhodobě se zabývá problematikou znečištění životního prostředí, zkoumá vliv chemických látek vázaných na jemné prachové částice v ovzduší a nebezpečí nanočástic v motorových emisích spalovacích motorů. „Lidé pozdě zjistili, že azbest způsobuje rakovinu. Proto jsou potřeba vědecké studie, aby se u nanomateriálů nestalo to samé,“ říká vědec.


Autor: Vitalia.cz / Karel Choc

„Na jednu stranu jsou nanomateriály fantastické z hlediska využití v nejrůznějších průmyslových odvětvích a mají velkou budoucnost, na stranu druhou jsou tím uváděny do životního prostředí a je třeba se včas zabývat jejich možnými dopady na lidské zdraví,“ upozorňuje Jan Topinka z AV ČR

Co je náplní práce vašeho vědeckého týmu?

Velmi stručně řečeno: Naše oddělení zkoumá mechanismy toxických účinků průmyslově vyráběných nanočástic i jemných a ultrajemných částic vznikajících při spalovacích procesech. Zabýváme se například interakcemi (vzájemným působením) zmiňovaných částic a jejich komponent s biomolekulami v zejména lidských buněčných liniích (jde o modely lidských buněk, které jsou schopné napodobit reakci skutečných lidských buněk v laboratorních podmínkách s cizorodými látkami). Zkoumáme negativní vlivy motorových emisí na lidské zdraví v podmínkách reálného automobilového provozu. Na základě molekulárně-epidemiologických studií analyzujeme vliv znečištěného životního prostředí na člověka.

Jak souvisí konkrétně vaše práce se znečištěným životním prostředím a nanočásticemi? 

Věnuji se problematice znečištění ovzduší a vlivu těchto procesů na lidské zdraví. Zabývám se zejména prachovými částicemi, a to těmi nejjemnějšími, které jsou z hlediska lidského zdraví nejzásadnější. Pronikají totiž hluboko do plic, kde následně způsobují celou řadu zdravotních problémů, nezřídka vedoucích i k rakovině. Dlouhodobý pobyt v silně znečištěném prostředí bychom mohli přirovnat k pasivnímu kouření, jehož pravidelné expozice silně poškozují organismus. K nanočásticím a bezpečnosti nanotechnologií jsem se dostal právě díky výzkumné činnosti související s jemnými částicemi ve znečištěném ovzduší.

Jak jsou definovány nanočástice a nanotechnologie? 

Nanočástice lze definovat jako velmi malé, vlastním okem nepozorovatelné částice, kterými jsme obklopeni.

Nanočástice

  • Jedná se o struktury a systémy (uskupení atomů a molekul) veliké cca od 1 nanometru do 100 nanometrů.
  • Předpona „nano“ znamená „trpasličí“, rozměrově je to deset na minus devátou metru, tedy jedna miliardtina metru. Jeden nanometr je tisícinou mikrometru.
  • Jsou větší než atomy a molekuly, ale podstatě menší než zrnko máku.
  • Mohou být hranaté, kulaté…

Nanočástice se v přírodě nacházely vždy, vznikaly například vlivem přírodních procesů typu sopečné činnosti, hoření nebo antropogenní činností (spalováním)… Později začala jejich systematická výroba. Z nanočástic se vyrábějí nanomateriály.

Nanomateriály

  • Nanomateriálem může být například i vlákno dlouhé několik milimetrů, má-li tloušťku odpovídající rozmezí velikosti nanočástic (jeden z jeho tří rozměrů je menší než 100 nanometrů).
  • Vlastnostmi nanomateriálů, měřením a manipulací s hmotou na úrovni nanočástic se zabývají nanotechnologie.

Hmota na úrovni nanočástic se chová specificky. Na jednu stranu jsou nanomateriály fantastické z hlediska využití v nejrůznějších průmyslových odvětvích a mají velkou budoucnost, na stranu druhou jejich rozvoj způsobuje, že jsou tyto částice uváděny do životního prostředí (do ovzduší, do vody…), podobně jako částice při spalování, a je třeba se včas zabývat jejich možnými dopady na lidské zdraví.

Zdrojem nanočástic je třeba i zapálená svíčka. Je tedy bezpečné pálit si jich v místnosti větší množství? 

Padesát svíček v interiéru bych rozhodně nedoporučoval. Svíčky ano, krby ano, ale s rozumem. Svíčka je úžasný zdroj nanočástic, a když se spalování přehání, dochází ke zvyšování nežádoucích koncentrací. Vliv na lidské zdraví je dopředu velmi těžko odhadnutelný. Podobné je to i s vonnými tyčinkami.

Proč je potřeba zabývat se nanočásticemi právě teď? Říkal jste, že nás obklopují odjakživa. 

Protože jejich průmyslová výroba jde kupředu. Je nutné zabývat se hlediskem bezpečnosti při jejich výrobě a také tím, co způsobuje přítomnost uvolněných nanočástic v životním prostředí.

Vezměte za příklad historii s azbestem, který se dlouhodobě používal na stavbách, včetně střech mateřských školek. Až po mnoha a mnoha letech se zjistilo, že azbest, absolutně nerozpustná látka hromadící se v plicích, způsobuje rakovinu. Účinky azbestu jsou o to zákeřnější, že se projeví až za dlouhý čas (patnáct let i více) a jsou nevratné.


Autor: Vitalia.cz / Karel Choc

Ing. Jan Topinka, CSc., DSc. v Ústavu experimentální medicíny AV ČR, kde vede Oddělení genetické toxikologie a nanotoxikologie

Masivnímu použití azbestu ve stavebnictví se dalo předejít, kdyby zavčas existovaly patřičné vědecké studie. I v případě stále se rozvíjející výroby nanomateriálů je na místě dodržovat princip předběžné opatrnosti. Je třeba myslet nejen na vlastní použití těchto materiálů, ale i na to, zda je jejich výroba, z hlediska profesionální expozice zaměstnanců, bezpečná. Dále pak na to, co se s nanomateriály děje během celého jejich životního cyklu, zda a v jakých koncentracích mohou ohrozit zdraví člověka. V neposlední řadě je třeba vzít do úvahy, že na rozdíl od větších částic mohou nanočástice díky svým rozměrům pronikat do orgánů a tkání v lidském organismu a způsobovat tam nežádoucí toxické účinky.

Kde všude se můžeme s nanomateriály setkat?

Existuje značné množství nanomateriálů a zdaleka není možné otestovat všechny, které se v současnosti vyrábějí. My se soustředíme na ty nejdůležitější a nejběžněji používané, například na oxid titaničitý. Ten se využívá v potravinářství jako zvláčňovadlo do čokolád a kečupů, právě díky němu se čokoláda tak krásně rozpouští na jazyku… Je skryt pod označením E 171. V práškové formě je využíván jako pigment zajišťující bělost a neprůhlednost, například v zubních pastách, lékařských tabletách, papíru a dalších potravinách, léčivech a kosmetických přípravcích.

Nanomateriály se pomalu začínají využívat ve stavebnictví (např. uhlíková nanovlákna zlepšují životnost a pružnost betonu) a v energetice, běžně se s nimi setkáváme v textilním průmyslu, při výrobě sportovních potřeb (lyže, tenisové rakety…) a kosmetiky. Své místo nacházejí i v biomedicíně a farmakologii. V prádle se běžně setkáváme s nanostříbrem, které má antimikrobiální účinky a zabíjí bakterie způsobující zápach potu. To je samo o sobě skvělá věc. Avšak prádlo se jednoho dne vypere a nanočástice putují do odpadních vod. Jsou tak jemné, že je žádné filtry nezachytí…

Galerie: Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou vodu

Odkdy je nanotechnologiím a nanočásticím věnována vědecká pozornost?

Přesný rok vám neřeknu, ale dle publikace z roku 2008, kterou pod názvem Nanotechnologie v České republice vydala Česká společnost pro nové materiály a technologie, je rozvoj tohoto oboru datován do osmdesátých let minulého století. Výzkum a vývoj nanotechnologií v ČR je z převážné části financován z veřejných zdrojů. Od roku 2016 zde funguje pod vedením Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského velká výzkumná infrastruktura NanoEnviCz sestávající ze šesti významných vědeckých institucí, z nichž pět provádí vývoj zejména nanomateriálů a jedna z nich, naše pracoviště, tj. Ústav experimentální medicíny AV ČR, se věnuje problematice jejich bezpečnosti.

Jak je to s legislativou v oblasti nanomateriálů?

Specifické expoziční limity pro nanomateriály zatím prakticky neexistují. V roce 2011 vydala Evropská komise doporučení ohledně specifikace nanomateriálů. Ta nyní spadají pod obecná evropská nařízení. Konkrétně REACH, které se dotýká všech chemických látek (jejich registrace, hodnocení, povolování a omezování) a CLP (klasifikace, označování a balení chemických látek a směsí). Nanotechnologie si rozhodně zaslouží rámcovou legislativu, s ohledem na jejich značnou diverzitu. Jednak jsou potřeba velmi obecné předpisy, na základě kterých by bylo použití nanomateriálů regulované, dále je pak nutné stanovit normy pro bezpečnost práce s konkrétními nanomateriály.

Existuje souvislost mezi nanočásticemi a vznikem rakoviny? 

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny, která sídlí v Lyonu, již v roce 2013 stanovila znečištěné ovzduší jako prokázaný karcinogen. Podobně jako emise z dieselových motorů mohou i nanočástice negativně ovlivňovat lidské zdraví. Jednak svým mechanickým působením ve tkáních a orgánech, kam se díky svým malým rozměrům snadnou dostanou, ale i případným uvolňováním chemikálií ze svého povrchu. Při spalování vznikají karcinogenní látky, na které jsou malé částice navázané. Specifikum nanočástic spočívá v tom, že se nejen dostanou a udržují v plicích, ale díky své velikosti pronikají přes buněčné membrány a mohou doputovat klidně až do mozku.

Nežádoucím vlivem nanočástic jste se zabýval ve velmi úspěšném projektu MEDETOX.

Ano. Tehdy jsme s kolegou docentem Vojtíškem z Technické univerzity v Liberci spolupracovali na projektu, který se věnoval emisím v reálném provozu. Od samého začátku jsme poukazovali na to, že emise, například na pražském okruhu, kde auta stojí, jsou daleko vyšší, než vykazují emise ze zkušebny. Jinými slovy, že výsledky emisí, které automobilové firmy získávají na základě laboratorních testů, neodrážejí situaci v reálném provozu. V roce 2011 jsme s podporou EU a Ministerstva životního prostředí na toto téma realizovali projekt MEDETOX, který má vlastní webové stránky.


Autor: Vitalia.cz / Karel Choc

Průzkum Medetox ukázal, že výsledky emisí, které automobilové firmy získávají na základě laboratorních testů, neodrážejí situaci v reálném provozu

Až mnohem později zahýbala světem aféra diesel gate. Je samozřejmě rozdíl, když se emisím věnuje nějaký Vojtíšek s Topinkou, a když s totožnými závěry nastoupí EPA (Agentura pro ochranu životního prostředí spadající pod vládu USA, pozn. red.). Automobilový průmysl zastupují mocní hráči, a ne s každým jsou ochotni se bavit. Nicméně zájem o výsledky našeho průzkumu projevil štáb britské televize BBC. Kolega jim tehdy přímo v motorové zkušebně ukazoval, jak to vypadá, když se podvádí se zařazeným softwarem a jak vypadá reálně naměřený výsledek emisí.

Chystáte teď s týmem další zajímavý vědecký projekt? 

Usilujeme o získání evropského grantu týkajícího se výzkumu působení nanočástic na mozkové buňky, a to zejména v souvislosti se vznikem Alzheimerovy demence. Jak už bylo vícekrát řečeno, nanočástice jsou tak malé, že mohou pronikat z krevního oběhu přes hematoencefalickou bariéru do mozku. Jednalo by se o zcela unikátní studii, protože z daného hlediska se vznikem Alzheimerovy demence nikdy nikdo nezabýval. Sledovaly se zejména plíce a jiné orgány, mozek zatím ne.

O neurotoxických účincích nanočástic se hovoří již dlouho, avšak je poměrně obtížné tuto neurotoxicitu sledovat, je třeba mít dostatečně vhodné buněčné modely. Nanočástice jako takové nemusí nutně způsobovat Alzheimerovu demenci. Ale mohou třeba urychlit nástup tohoto onemocnění. Vědecký tým se chystá pracovat s buňkami odvozenými ze zdravých dobrovolníků a od těch, kteří již Alzheimerovu demenci mají. Budeme sledovat genetické pozadí a genetickou výbavu vzorků a zároveň na ně působit nanočásticemi z dieselových emisí. Pokud projekt dostaneme, měli bychom začít již v příštím roce. Na tomto projektu by se podílelo patnáct pracovišť z různých evropských zemí.

Jaká je šance, že Oddělení genetické toxikologie a nanotoxikologie tento projekt skutečně získá?

Soutěž je dvoukolová, prvním kolem jsme již úspěšně prošli. Nyní připravujeme několikasetstránkový elaborát, takzvaný plný návrh, popisující mimo jiné účel, podrobný popis, metody a postup prováděného výzkumu. Do druhého kola prošlo celkem sedmnáct projektů a uspět jich může třetina. Pracujeme tedy s šancí 33 %. Věříme si nejen proto, že jsme se již dříve osvědčili, ale protože se podařilo sestavit poměrně silné mezinárodní konsorcium zahrnující lékaře (především neurology), genetiky, vědce (např. fyziky, kteří budou měřit a generovat emise z dieselových motorů) a nanotoxikology (včetně nás). Jen dodávám, že my samozřejmě nejsme natolik silní, abychom zmíněné konsorcium vedli, ale bylo nám ctí, že naše pracoviště bylo osloveno, aby se stalo součástí této mezinárodní spolupráce.

Zahrnuje zmiňovaný výzkum i pokusy na zvířatech?

Ano, součástí projektu jsou i laboratorní zkoušky na myších, nicméně tam, kde je to možné, se snažíme hodnocení na laboratorních zvířatech omezit a používat buněčné kultury. Já sám nemám pokusy na zvířatech rád. Co mě však v souvislosti s touto výzkumnou prací zaujalo, jsou testy na lidských dobrovolnících s dieselovými emisemi. Vím o několika publikovaných zahraničních studiích na zdravých dobrovolnících, kdy jsou testovány zředěné emise z dieselových motorů. Přes nesporný význam poznatků z těchto studií nechápu, jaká etická komise tyto studie mohla schválit.

Jsou na místě obavy? Máme se nanotechnologií bát?

Rozhodně ne. V běžném životě si sotva uvědomíme, co vše je s nanomateriály spojeno a kolikrát za den se s nimi dostáváme do styku. Toxikologické testy se dělají při koncentracích, se kterými se běžně nesetkáte, takže dosažené výsledky je třeba hodnotit s ohledem na dávku, která je pro člověka reálná. Na druhou stranu jistě není v pořádku, když např. dělníci nepoužívají při výrobě nanomateriálů respirátory a přehazují nanomateriály lopatou tak, že pomalu není vidět na krok. To je samozřejmě extrém.

Jsem zastáncem názoru, že nanotechnologie mají obrovské využití a budoucnost. Vědecké oddělení pod mým velením spolupracuje s lidmi, kteří nanotechnologie vyvíjejí. Nejsme tu od toho, abychom jejich činnost blokovali. My se snažíme prokázat, zda vyvíjené nanomateriály nemají negativní účinky na lidské zdraví. Snažíme se o prosazení mezinárodně uznávaného principu „safe by design“ (bezpečný svou strukturou) – otestovat ve spolupráci s vědci vyvíjejícími nanomateriály tyto nanomateriály již na začátku vývoje, vyřadit ty rizikové a soustředit se na vývoj zdravotně nezávadných struktur, které klidně mohou mít stejné užitné vlastnosti jako ty závadné. V souvislosti s rozvojem nanotechnologií je namístě princip předběžné opatrnosti.

Ing. Jan Topinka, CSc., DSc.

Vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze. Je vědeckým pracovníkem Ústavu experimentální medicíny AV ČR, kde vede Oddělení genetické toxikologie a nanotoxikologie.

Dlouhodobě se zabývá problematikou znečištění životního prostředí, zejména vlivem komplexních směsí chemických látek vázaných na jemné prachové částice v ovzduší a nebezpečím nanočástic v motorových emisích spalovacích motorů.

Je autorem a spoluautorem řady odborných publikací a článků, často přednáší v zahraničí.