Nanoplastik – gdy rozmiar ma znaczenie

Im mniejsze cząstki tworzyw sztucznych, tym większe prawdopodobieństwo, że pokonają barierę krew-mózg, dotrą do narządów i tkanek i będą się w nich gromadzić. A to zwiększa ryzyko ich negatywnego oddziaływania na nasze zdrowie. Dzięki rozwojowi coraz bardziej zaawansowanych metod analitycznych, badacze są w stanie zobaczyć skalę niedostrzeganego wcześniej problemu najmniejszych mikroplastików – tzw. nanoplastików.

Czym są nanoplastiki?

Nanoplastiki definiuje się jako cząstki tworzyw sztucznych o wielkości od 1 do 100 nanometrów (czasem do 1000 nanometrów) [1]. Podobnie, jak mikroplastiki przedostają się one do środowiska z odpadów i produktów codziennego użytku – farb, kosmetyków, produktów biomedycznych, detergentów i płynów zmiękczających do tkanin, druku 3D i wielu innych. Nanoplastiki różnią się wyraźnie od mikroplastików, zarówno właściwościami fizykochemicznymi, jak i reaktywnością biologiczną. Szacuje się, że liczebność nanoplastików w środowisku jest o kilka rzędów większa niż mikroplastików. W globalnym środowisku może znajdować się ich ponad 300 mln ton [1, 2].

Ponadto coraz więcej dowodów wskazuje na to, że spożyte nanoplastiki przekraczają barierę jelit i przemieszczają się do tkanek wtórnych. Warto dodać, że mikroplastiki są w dużej części fizycznie zatrzymywane przez jelita [1]. Dlatego badacze sugerują, że mniejsze cząsteczki stanowią większe zagrożenie dla ekosystemów i zdrowia ludzkiego. Jednak dane na temat stężeń nanoplastików w ludzkich organizmach są ograniczone. Ciężko jest je zidentyfikować w tkankach, nawet po śmierci nosiciela. Reprezentatywne nanoplastiki, wykonane z polietylenu, polipropylenu, polistyrenu, polichlorku winylu czy poli(tereftalanu etylenu) mają gęstość zbliżoną do wody (0,88–1,50 g/cm³), co sprzyja ich transportowi w postaci zawiesin, a nie ich osadzaniu [1].

Dodatkowo maleńkie cząstki mają silną tendencję do agregacji, tzn. szybko przyłączają się do większych układów koloidalnych, składających się z cząsteczek organicznych lub nieorganicznych. Są to m.in. naturalne materiały ilaste, kwasy huminowe, polisacharydy, ale też cząstki biologiczne – bakterie, grzyby czy zanieczyszczenia chemiczne pochodzące z przemysłu i konsumpcji (te, które pierwotnie występują w tworzywach sztucznych, jak i te sorbowane z otoczenia).

A w trakcie degradacji i rozkładu polietylenu powstają m.in. nadtlenki (które są cytotoksyczne, co oznacza, że mają toksyczny wpływ na żywe komórki). Podobnie, jak mikroplastiki, tak i nanomateriały wchodzą w interakcje z otaczającym je środowiskiem, a więc ich parametry fizyczne i chemiczne mogą się zmieniać. Przez co częściej jesteśmy narażeni na nanoplastiki, których właściwości znacznie różnią się od dziewiczych tworzyw wykorzystywanych w produktach konsumenckich (i często też w badaniach naukowych). Wciąż niewiele jest badań dotyczących nano-zanieczyszczeń pochodzenia środowiskowego [1-3].

Kiedy nanoplastik staje się toksyczny?

Toksyczność nanoplastików w dużym stopniu zależy od ich transformacji na styku nano-bio, w wyniku interakcji fizycznych, chemicznych i biologicznych z różnymi biomolekułami (np. białkami, lipidami, węglowodanami) w błonach, organellach, komórkach, tkankach lub płynach fizjologicznych [1]. Powstające w wyniku transformacji eko-korona i korona białkowa wpływają znacząco na ich właściwości fizykochemiczne i aktywność biologiczną oraz ułatwiają wywoływanie negatywnych efektów zdrowotnych, bo ich skład ma kluczowe znaczenie w transporcie nanoplastików po organizmach żywych, w tym osoczu krwi.

W badaniach z koronowanymi nanoplastikami polistyrenu (13-135 nanometrów) naukowcy potwierdzili ich wyższą genotoksyczność i cytotoksyczność w ludzkiej krwi, niż w przypadku dziewiczych tworzyw o tych rozmiarach [1, 2]. Degradacja mikroplastików do nanoplastików prawdopodobnie zachodzi również w ludzkim organizmie, jednak nie jest jasne, w jakim stopniu nanoplastiki mogą ulegać rozkładowi w kwaśnym środowisku żołądka i obojętnym jelit [3].

Wciąż też badacze nie są zgodni, co do tego, w jaki sposób nanoplastiki mogą pokonywać barierę krew-mózg. Rozbieżności w wynikach badań to prawdopodobnie efekt indywidulanych różnic we właściwościach tworzyw. Być może nawet subtelna zmiana metod badawczych daje inne rezultaty eksperymentów.

Główną drogą przedostawania się mikro- i nanoplastików do organizmu ludzkiego jest spożycie, narażenie doustne i przez przewód żołądkowo-jelitowy. Ale nanoplastiki mogą przedostawać się w głąb organizmu również przez wdychanie i wchłanianie przez skórę. Dotychczasowe badania pokazują, że tylko niewielka część mikro- i nanoplastików jest w stanie przedostać się przez ścianę pęcherzyków płucnych do naczyń włosowatych i ostatecznie do krwiobiegu. Podobnie jest w przypadku skóry – brak jest wystarczających dowodów na przenikanie drobin przez uszkodzoną skórę, gruczoły potowe czy mieszki włosowe [3, 4].

Znacznie więcej badań dotyczy interakcji między nanoplastikami a układem trawiennym oraz gromadzeniem się ich w wybranych narządach. Większość mikroplastików z przewodu pokarmowego jest usuwana naturalnie. Jednak badania pokazują, że cząstki tworzyw sztucznych o wielkości poniżej 100 nanometrów mogą pokonywać barierę jelitową. Po jej przekroczeniu przedostają się do układu krążenia. Największe naczynie krwionośne w organizmie człowieka, aorta, ma średnicę około 25 000 µm, a najmniejsza kapilara około 8 µm, co umożliwia przenoszenie nanoplastików, ich krążenie we krwi i ostatecznie kumulację w narządach, tkankach i płynach ustrojowych. Ale rodzi także obawy o wpływ nanoplastików na układ krwionośny [1, 4].

Co robi nanoplastik?

Liczba badań dotyczących oddziaływania mikro- i nanoplastików na organizmy żywe wciąż rośnie, jednak tylko niewielka ich część informuje o skutkach, jakie mogą one wywoływać bezpośrednio u ludzi. Drobiny są transportowane do różnych narządów, w tym do wątroby, dlatego bywają podejrzewane o działanie hepatotoksyczne [2], a także o reakcję zapalną, stres oksydacyjny i zaburzenia funkcji komórkowych, prowadząc do potencjalnego uszkodzenia i dysfunkcji wątroby. Dodatkowo cząsteczki te wchodzą w reakcje z innymi toksynami lub substancjami obecnymi w organizmie, zaostrzając ich negatywny wpływ na ten organ [1, 2].

Wstępne badania potwierdziły, że mikro- i nanoplastiki hamują trawienie lipidów i zmniejszają wchłanianie witaminy D3. Głównym powodem jest to, że mogą aglomerować składniki odżywcze i zmniejszać ich biodostępność lub wpływać na aktywność odpowiednich enzymów. Ponadto dla zdrowia człowieka niezbędny jest stabilny mikrobiom jelitowy, a mikro- i nanoplastiki mogą powodować zaburzenie jego równowagi. Eksperymenty narażenia in vivo na modelowych zwierzętach wykazały, że cząstki tworzyw sztucznych zmieniają liczebność bakterii w jelitach myszy. Ponadto wykazano wyższy poziom depolaryzacji mitochondriów na ludzkich komórkach nabłonka okrężnicy, co powoduje dysfunkcję bariery jelitowej, zaburzenia metaboliczne, stan zapalny, a w konsekwencji może prowadzić do rozwoju powiązanych chorób [1-3].

Eksperymenty na zwierzętach lub komórkach wykazały, że mikro- i nanoplastiki mogą prowadzić do zwiększonego wydzielania cytokin prozapalnych, zakłócając homeostazę immunologiczną i ostatecznie prowadząc do zaburzeń układu odpornościowego i wywołując choroby autoimmunologiczne [2].

Badania potwierdziły, że nanoplastiki, wchodząc w interakcje z białkami występującymi w mózgu, mogą być przyczyną zmian powiązanych z niektórymi rodzajami demencji i chorobą Parkinsona [5], którą obecnie nazywa się najszybciej rozwijającą się chorobą neurologiczną na świecie. Wiele danych sugeruje, że czynniki środowiskowe mogą mieć w tym znaczący udział, choć większość z nich nie została zidentyfikowana [5].

Badania na dzikich i modelowych organizmach powiązały narażenie na mikro- i nanoplastiki z niepłodnością, stanami zapalnymi i nowotworami, ale tak naprawdę szerokie skutki zdrowotne u ludzi nie są obecnie znane [1, 6, 7]. Większość badań nad zdrowiem człowieka koncentruje się na badaniach in vitro z wykorzystaniem linii komórkowych ludzi i innych ssaków. Eksperymenty pokazują, że nanoplastiki po wchłonięciu mogą być mylone przez komórki odpornościowe z wirusami, co indukuje reakcje zapalną. Stąd obserwowane są takie efekty, jak stres oksydacyjny, reakcje immunologiczne, genotoksyczność, uszkodzenie DNA, neurotoksyczność i zaburzenia reprodukcji [3, 7].

Jednak wyniki badań należy interpretować ostrożnie, ponieważ komórki nowotworowe wykazują wyraźne różnice w metabolizmie i reaktywnym stresie oksydacyjnym, a wielkość i rodzaj narażenia na nanoplastiki są silnie zróżnicowane i zależą od stylu życia i diety, lokalizacji, obecności innych zanieczyszczeń, rodzaju tworzyw sztucznych, ich pochodzenia, wieku i wielu innych czynników

dr inż. Edyta Łaskawiec – technolożka wody i ścieków, naukowczyni w zabrzańskim Instytucie Technologii Paliw i Energii, popularyzatorka nauki, autorka profilu edukacyjnego na platformie Instagram: wastewater_based.doctor. Nominowana w Konkursie Popularyzatorów Nauki POP SCIENCE Śląskiego Festiwalu Nauki Katowice 2024.

W artykule korzystałam m.in. z:

[1] F. Dang  i inni, Key knowledge gaps for One Health approach to mitigate nanoplastic risks, Eco-Environment & Health, Volume 1, Issue 1, 2022, 11-22, https://doi.org/10.1016/j.eehl.2022.02.001

[2] E.D. Tsochatzis i inni, Microplastics and nanoplastics: Exposure and toxicological effects require important analysis considerations, Heliyon, Volume 10, Issue 11, 2024, e32261, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e32261

[3] Y. Feng i inni, A systematic review of the impacts of exposure to micro- and nano-plastics on human tissue accumulation and health, Eco-Environment & Health, Volume 2, Issue 4, 2023, 195-207, https://doi.org/10.1016/j.eehl.2023.08.002

[4] P.A. Stapleton, Microplastic and nanoplastic transfer, accumulation, and toxicity in humans, Current Opinion in Toxicology, Volume 28, 2021, 62-69, https://doi.org/10.1016/j.cotox.2021.10.001

[5] Z. Liu i inni, Anionic nanoplastic contaminants promote Parkinson’s disease–associated α-synuclein aggregation, Science Advances, Volume 9, Issue 46, 2023, 1-20, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi8716   

[6] M.B. i inni, Beyond microplastics – investigation on health impacts of submicron and nanoplastic particles after oral uptake in vitro, Microplastics & Nanoplastics, 2, 16, 2022, 1-19, https://doi.org/10.1186/s43591-022-00036-0

[7] Chi-Yun Chen, Zhoumeng Lin, Exploring the potential and challenges of developing physiologically-based toxicokinetic models to support human health risk assessment of microplastic and nanoplastic particles, Environment International, Volume 186, 2024, 108617, https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108617