Наночастицы изменят мир, но станет ли он лучше — зависит от решений, принимаемых сейчас

Технологии на основе наноматериалов — например, частиц, которые более чем в 10 000 раз меньше точки в конце этого предложения — играют всё большую роль в нашем мире.

Углеродные нановолокна укрепляют самолёты и рамы велосипедов, наночастицы серебра создают антибактериальные ткани, а увлажняющие наночастицы, называемые нанолипосомами, используются в косметике.

Нанотехнологии также революционизируют медицину и расширяют границы человеческих возможностей. Если вы получали вакцину от COVID-19 в США, она содержала наночастицы.

В будущем нанотехнологии могут позволить врачам лучше лечить заболевания мозга, такие как рак и деменция, поскольку наночастицы легко проходят через гемато-энцефалический барьер.

Наночастицы в глазных каплях могут временно корректировать зрение. А стратегически имплантированные наночастицы в глаза, уши или мозг могут обеспечить ночное зрение или слух, сравнимый с собачьим. Наночастицы могли бы даже позволить людям управлять «умными» домами и автомобилями силой мысли.

Это не научная фантастика. Это всё активные области исследований.

Но системы оценки безопасности и этичности наночастиц не поспевают за исследованиями. Как химика, работающего в бионауке, это ограниченное регулирование беспокоит меня. Без обновлённых систем трудно сказать, сделают ли нанотехнологии мир лучше.

Что такое «нано» и зачем?

Любая частица или материал размером от 1 до 100 нанометров в одном измерении может быть классифицирован как «нано». Точка в конце этого предложения имеет размер 1 000 000 нанометров, а человеческий волос — около 100 000 нм в диаметре. Оба слишком велики, чтобы считаться «нано». Отдельный коронавирус имеет диаметр около 100 нанометров, а частицы сажи от лесных пожаров могут быть размером до 10 нм в диаметре — два примера природных наночастиц.

Наночастицы также могут быть созданы в лаборатории. Аденовирусные векторы, нанолипопартикулы и mRNA, использованные в вакцинах от COVID-19, являются искусственными наночастицами. Оксид цинка и диоксид титана, используемые в прозрачных минеральных солнцезащитных средствах, также являются искусственными наночастицами, как и углеродные нановолокна в самолётах и велосипедных рамах.

Наночастицы полезны, потому что обладают свойствами, отличными от свойств более крупных материалов, даже при одинаковом химическом составе. Например, крупные частицы оксида цинка не растворяются в воде и используются как пигмент в белой краске.

Наноразмерный оксид цинка используется в солнцезащитных кремах, где он выглядит почти прозрачным, но отражает солнечный свет от кожи, предотвращая ожоги.

Наноразмерный оксид цинка также проявляет противогрибковые и антибактериальные свойства, которые могут быть полезны для создания антимикробных поверхностей, но причина этих свойств до конца не понятна.

И в этом заключается проблема. В то время как многие учёные заинтересованы в использовании положительных свойств наноматериалов, я и мои коллеги обеспокоены тем, что учёные всё ещё недостаточно знают об их поведении.

Безопасность нанотехнологий

Наночастицы привлекательны для биомедицинских исследований, потому что могут проникать через клеточные мембраны. Антимикробные свойства наноразмерного оксида цинка, вероятно, связаны с его способностью проникать через мембраны бактериальных клеток. Но эти наночастицы могут проникать и через мембраны человеческих клеток.

В США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) признаёт оксид цинка «в целом безопасным и эффективным» для продуктов вроде солнцезащитного крема, потому что в таком применении он вряд ли токсичен для человека.

Однако, хотя учёные довольно хорошо понимают влияние на здоровье крупных частиц оксида цинка, они не до конца понимают влияние на здоровье его наноразмерной формы. Лабораторные исследования на человеческих клетках дали противоречивые результаты — от воспаления до гибели клеток.

Я верю в пользу солнцезащитных кремов. Но я также беспокоюсь о влиянии на окружающую среду частиц, которые, как известно, проникают через клеточные мембраны.

Ежегодно производятся сотни тонн наноразмерного оксида цинка, и он плохо разлагается. Если мы не поймём его поведение лучше, невозможно предсказать, станет ли он в конечном итоге проблемой, хотя появляется всё больше доказательств того, что нанооксид цинка из солнцезащитных средств повреждает коралловые рифы.

Этика нанотехнологий

Способность наночастиц проникать через клеточные мембраны делает их эффективными в терапевтических средствах, таких как вакцины. Наночастицы многообещающи для регенерации скелетных мышц и однажды могут лечить мышечную дистрофию или естественную атрофию, связанную с возрастом.

Но вакцины от COVID-19 служат предостерегающим примером — вакцины на основе наночастиц были быстро приняты в США и Европе, но страны с низким уровнем дохода имели гораздо меньший доступ к ним из-за патентной защиты и отсутствия инфраструктуры для производства и хранения.

Наночастицы также могут позволить улучшить человеческие возможности — от улучшения зрения до создания солдат, более эффективных в бою.

Без этических рамок для их использования, нанотехнологии для улучшения возможностей, доступные только в определённых местах, могут углубить разрыв в благосостоянии между странами с высоким и низким доходом.

Формирующееся регулирование

Сегодня разные страны по-разному относятся к наночастицам. Например, Научный комитет по безопасности потребителей Европейского союза запретил использование наноразмерного оксида цинка в аэрозольных солнцезащитных средствах на всей территории ЕС, ссылаясь на его потенциальную способность проникать в клетки лёгких и оттуда перемещаться в другие части тела. США не предприняли аналогичных действий.

Европейский союз создал лабораторию нанобиотехнологий для изучения влияния наночастиц на здоровье и окружающую среду.

В США Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI), скоординированная государственная программа исследований и разработок, работает над объединением юристов, экспертов по этике и учёных. Они будут взвешивать преимущества и риски нанотехнологий и распространять информацию среди других учёных и общественности.

Преодоление неравенства в распределении вакцин на основе наночастиц — это отдельная проблема. Программа COAX Всемирной организации здравоохранения (WHO) стремилась обеспечить справедливый и равный доступ к терапевтическим средствам, связанным с COVID. Аналогичные меры следует рассмотреть для всех лекарств на основе нанотехнологий, чтобы все могли получить пользу.

Синтетическая биология — это область, которая переживает столь же быстрый рост. В течение последних 20 лет некоммерческий фонд iGEM проводит ежегодный всемирный студенческий конкурс, который использует как платформу для обучения молодых учёных думать о более широких последствиях своей работы.

Фонд iGEM требует от участников учитывать безопасность, защищённость и то, является ли их проект «хорошим для мира». Сообществу исследователей нанотехнологий очень помогла бы адаптация подобной модели. Нанотехнологии, которые изменят мир к лучшему, требуют координации науки и этики, чтобы формировать то, как они будут использоваться и контролироваться ещё долго после их создания.