باحث الطب الشرعي والسموم – معهد بحوث الصحة الحيوانية بالفيوم – مركز البحوث الزراعية

تعتبر المواد النانوية مواد سامة وهي مصدر قلق كبير ليس فقط بالنسبة للمواد نفسها ولكن أيضا بالنسبة للمواد الكيمائية الخطرة المستخدمة في اعدادها والنفايات السامة الناتجة من تصنيع هذه المواد النانوية وانتاجها

تعتبر الجسيمات النانوية الفلزية والأكسيديه الفلزية هي الأكثر شيوعا وهي من المواد النانوية غير العضوية وهي أكثر المواد النانوية التي يتم فحصها بشكل مكثف لأنه يمكن انتاجها بسهوله فهي منخفضة التكلفة وتنتج بكميات كبيرة لاستخدامها في مجموعة متنوعة من المجالات

ومن خصائص هذه المواد النانوية غير العضوية: اتها تتميز بخصائصها الكهربائية والبصرية والميكانيكية الفائقة عند مقارنتها بنظائرها الكبيرة.

طرق التعرض للمواد النانوية:

يمكن التعرض للمواد النانوية عن طريق الجلد لان الجلد هو العضو الدفاعي وتكون مواد سامة إذا تعرض لها الحيوان بكمية كبيرة عن طريق الحقن تحت الجلد.

التعرض عن طريق الجهاز الهضمي:

الجهاز الهضمي هو جهاز عضوي مسؤول عن وظائف مختلفة ومنها: استهلاك الطعام والهضم وامتصاص المواد الغذائية وطرد الفضلات من الجسم.

ويمكن ان تدخل المواد النانوية من خلال الماء والغذاء والأدوية.1

وقد تم العثور على الجسيمات النانوية النحاسية الموجودة في الجهاز الهضمي والتي هي أكثر سمية من الجسيمات النحاسية الضخمة كما ثبت انها ضارة للكبد والكلى والطحال ووفقا للدراسات الحديثة فان استخدام جسيمات نانوية قابلة للتحلل الحيوي لتوصيل الادوية عن طريق الفم للجهاز الهضمي يقلل من الاثار السامة للمواد النانوية.(2)

التعرض عن طريق الجهاز التنفسي:

يسمح حجم الجسيمات النانوية الصغير للغاية بدخولها من الجهاز التنفسي بسهولة وترسيبها في مجرى الدم مما يؤدي الى مجموعة متنوعة من الاثار السامة وتتحكم احجام الجسيمات فعلى سبيل المثال يتم ترسيب 90%من جزيئات 1 نانومتر في الجزء العلوي من الحيز التنفسي (الجزء الانفي البلعومي) و10% في القصبة الهوائية ولا يوجد ترسيب في الجزء النسيجي ومن ناحية أخرى تبين ان الجسيمات التي يبلغ طولها 20 نانومتر لها اعلى كفاءة ترسيب في المنطقة النسيجية لذلك ينبغي ان يكون لكفاءة الترسيب المتباينة انعكاسات مختلفة لمواد النانوية المستنشقة وانتقالها الى ما وراء الجهاز التنفسي.3

تترسب الجزيئات النانوية عموما في نسيج الرئة وتمتص بواسطة الخلايا الرئوية ثم تدخل في مجرى الدم والاوعية الليمفاوية ومن ثم تنتقل الى أجزاء الجسم المختلفة والتي تشمل: القلب ونخاع العظام والطحال وإذا بقيت الجسيمات النانوية في مجرى الدم لفترة طويلة تنتقل الى النهايات العصبية الحسية ومن ثم الى الجهاز العصبي المركزي.(4)

من اهم المواد النانوية المستخدمة وتأثيرها على صحة الحيوان:

مع تقدم تكنولوجيا النانو واستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات أصبح فهم المخاطر التي تشكلها شيء حاسم لفهم أثر سمية المواد النانوية على صحة الحيوان حيث ان المواد النانوية تتصرف بطريقة لا يمكن التنبؤ بها ومن امثلة هذه المواد النانوية:

أولا الفضة:

الفضة هي واحدة من أكثر الجسيمات المستخدمة لتأثيراتها المميزة كمضادة للميكروبات وكذلك التطبيقات الأخرى في مجالات طبية ولكن بالطبع فان لها جانب سلبي حيث انها تؤثر على صحة الحيوان عندما تتلامس جزيئات الفضة النانوية مع الأنظمة البيولوجية والخلايا الحيوانية فتبين انها تسبب تلف الحمض النووي والاجهاد التأكسدي.

في الدراسات الخلوية للتسمم بجزيئات الفضة النانوية أوضحت ان حجم الجزيئات النانوية والعامل الأساسي لحدوث التسمم. (5)

ثانيا الذهب:

يعتبر الذهب أقدم معدن نبيل عرفه البشر كما ان شكله النانوي يتميز بخصائص كهربائية مما يجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات الطبية الحيوية وله خصائص بصرية ممتازة بسبب قدرته على امتصاص وتشتيت الضوء نتيجة الظاهرة المعروفة (رنين البلازمون السطحي) وتستخدم جزيئات الذهب النانوية في أجهزة الاستشعار البيولوجية وتوصيل الادوية المستهدفة والتصوير البيولوجي ومراقبة الانسجة والخلايا.

وقد اثار الاستخدام المتزايد لجسيمات الذهب النانوية في انتاج المنتجات الاستهلاكية والصناعية في جميع انحاء العالم المخاوف بشأن تفاعلها مع مختلف النظم البيولوجية والاثار السمية المحتملة على صحة الحيوان وقد تم الإبلاغ مرارا وتكرارا عن وجود معدن خامل في شكله الخام وتأثيره السام الذي يعتمد على حجم جسيمات الذهب حيث انه عندما ينخفض قطر الجسيمات النانوية الذهبية من 100 الى 50 ال 15 نانومتر فان معدل امتصاصها يزداد في الخلية مما يؤدي الى تراكمها وترسبها في الخلايا الطلائية المعوية وكشفت الدراسات التي أجريت في الجسم الحي على سمية الذهب بالجسيمات النانوية ان الطحال والكبد هما اكثر الأعضاء المستهدفة.

قد أجريت عديد من الدراسات على سمية جزيئات الذهب النانو مترية في الفئران وقد أوضحت ان الجزيئات بحجم 10\50\100\250 نانومتر كانت أكثر ترسيبا في الطحال والكبد وعلى حسب هذه الدراسة ان ترسيب جزيئات الذهب النانوية في الدم يعتمد على جرعة هذه الجزيئات المحقونة في الجسم والتي تستطيع ان تسبب التهابات حادة وموت خلايا الكبد.

وفي النهاية يتضح ان سمية جزيئات الذهب النانو مترية تعتمد بشكل أساسي على حجم هذه الجزيئات واتحادها بالحمض النووي في أنوية الخلايا. (6)

 

ثالثا: الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد:

الحديد هو واحد من اهم اكاسيد المعادن الانتقالية المستخدمة في نطاق واسع للتطبيقات الصناعية والتجارية والاصباغ والطلاءات والمحفزات وزيوت التشحيم وأجهزة استشعار الغاز وهناك أجهزة التسجيل المغناطيسي وبيانات التخزين ومعالجة مياه الصرف الصحي الخ……..

أجريت عدة دراسات في المختبر وفي الجسم الحي للحيوان للتحقق من سمية أكسيد الحديد النانوي عندما تتصل بالخلايا الحيوانية والأنظمة البيولوجية الأخرى ووفقا للتقارير مالم يتم اعطاؤها بجرعات عالية فان الجسيمات النانوية مغلفة السطح لا وجود لتأثيرات سامة لها او لها تأثير سام قليل.

تم تعريض الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد بقطر 5 نانومتر خلايا المايكروفاج في الفئران في دراسة لاختبار سمية أكسيد الحديد (جسيماته النانوية) التعرض لأكسيد الحديد النانوي أدى الى زيادة كبيرة في مستويات كربونيل البروتين والتي تسبب تسمم الخلايا وقد تم ربط التعرض المزمن لهذه الجسيمات النانوية الى حدوث التهاب واجهاد تأكسدي في الحيوان.(7)

رابعا: جسيمات أكسيد الزنك النانوية:

هي نوع اخر من الجسيمات النانوية تشبه الموصلة التي تمت دراستها واستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات نظرا لخصائصها الكهربائية والبصرية الممتازة المعتمدة على الحجم فهي شفافة بصريا ومع ذلك تمتص الاشعة فوق البنفسجية وتستخدم على نطاق واسع في صناعة مستحضرات الوقاية من الشمس والطلاء وقد أدت زيادة انتاج أكسيد الزنك واستخدامه في مختلف المجالات الى زيادة الحاجة الى بحوث السمية وطبقا لذلك فان الجسيمات النانوية لأكسيد الزنك تشكل أكبر تهديد للخلايا الحيوانية عند مقارناتها بأكاسيد المعادن الأخرى

في احدى الدراسات تم تحفيز أربعة اصباغ مختلفة بجسيمات نانوية لأكسيد الزنك 20 نانومتر مما قلل من جهد غشاء الميتوكونداريا بسبب تدفق الكالسيوم مما يؤدي في النهاية الى فقدان سلامة الغشاء.

تركيز ايونات الزنك التي تتفاعل مع أنواع مختلفة من الخلايا هو العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على سمية وسلوك جزيئات أكسيد الزنك النانوية كما يمكن ان تنتشر سمية أكسيد الزنك بالجسيمات النانوية عبر جسم الحيوان.(8)

خامسا: جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية:

هي اشباه موصلات ذات حافز ضوئي استثنائي مضاد للبكتيريا ويعتبر انتاج جسيمات التيتانيوم النانوية بسيط وسهل ومنخفض التكلفة بالإضافة الى ذلك له خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة وقد ازداد الطلب في السوق على منتجات جسيمات التيتانيوم النانوية مما اظهر مخاوف جدية حول سمية هذه الجسيمات على صحة الحيوان.

في دراسة تجريبية لفئران تعرضت لجسيمات التيتانيوم النانوية عن طريق استنشاق هذه الجسيمات بأقطار 21\250 نانومتر لمدة 12 أسبوع قد أدى الى حدوث تفاعلات التهابية عالية السمية في النظام الرئوي وأدى الى اكتشاف ان أصغر الجسيمات النانوية للتيتانيوم تراكمت في الرئتين لمدة 501 يوم مما يدل على ان معدل تصفية جسيمات التيتانيوم النانوية بطيء للغاية.(9)

العوامل المؤثرة على السمية النانوية:

1-حجم جزيئات النانو

حجم الجزيئات لها تأثير قوي على الطريقة التي يستجيب بها الكائن الحي عند التعرض لجسيمات النانو وهذا التأثير يتمثل في ان حجم هذه الجزيئات يؤثر على درجة الترسيب في الجهاز التنفسي عند لتعرض لهذه الجسيمات ويمكن ان يؤثر حجم الجسيمات على مدى السمية الخلوية ويؤثر الحجم بشكل مباشر على تفاعلات هذه الجسيمات وقابلية ذوبانها في أنظمة الجسم المختلفة.(10)

2-شكل جزيئات النانو

شكل جزيئات النانو هو عامل مهم في الاستجابة البيولوجية وقد يكون له تأثيرات على حركية الترسيب والامتصاص في الجسم وقد أجريت العديد من الدراسات والتي اكتشفت دور شكل الجسيمات في توصيل الدواء.

3-الشحنة السطحية لجزيئات النانو

من المعروف ان الغشاء الخلوي يحمل شحنة سالبة لذا فانه قد تظهر الجسيمات النانوية الموجبة تفاعلا الكتروستاتيكيا قويا مما يؤدي الدخول سريع بينما الجزيئات المتعادلة المغلفة بالبوليمرات المحبة للماء تستطيع ان تمنع التفاعل مع الغشاء الخلوي فهذا يؤدي الى قلة الامتصاص لهذه الجزيئات.11

4-مساحة سطح الجزيئات النانوية

حيث تبين انه عند تقسيم الحجم الى قطع أصغر فان مساحة السطح تزداد وبالتالي فاذا انخفض حجم الجسيمات فان نسبة أكبر من الجسيمات تكون موجودة على السطح بالمقارنة مع تلك الموجودة في الداخل.

فعلى سبيل المثال الالمونيوم جسيم بحجم 3 نانومتر لديه 50% من ذراته على السطح بينما عند جسيم بحجم 10 نانومتر تكون 20% من ذراته وعند 30 نانومتر لديه 5% من ذراته على سطحه لذلك تمتلك الجسيمات النانوية مساحة سطحية أكبر بكثير لكل وحدة حجم مقارنة بالجزيئات الأكبر حجما.

وجد ان المواد الخاملة تتفاعل عندما يتم انتاجها في شكلها النانومتري وأيضا هذا يحسن من خصائصها.12

5-حالة التشتت والتكتل لجزيئات النانو

كلما صغر حجم الجسيمات زادت قوى التجاذب لكل وحدة وهذا يعني عند التكتل لهذه الجسيمات يصيح من الصعب فصلها.

صفات هذا التكتل لا يؤثر فقط على سمية هذه الجزيئات ولكن يؤثر أيضا على الأنشطة البيولوجية.

خصائص الانزيمات المضادة للأكسدة تزداد عندما يحدث تحلل لتكتلات جزيئات النانو ومن الأمثلة على تأثير التكتل على سمية المواد النانوية تم إعطاء مجموعتين من الفئران عن طريق الجهاز الهضمي جرعة 5 جرام للكيلو بحجمين مختلفين جزيئات خارصين بحجم 1.08 مايكرومتر وجسيمات خارصين نانوية بحجم 58 نانومتر حيث لم يحدث أي وفيات بحجم جزيئات الخارصين 1.08 بينما تم تسجيل وفيات في حجم جزيئات الخارصين 58 نانومتر وهذا يرجع الى ان جسيمات الزنك نانوية الحجم كانت اسهل في حدوث انسداد معوي وان هذه المواد النانوية من السهل ان تتجمع او تتكتل مما أدى الى حدوث هذه الوفيات.

وفي النهاية لا يوجد بيانات كافية لكي نحدد ملخص ثابت عن المخاطر من استخدام جرعات صغيرة لفترات طويلة من جزيئات النانو والى أي مدى هذه الجزيئات تتجمع في الحسم لذلك يجب اجراء العديد من الدراسات على المواد النانوية لمعرفة مدى سميتها وتأثيراتها الضارة على صحة الحيوان.13

1- Hornbuckle et al., (2008) . Gastrointestinal function. Clinical Biochemistry of Domestic Animals. 413–457. Published online 2008 Oct 22. doi: 10.1016/B978-0-12-370491-7.00014-3

2-Mauricio et al., (2018) Nanoparticles in Medicine: A Focus on Vascular Oxidative Stress. Oxid Med Cell Longev.  2018: 6231482. Published online 2018 Sep 26. doi: 10.1155/2018/6231482

3-Jaison Jeevanandam et al., (2018). Review on nanoparticles and nanostructured materials history, sources, toxicity and regulations.Beilstein J Nanotechnol. 2018; 9: 1050–1074. Published online 2018 Apr 3. doi: 10.3762/bjnano.9.98.

4-Eleonore Fröhlich and Sharareh Salar-Behzadi, (2014).Toxicological Assessment of Inhaled Nanoparticles: Role of in Vivo, ex Vivo, in Vitro, and in Silico Studies. Int J Mol Sci. 2014 Mar; 15(3): 4795–4822. Published online 2014 Mar 18. doi: 10.3390/ijms15034795

5-Federica Paladini  and Mauro Pollini ,(2019).Antimicrobial Silver Nanoparticles for Wound Healing Application: Progress and Future Trends. Materials (Basel). 2019 Aug; 12(16): 2540. Published online 2019 Aug 9. doi: 10.3390/ma12162540

6-InèsHammami et al.,(2021).Gold nanoparticles: Synthesis properties and applications. Journal  of King Saud University – Science. Volume 33, Issue 7, October 2021, 101560.

7-Donya Ramimoghadam et al.,( 2014).Progress in electrochemical synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials

Volume 368, November 2014, Pages 207-229

8-Rasmussen et al.,(2010). Zinc Oxide Nanoparticles for Selective Destruction of Tumor Cells and Potential for Drug Delivery Applications. Expert Opin Drug Deliv. Author manuscript; available in PMC 2011 Sep 1.Published in final edited form as:Expert Opin Drug Deliv. 2010 Sep; 7(9): 1063–1077.  doi: 10.1517/17425247.2010.502560

9-Deyong Wu et al., (2009).Synthesis and characterization of self-cleaning cotton fabrics modified by TiO2 through a facile approach September 2009 Surface and Coatings Technology 203(24):3728-3733.DOI:10.1016/j.surfcoat.2009.06.008

10-Richard James Thomas ,(2013).Particle size and pathogenicity in the respiratory tract. Virulence. 2013 Nov 15; 4(8): 847–858. Published online 2013 Nov 13. doi: 10.4161/viru.27172

11-LongfaKou et al., (2013).The endocytosis and intracellular fate of nanomedicines: Implication for rational design. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences

Volume 8, Issue 1, February 2013, Pages 1-10.

12-Khan et al., (2019).Nanoparticles: Properties, applications and toxicities. Arabian Journal of Chemistry. Volume 12, Issue 7, November 2019, Pages 908-931

13-Endres et al., (2021).A review of contact force models between nanoparticles in agglomerates, aggregates, and films. Journal of Aerosol Science

Volume 153, March 2021, 105719