SECCIÓN TÉCNICA

Toxicología de las nanopartículas Virginia Gálvez Pérez y Celia Tanarro Gózalo Centro Nacional de Nuevas Tecnologías. INSHT

Los nanomateriales suponen un nuevo desafío para entender, predecir y gestionar los riesgos que supone su utilización para la salud de los trabajadores. Como con cualquier nuevo material que aparece, los datos científicos de los efectos

sobre la salud en trabajadores expuestos son, en general, escasos. En el caso de nanomateriales, las incertidumbres son grandes porque sus características pueden

ser diferentes, en magnitud y en efectos, de las de los materiales más grandes con la misma composición química.

INTRODUCCIÓN

profesionales dedicados a la seguridad

lo que se correspondería con el término

y salud en el trabajo, que deben enfren

inglés "engineered nonoparticle".

La rápida expansión de la nanotec-

tarse a la protección de un número cada

nología ha generado gran cantidad de

vez mayor de trabajadores expuestos a

nanopartículas con nuevas e inusuales

gran número de materiales diferentes

propiedades electrónicas y mecánicas

con

que, indudablemente, son muy benefi

conocidas.

características

toxicológicas

poco

ciosas para la sociedad. En la actualidad

se utiliza en sectores como el de la infor

NANOTOXICOLOGÍA Los

nanomateriales

suponen

un

nuevo desafío para entender, predecir y gestionar los riesgos que supone su

Es importante distinguir, en este ám

utilización para la salud de los trabaja

mación y las comunicaciones. También

bito, los nanomateriales de las partículas

dores. Como con cualquier nuevo ma

se emplea en cosméticos, protectores

ultrafinas. En ambos casos se trata de

terial que aparece, los datos científicos

solares, tejidos, revestimientos, algunas

partículas con tamaños menores de 100

de los efectos sobre la salud en traba

tecnologías alimentarias y energéticas, o

nm, pero las partículas ultrafinas apare

jadores expuestos son, en general, es

en determinados productos sanitarios y

cen de forma natural en determinados

casos. En el caso de nanomateriales, las

fármacos.

procesos o ambientes laborales, ya que

incertidumbres son grandes porque sus

se generan de forma no intencionada,

características pueden ser diferentes, en

Sin embargo, las nanopartículas tie

en general en procesos que implican al

magnitud y en efectos, de ¡as de los ma

nen propiedades y efectos muy diferen

tas temperaturas, como combustión, hu

teriales más grandes con la misma com

tes a los de los mismos materiales en

mos, motores, soldadura, etc. Mientras

posición química [1].

tamaños convencionales, lo que puede

que se denomina nanopartícula (NP)

plantear riesgos desconocidos para la

a materiales diseñados para tener unas

Dado que la nanotecnología es un

salud del hombre y de otras especies.

propiedades específicas como los nano-

campo emergente, existen dudas sobre

Esta situación supone un reto para los

tubos de carbono, los nanocables, etc.,

si las propiedades exclusivas de los na-

SEGURIDAD Y SALUD EN EL TRABAJO -

N°56 ■ Marzo 2010

SECCIÓN TÉCNICA

■ Esquema 1 ■ Principales factores que afectan a la toxicidad intrínseca de la nanopartícula TOXICIDAD INTRÍNSECA FACTORES QUÍMICOS nomateriales prediseñados también su ponen un riesgo diferente único para la

salud laboral.

Insol uble

boluDilidad

* +

Solul )le

Un aspecto importante es si la ver

Composición química

sión en nanoescala de un material en particular supone un riesgo que sea

FACTORES FÍSICOS

significativamente diferente, en tipo o

intensidad, de la forma en macroescala del mismo material. Por ejemplo, tipos

:ión Tamaño

de polvo como el T¡02 que se habían

considerado como no tóxicos y que se

í

habían utilizado incluso como polvo no nocivo de control en estudios de toxi-

cología de partículas, han mostrado res

Lugar de depósito

Superficie

puesta tóxica en su versión nano [2].

►■

La información toxicológica del mate

Supen icie específica

Fibra / filamento

rial en escala normal puede servir como

Forma

base para las estimaciones preliminares

Irregular Esférica o compacta

sobre la toxicidad de una nanopartícula, junto con los estudios toxicológicos in

Estructura cristalina

vivo e in vitro y los estudios epidemioló gicos que hayan podido realizarse.

Luí ;ar de depósito

% Agregados

Otra fuente de información de gran

Toxicidad

importancia son los conocimientos re lativos a efectos sobre la salud de par tículas ultrafinas, ya que, en este caso, existen

datos

de

exposiciones, tanto

química, propiedades catalíticas, conta

medioambientales como laborales, en

minantes adsorbidos (por ejemplo, me

procesos como soldadura, fundiciones,

tales pesados o endotoxinas), así como

etc.

el grado de aglomeración.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TOXICIDAD

DE LAS NANOPARTÍCULAS Los principales factores que pueden

Hasta el momento, los estudios ex

Puede incluso darse el caso de que

determinar los efectos toxicológicos de

perimentales en animales han mostra

un aumento de la concentración de na-

los nano-objetos en el organismo son

do que la respuesta biológica a ciertas

nopartículas suponga una disminución

[3]:

nanopartfculas puede ser mayor que

de la toxicidad, debido a que una mayor

la encontrada para la misma masa de

concentración favorecería la aglomera

partículas más grandes de composición

ción, lo que podría disminuir el efecto

ción:

química similar, debido probablemente

tóxico.

-

al aumento del área superficial. Además del número de partículas y del área su

El artículo pretende dar a conocer

perficial, otras características podrían in

cuáles son o podrían ser los factores

fluir en la respuesta biológica, incluyen

más importantes que influyen en la toxi-

do la solubilidad, forma, carga, superficie

cología de las nanopartículas.

N°56- Marzo 2010

1) Factores que dependen de la exposi Vía de penetración.

-

Duración de la exposición,

-

Concentración.

2) Factores que dependen del organis mo expuesto:

SEGURIDAD Y SALUD

EN EL TRABAJO-

SECCIÓN TÉCNICA

-

Susceptibilidad individual.

-

Realización de una actividad física

por la naturaleza del propio nanomate-

La toxicidad no sólo se ve afectada

raciones toxicológicas similares a las de

en el lugar de trabajo.

rial, sino que también por la presencia

cualquier otro contaminante con efectos

-

Lugar de depósito.

de otros compuestos químicos (como

sistémicos.

-

Ruta que siguen las nanopartículas

hidrocarburos

una vez se han introducido en el

y metales de transición: hierro, níquel,

organismo.

etc.)

adheridos

aromáticos sobre

su

policíclicos superficie,

como, por ejemplo, impurezas de sín 3) Factores relacionados con los nano-

materiales: -

de éstas, siguiendo entonces conside

tesis. Los metales de transición intervie

FACTORES FÍSICOS - Tamaño

El pequeño tamaño de las nanopar

nen en reacciones que desembocan en

tículas, que constituye su principal ca

Toxicidad intrínseca de la sustan

la formación de compuestos reactivos

racterística diferencial, les confiere unas

cia.

de oxígeno que tienen un papel esen

propiedades importantes desde el punto

cial en los procesos de inflamación. Así,

de vista toxicológico, pues al disminuir

por ejemplo, los nanotubos de carbono

el tamaño se produce un considerable

factores que afectan a la toxicidad intrín

El Esquema 1 resume los principales

de pared sencilla, que contienen más de

aumento del área por unidad de superfi

seca de la nanopartícula.

un 20% en peso de hierro, inducen una

cie y un mayor número de átomos en la

inflamación pulmonar mayor que si es

superficie, lo que aumenta la reactividad

tán purificados [4].

de la partícula. En general, cuanto más

FACTORES QUÍMICOS La

composición

química

reactiva sea una sustancia, más tóxica es. de

la

La solubilidad (en fluidos biológi

sustancia es obviamente uno de los

cos) es otro parámetro importante. De

Esto hace que una determinada masa de

nanomateriales en forma de nanopartícu

parámetros que determinan sus propie

pendiendo de su composición química

las sea más reactiva que la misma masa

dades toxicológicas, ya que, en princi

algunas

de material en escala mayor.

nanopartículas

pueden

disol

pio, cuanto más tóxico sea el material

verse más rápidamente que otras en

a tamaños de partículas convencionales,

los fluidos biológicos. Al disolverse se

Por ejemplo, en un estudio realizado

mayor será también su toxicidad a nivel

pierde la estructura de nanopartícula y

con ratones y ratas que recibieron por vía

nanométrico.

las propiedades toxicológicas específicas

intratraqueal partículas ultrafinas (20 nm)

SEGURIDAD Y SALUD ,

,

EN EL TRABAJO -

N°56 ■ Marzo 20!0

SECCIÓN TÉCNICA

de TiO2 y partículas finas (250 nm) de

Para el caso del TiO2, estudios ¡n vi-

TiO2 en la misma cantidad, se observó

tro en cultivos celulares han demostrado

que las partículas ultrafinas de TiO2 pro

que la forma esférica es menos tóxica

vocaban una respuesta inflamatoria en

que la fibrosa; exponiendo a los macró-

los pulmones mayor que las partículas

fagos alveolares de las ratas a una con

de mayor tamaño [5].

centración similar de TiO2 en forma de

El pequeño tamaño de las

nanopartículas,

esferas y de fibras (1-2 um de diáme Por otro lado, cuando la vía de entra

tro). Al examinarlos con un microscopio

da es la inhalatoria, el tamaño determina

electrónico se observó que las células

la región del tracto respiratorio donde se

expuestas a TiO2 en forma

depositarán con mayor probabilidad las

presentaban vacuolas y cambios en la

nanopartículas.

que constituye

de fibras

su principal característica

membrana que revelaban daños y toxi

cidad celular. En cambio, en las células - Superficie La

"superficie

diferencial, les

expuestas a TiO2 en forma de esferas no específica"

de

una

se apreciaron cambios [5].

confiere unas

partícula (expresada en m2/g) es in versamente proporcional a su tamaño.

La reactividad química de una partícula

propiedades

- Estructura

La cristalinidad, para los compuestos

depende de su superficie, ya que las

inorgánicos (como la sílice), puede con

reacciones químicas tienen lugar en la

tribuir a modular las propiedades toxico-

misma. Por lo tanto, una disminución de

lógicas de las nanopartículas.

importantes desde el punto de vista toxicológico

tamaño de las partículas supone un au mento de la superficie, aumentando así su reactividad química.

- Estado de aglomeración Las nanopartículas tienen una ten

dencia natural a formal aglomerados o - Forma

Las nanopartículas pueden tener di

agregados [6], de hecho las nanopar tículas no suelen encontrarse aisladas.

ferentes formas (esfera, fibra, tubo, ani

llo, hojas...). Se ha comprobado que,

es menor teóricamente que la de una

estructura abierta o tipo cadena. Los

aglomerados

son

grupos

de

TOXICOCINÉTICA

en términos generales, la toxicidad es

partículas unidas mediante fuerzas re

mayor para nanopartículas con forma

lativamente débiles tipo van der Waals,

tubular, seguida de formas irregulares,

electrostáticas o de tensión superficial,

Para determinar la toxicología de las

y sería menor para nanopartículas esfé

que pueden redispersarse por medios

nanopartículas, es necesario conocer el

ricas, considerando iguales el resto de

mecánicos. Mientras que los agregados

modo de exposición, la vía de entrada y

parámetros toxicológicos.

son grupos de partículas fuertemente

los procesos de adsorción, distribución

asociadas cuya redispersión por medios

y eliminación de la nanopartícula dentro

mecánicos no resulta fácil.

del organismo.

La toxicidad parece, por tanto, estar agravada por la forma fibrosa o filamen

tosa de las nanopartículas. Estudios recientes realizados en macrófagos comparando nanotubos de car

Estos dos fenómenos pueden cam

Los procesos que sufren las partícu

biar el lugar de depósito de las nanopar

las en el organismo son:

tículas en el organismo, ya que un agre

-

gado de nanopartículas se depositará en

bono de pared sencilla con los de múl

unas zonas u otras del tracto respiratorio

tiples paredes y con fulerenos C60, que

dependiendo de su estado de agrega

tienen forma esférica, establecieron una

ción o aglomeración debido al distinto

con la piel o ingestión. -

escala de citotoxicidad con el siguien

diámetro aerodinámico. También pue den modificar la toxicidad pues, en una

-

sencilla) > MWNT (nanotubos de pared

estructura

-

múltiple) > C. [4].

área de superficie específica expuesta

N°56- Marzo 2010

Distribución o translocación a los ór ganos a través de la sangre o el siste

te orden: SWNT (nanotubos de pared

relativamente compacta, el

Depósito y absorción de ¡as nanopar tículas mediante inhalación, contacto

ma nervioso. Metabolización.

Eliminación total o parcial por dife rentes vías.

SEGURIDAD Y SALUD EN El TRABAJO.

positan mayoritariamente en la región

alveolar, mientras que en las regiones traqueobronquial y torácica se depositan con aproximadamente un 15% de efica

cia [7].

B) VÍA DÉRMICA Además de los pulmones, la piel ofre

ce una superficie de absorción potencial, aunque no siempre permite el paso de nanopartículas. Por ejemplo, se ha com

probado que las nanopartículas de TiO2 utilizadas en muchas cremas protectoras solares para proteger frente a las radiacio nes UV, no penetran en el organismo por vía dérmica [8].

El acceso desde la dermis a la circu lación linfática y sanguínea se considera probable o al menos posible. La pene

tración por la piel, especialmente en el caso de lesiones inflamatorias o traumá

ticas, es muy probable y hasta ha sido demostrada en el caso de partículas más grandes.

PRINCIPALES VÍAS

nalmente se consideran tres zonas de

DE ENTRADA

depósito en el sistema respiratorio:

ros, la irritación local (rascado, eczema...)

-

Nasofaríngea (nariz, boca, laringe y fa

y la flexión repetida de la piel son tam

ringe).

bién factores que pueden favorecer la

Existen tres vías principales mediante las cuales los trabajadores pueden estar

-

expuestos a nanomateriales: a) vía inhalatoria, b) vía dérmica, c) vía digestiva.

A) VÍAINHALATORIA

Traqueobronquial

(tráquea

y

bron

quios). -

Alveolar.

Características como el sudor, los po

penetración por la piel de nanopartículas.

C) VÍA DIGESTIVA

El porcentaje de partículas exhaladas

La ingestión es otra ruta por la que las

o depositadas depende del tamaño de

nanopartículas pueden introducirse en el

La vía de entrada más común de las nanopartículas al organismo es la inha-

las mismas. Las partículas que se deposi

organismo. Puede ocurrir de manera acci

tan en una de las tres regiones del tracto

dental, por el manejo de estas partículas

latoria como ya se ha comentado an

respiratorio se distribuyen según su tama

al pasar de las manos a la boca por una

teriormente. La deposición de nanopar

ño. Por ejemplo, el 90% de las partículas

falta de higiene o también puede acom

tículas en las vías respiratorias depende

de 1 nm de tamaño se depositan en la

pañar a la exposición por inhalación, ya

del diámetro aerodinámico y del grado

región nasofaríngea, mientras que solo el 10% de esas partículas se deposita en la

que las partículas por aclaramiento pue

de agregación y aglomeración.

den pasar al sistema digestivo al tragarlas.

región traqueobronquial y prácticamente Las partículas entran en el organismo

ninguna en la región alveolar. Por otro

por vía inhalatoria y, dependiendo de su

lado, las partículas de 5 nm de tamaño

tamaño, pueden depositarse en el orga

se depositan casi en la misma proporción

nismo o bien ser exhaladas. Convencio-

en las tres regiones; las de 20 nm se de

SEGURIDAD Y SALUD

-_-—-. EN EL TRABAJO _

TRANSPORTE Una propiedad específica de las na nopartículas es su capacidad para atra-

N°56- Marzo 2010

SECCIÓN TÉCNICA

Figura 1 ■ Biocinetica de partículas nanometricas

EXPOSICIÓN

VÍA DE ENTRADA

nasal

traqueo-

bronquial

ajvedar

DISTRIBUCIÓN/ TRANSLOCACIÓN

Otros (p. ei. Músculo, placenta)

ELIMINACIÓN

Rutas hipotéticas

Rutas confirmadas

Basado en Oberdóster [6]

vesar las barreras biológicas mediante

Vía sistema circulatorio:

un proceso de translocación. A través

Una vez que las nanopartículas han

del tejido pulmonar, la sangre y la linfa

alcanzado

pueden alcanzar varios órganos como

pueden ser distribuidas a cualquier

el corazón, el hígado o el bazo. Pueden

parte del cuerpo. El principal órgano

el

sistema

de manganeso en el bulbo raquídeo

mayor que en los pulmones [10].

circulatorio,

ELIMINACIÓN

llegar incluso hasta el cerebro por medio

diana es el hígado, seguido del bazo

En la mayoría de los casos las partí

del nervio olfativo [9].

y otros órganos del retículo endote-

culas que se depositan en las vías respi

lial. Algunos estudios han demostra

ratorias son eliminadas del pulmón por

do la localización de nanopartículas

medio de mecanismos de aclaramiento.

re a un proceso mediante el cual las

en

Estos mecanismos pueden ser:

nanopartículas atraviesan

ríñones.

El término "translocación" se refie las

barreras

otros órganos como corazón y

biológicas y pueden aparecer en otras partes del organismo distintas de las de

-

Físicos: los mecanismos involucrados

Vía sistema nervioso:

en la eliminación física difieren entre las distintas regiones del sistema res

entrada, pero manteniendo su integri

La translocación de partículas sóli

dad como partícula (es decir, sin que se

das en el tracto respiratorio a través

piratorio. Las nanopartículas insolubles

produzca disolución).

de los axones neuronales es una vía

que se depositan en las vías respirato

aparentemente específica de las na

rias superiores y el árbol traqueobron-

nopartículas. La corta distancia que

quial se eliminan principalmente por

las nanopartículas por el organismo jue

existe entre la mucosa olfativa nasal

el transporte mucociliar hacia la nariz

gan un pape! fundamental a la hora de

y el bulbo olfativo requiere un trans

y la boca. Pueden, entonces, ser tra

que se desarrollen ciertas patologías en

porte muy corto. Desde la mucosa

gadas (y entrar en el sistema diges

los órganos diana.

nasal las partículas pueden migrar

tivo), o bien, ser rechazadas hacia el

por los axones de las neuronas olfati

exterior (al estornudar o sonarse la

La acumulación y la distribución de

Una vez que las nanopartículas han

vas al sistema nervioso central. En las

nariz). En los alvéolos pulmonares,

penetrado en el organismo, existen dis

ratas, la exposición prolongada (12

se encuentran unas células llamadas

tintas posibles rutas entre las que se en

días) a partículas de óxido de man

macrófagos que favorecen la elimina

cuentran:

ganeso dio lugar a una acumulación

ción de las nanopartículas insolubles

N°56 ■ Marzo 2010

SEGURIDAD Y SALUD ——— EH EL TRABAJO -

SECCIÓN TÉCNICA

por un proceso llamado fagocitosis. Sin embargo, varios estudios sugieren que las nanopartículas individuales,

La aparición de nuevos materiales y tipos

es decir, no agregadas y no artificia

de nanopartículas hace necesario tener un

les, no son eficientemente fagocitadas

por los macrófagos. Se puede produ

conocimiento de los riesgos que la exposición

cir una acumulación significativa de nanopartículas en los alvéolos y una

a ellos puede suponer para la seguridad, la

mayor interacción con las células de

salud y el medio ambiente

los mismos. Esta sobrecarga puede causar la inflamación que conduzca

al desarrollo de ciertas enfermedades pulmonares. -

Químicos: disolución (para aquellas

CONCLUSIONES

toxicológicos sobre partículas ultrafinas.

que son solubles) o fijación a los componentes de los líquidos

Estos conocimientos son útiles pero no

que

La aparición de nuevos materiales y

puede olvidarse que los nanomateriales

recubren las vías respiratorias, lo que

tipos de nanopartículas hace necesario

sintetizados presentan, en general, unas

permite su transferencia a la sangre o

tener un conocimiento de los riesgos que

propiedades mucho más definidas de ta

excreción por la orina.

la exposición a dichos materiales pueden

maño, composición, forma, etc. que las

Las rutas de entrada y de distribución

suponer para la segundad, la salud y el

partículas ultrafinas que pueden dar lugar

medio ambiente.

a importantes diferencias toxicológicas.

de nanopartículas dentro del organismo

han sido objeto de numerosos estudios, algunas han podido demostrarse y otras

Sin embargo, por el momento el es

De hecho, por el momento no sólo

tudio de los efectos toxicológicos de

son necesarios grupos dedicados al es

son hipotéticas y requieren mayor in

las

está

tudio de la toxicología de las naríopartí-

vestigación. La figura 1

en una etapa inicial, en la que parte de

culas, sino también que se definan los

[6] resume las

nanomateriales

prediseñados

principales rutas de exposición, vías de

las consideraciones a la hora de eva

parámetros que es necesario caracterizar

entrada y procesos de distribución y eli

luar su toxicidad vienen determinadas

a la hora de evaluar la peligrosidad de di

minación en el organismo.

por

chos materiales. •

conocimientos

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