Detectiemethoden voor toxicokinetisch onderzoek

Zeer uiteenlopende detectiemethoden worden toegepast om de fysisch-chemische eigenschappen van nanodeeltjes te beschrijven. Dit hindert onderlinge vergelijking van studieresultaten (Hagens et al., 2007) omdat er geen eenduidige afspraken en aanpak zijn voor het meten van nanodeeltjes

(Oberdörster, 2005b; Tsuji et al., 2006).

Voor een goede beoordeling van de risico’s is het van groot belang dat kan worden aangetoond dat de nanodeeltjes waaraan men wordt blootgesteld daadwerkelijk in die vorm in het lichaam worden opgenomen. Daarom is er behoefte aan technieken waarmee enerzijds de aanwezigheid van nanodeeltjes in weefsels/organen kan worden aangetoond en anderzijds de hoeveelheid en

karakteristieken van nanodeeltjes (in welke dimensie dan ook uitgedrukt) bepaald kunnen worden. Hierbij moet gedacht worden aan meetmethoden op het gebied van electronenmicroscopie en kwantitatieve extractiemethoden van nanodeeltjes uit weefsels en organen, gevolgd door detectie methoden. Het opzetten van dergelijke meetmethoden vereist specialistische kennis en relatief grote investeringen in apparatuur. Op basis van reviews van Hagens et al. (2007) over toxicokinetiek van nanodeeltjes en van Wijnhoven et al. (2008 en submitted) over nanozilver kan worden geconcludeerd dat in de kinetische studies die tot nu toe zijn uitgevoerd slechts zelden de interne dosis juist is gekarakteriseerd en gekwantificeerd. Veelal worden gehaltes van een bepaalde stof gemeten maar wordt niet gemeten hoeveel van die stof daadwerkelijk in nanovorm in het lichaam aanwezig is.

3.3.2

Absorptie

Inhalatie. In verschillende epidemiologische studies is gekeken naar fijn stof (waaronder ultrafijne

deeltjes) en de negatieve (lokale en systemische) effecten op de gezondheid (Vermylen et al., 2005; Peters et al., 2006). Op dit moment is het niet duidelijke of deze negatieve effecten worden veroorzaakt door de geabsorbeerde deeltjes zelf, of door een aaneenschakeling van processen geïnitieerd door de deeltjes in de long. Additionele dierstudies hebben een lage, maar detecteerbare absorptie van geïnhaleerde nanodeeltjes over de long en distributie naar andere organen aangetoond (Geiser et al., 2005; Kreyling et al., 2002; Oberdörster et al., 2002). Resultaten uit inhalatiestudies met gelabelde nanodeeltjes (= deeltjes waarvan een radioactief atoom in het molecuul is ingebouwd waardoor het molecuul gelokaliseerd of gemeten kan worden in de mens) laten echter niet éénduidig eenzelfde conclusie zien (Brown et al., 2002; Mills et al., 2006; Nemmar et al., 2002; Wiebert et al., 2006). De verschillen tussen de dierexperimenten en de humane studies worden onder andere toegeschreven aan het feit dat in dierstudies hogere en mogelijk meer toxische doses kunnen worden gegeven. Deze hogere doses zouden tot een bepaalde mate van overload kunnen leiden, waardoor deeltjes alsnog over de longwand kunnen bewegen. Daarnaast zou ook de lagere detectielimiet in dierstudies, vanwege het feit dat organen en weefsels ex vivo (buiten het lichaam) onderzocht kunnen worden, een belangrijke rol in de discrepantie tussen de studies kunnen spelen (Oberdörster et al., 2007).

De reukzenuw (N. Olfactorius) is ook een absorptieroute waarlangs geïnhaleerde nanodeeltjes het centrale zenuwstelsel bereiken (Oberdörster et al., 2004). Via deze route kunnen zij de hersenen bereiken buiten de bloed-hersenbarrière om (Oberdörster et al., 2005a). Deze neuronale absorptieroute is aangetoond in dierstudies maar nog niet in de mens. Het is echter wel aannemelijk dat deze route ook in de mens aanwezig is, alhoewel de reukzenuw in de rat beter ontwikkeld is dan in de mens en dus in de rat een relatief groter oppervlak voor absorptie heeft.

Gastro-intestinale absorptie. Er zijn al diverse producten op de markt waarbij orale blootstelling aan

nanodeeltjes denkbaar is (Lomer et al., 2002; Maynard et al., 2005). Het is daarom van belang dat ook onderzoek wordt verricht naar absorptie via het maag-darmkanaal. Er zijn aanwijzingen dat de grootte van de deeltjes van invloed is op de mate van absorptie. Zo is aangetoond dat de absorptie van 100 nm polystyreen nanodeeltjes 250 keer hoger was dan voor grotere deeltjes (500 nm, 1 en 10 µm) (Desai et al., 1996). Voor deeltjes onder de 100 nm bleken de verschillen veel kleiner; polystyreen nanodeeltjes

van 50 en 100 nm werden geabsorbeerd voor respectievelijk 34% en 26% (Jani et al., 1990). In de mens is nog geen opname van nanodeeltjes door het maag-darmkanaal aangetoond.

Dermale absorptie. Opname van nanodeeltjes door de huid vormt een laatste belangrijke

blootstellingsroute. Dit geldt zowel voor de intacte huid (via kleding en cosmetica die nanodeeltjes kunnen bevatten) als voor de beschadigde huid (verbandmiddelen met nanodeeltjes, zonnebrandcrème op de zonverbrande huid) (Lee et al., 2003; Roszek et al., 2005).

Er zijn diverse studies gedaan naar absorptie door de intacte huid. Verschillende studies rapporteren geen dermale absorptie van verschillende nanodeeltjes (ijzer [Fe; 5 nm]; maghemite [γ-Fe2O3; 6 nm]

en titaniumdioxide [TiO2]) door de intacte huid (Baroli et al., 2007; Kiss et al., 2008; Nohynek, 2007).

Echter, in een recente studie konden twee soorten quantum dots (5 nm en 12 nm met verschillende (neutraal, positief en negatief geladen) coatings) wel door de huid getransporteerd worden (Ryman- Rasmussen et al., 2006). Eenzelfde observatie is gedaan voor beryllium deeltjes (500 nm en 1 µm; Tinkle et al., 2003), en ook fullerenen (Rouse et al., 2007) konden wel over de epidermis (opperhuid, bovenste huidlaag) worden getransporteerd als een bewegende huid werd gesimuleerd.

Verbandmiddelen met nanozilver (bijvoorbeeld Acticoat) worden op dit moment al toegepast in de kliniek voor een locale antibacteriële behandeling van de huid na (brand)wonden. Verschillende klinische studies laten na wondbehandeling met nanovormen van zilver hogere zilverconcentraties in plasma en urine zien dan na behandeling met andere vormen van zilver (Vlachou et al., 2007; Trop et al., 2006). Vanwege de gebruikte detectiemethoden blijft het onduidelijk of vrijgemaakte zilverionen dan wel de zilvernanodeeltjes zelf worden geabsorbeerd door de huid (Wijnhoven et al., 2008 en submitted).

Parenterale blootstelling. Ook via geavanceerde medische toepassingen kunnen nanodeeltjes in het

lichaam worden gebracht. Voor medische beeldvormende doeleinden kunnen nanodeeltjes met gewenste fysisch-chemische eigenschappen direct in het lichaam worden geïnjecteerd. Ook kunnen nanodeeltjes in het lichaam ontstaan door slijtage van geïmplanteerde, nanodeeltjes bevattende biomaterialen (een materiaal dat compatibel is met levende organismen) (Gatti en Rivasi, 2002).

Samenvattend kan worden gesteld dat de huidige studies naar opname van nanomaterialen in het

lichaam erop duiden dat opname in het lichaam kan plaatsvinden. Het ontbreekt echter aan studies waarin wordt aangetoond of het de nanovormen van chemicaliën zijn die worden geabsorbeerd of juist de ionen. Deze informatie is van cruciaal belang voor de risicobeoordeling.

3.3.3

Distributie

Nadat nanodeeltjes het lichaam zijn binnengekomen via één van de mogelijke blootstellingsroutes, zorgt de bloedcirculatie voor een verdere verspreiding over organen en weefsels. Hierbij kunnen ook interacties plaatsvinden met plasma-eiwitten, stollingsfactoren, bloedplaatjes en bloedcellen. Deze interactie kan de distributie en de uitscheiding van nanodeeltjes sterk beïnvloeden.

In verschillende studies zijn nanodeeltjes aangetoond in bloed (Gatti et al., 2004; Hillyer en Albrecht., 2001). Een inhalatiestudie met radioactief geladen nanodeeltjes in ratten liet een (lage maar

detecteerbare) verspreiding zien van nanodeeltjes over verschillende organen, inclusief lever, hart, nieren, milt en hersenen. Deze data suggereren een distributie van de nanodeeltjes via de

bloedcirculatie (Oberdörster et al., 2002). In een recente distributiestudie met nanogoud werd na intraveneuze toediening in ratten voor 10 nm gouddeeltjes een verdeling over onder andere; bloed, lever, milt, testis, nier, thymus, hart, long en hersenen gevonden. Grotere deeltjes (50, 100 en 250 nm) konden alleen maar worden teruggevonden in bloed, lever en milt (De Jong et al., 2008). Deze resultaten duiden op een verspreiding in het lichaam die afhankelijk is van de grootte. Een dergelijke

relatie tussen grootte en distributiepatroon is reeds bekend voor deeltjes als liposomen (De Jong et al., 2008; Hillyer en Albrecht, 2001).

Vanuit geïmplanteerde biomaterialen is reeds kennis verworven over de verspreiding van losgekomen nanodeeltjes in het lichaam als gevolg van slijtage van het implantaat. Dergelijke nanodeeltjes (PVC, TiO2, SiO2, Co, Ni) zijn aangetroffen in bloed, lever, nier en darm van patiënten met een implantaat

(Gatti en Rivasi, 2002; Gatti, 2004; Gatti et al., 2004; Revell et al., 1997). In-vitro testen hebben aangetoond dat deze deeltjes ontstekingsreacties kunnen veroorzaken op endotheelcellen (cellen in bloedvatwanden) (Peters et al., 2004).

Gegevens over de verdeling van nanodeeltjes naar voortplantingsorganen en -cellen, over transport van de placenta naar de foetus en over passage van de bloed-hersenbarrière zijn op dit moment schaars. Wetenschappers zijn zich echter bewust van de noodzaak van onderzoek naar transport over deze barrières.