О работах в области безопасности создания и применения продукции наноиндустрии К.Г. Скрябин, В.О. Попов, В.А. Тутельян Координационное совещание по направлению «Развитие методической составляющей инфраструктуры наноиндустрии» Москва, 27 сентября 2010 г.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕЗОПАСНОСТЬ Инновации, инвестиции Контроль, надзор ? Обеспечение безопасности новых технологий

Рост числа публикаций о токсических свойствах наночастиц и наноматериалов Год Число статей в ведущих научных журналах По данным PubMed

Цели и задачи Научно-техническое и нормативно-методическое обеспечение безопасности и системы оценки соответствия Организационная структура обеспечения безопасности (системы производственного, санитарно-гигиенического, экологического контроля и мониторинга) Перечень наноматериалов и нанотехнологий, способных оказывать негативное воздействие на здоровье людей и состояние окружающей среды, контролируемые параметры и диапазоны их измерений, санитарно-гигиенические и экологические нормативы безопасности Система оценки и подтверждения соответствия параметров и свойств нанотехнологий и продукции наноиндустрии Инфраструктура обеспечения безопасности (добровольная сертификации и при необходимости обязательное подтверждение соответствия) Система аттестации производств ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2011 годы» Мероприятие 3.1 «Развитие методической составляющей системы обеспечения единства измерений в наноиндустрии и безопасности создания и применения объектов наноиндустрии»

Обеспечение безопасности наноиндустрии и ее продукции Разработка комплекса современных методов для оценки потенциальной опасности наночастиц и наноматериалов, учитывая их природу Соответствие приоритетным направлениям развития наноидустрии в России и в мире Система нанобиобезопасности должна помогать продвижению нанопродукции к потребителю, а не тормозить его Цели и задачи

Содержание работ ФЦП по нанобиобезопасности Разработка методов детекции наночастиц в биологических объектах, окружающей среде, продуктах питания и сельского хозяйства in vivo in vitro Окружающая среда Токсико- гигиеническая оценка наночастиц Развитие инфраструктуры Нормативная документация Банк наночастиц Апробация: регион, производство Эталонные лаборатории

Всего проектов14 Всего организаций30 Из них: Высших учебных заведений6 Институтов РАН4 Институтов РАМН5 Учреждений Роспотребнадзора5 Госучреждений (институты, не относящиеся ни к одной из академий) 4 Коммерческих организаций6 Организации-исполнители проектов ФЦП по нанобиобезопасности

Основные участники развития концепции нанобиобезопасности ФЦП РНЦ «Курчатовский институт» НИИ питания РАМН Биологический факультет МГУ Центр «Биоинженерия» РАН Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН Институт физиологически активных веществ РАН НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф.Гамалеи РАМН

Основные вехи Формирование программыII-III кв Совещание экспертов по нанобиобезопасности –Программа - единый проект –Приоритетные наночастицы Объявление конкурсов и подведение итоговIII-IV кв Начало финансированияIV кв Совещание руководителей проектов ФЦП по нанобиобезопасности –Подготовка сборника –Решение об отчетной конференции –Решение о собрании по отраслевым проектам Совещание исполнителей отраслевых проектов –Создание группы внутреннего мониторинга –Определение приоритетов мониторинга Отчетная конференция Секвестр, реорганизация ФАНИ, допсоглашения I-III кв Утверждение нормативных документов (18) Отчетная конференция ноябрь 2010

1.Аналитические методы для детекции и идентификации наночастиц 2.Методы контроля биологического действия наночастиц 3.Процедуры интегральной оценки рисков 4.Формирование инфраструктурных элементов системы нанобиобезопасности 5.Разработка и утверждение нормативной документации Направления деятельности

1. Аналитические методы для детекции и идентификации наночастиц

ВЭЖХ ВЭЖХ-МС Пределы обнаружения: ВЭЖХ:5-10 нг, ВЭЖХ-МС: 1-5 нг Модельные системы («добавлено-выявлено») Степень извлечения НЧ из гомогенатов (повышение эффективности экстракции) Валидация методик (проверка на других НЧ и тканях) Определение НЧ в реальных гомогенатах Разработка методологии Определение наночастиц в органах и тканях животных

Орган К-во экстрагируемого фуллерена C 60, % Погрешность, % Легкие Лимфатические узлы Сердце Почки Печень Селезенка Сыворотка Определение фуллерена C 60 в гомогенатах тканей (полнота выявления) Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН

ОБРАЗЕЦ Концентрирование НЧ в образцеИсключение эффекта матрикса Детекция НЧ Идентификация НЧ Атомно-силовая микроскопия, Просвечивающая электронная микроскопия Дифракция электронов Кислоты, органические растворители, ферменты Детекция статистически значимого количества наночастиц или их агрегатов Осаждение, магнитное концентрирование Детекция и идентификация наночастиц в биоматериале методами микроскопии

Совмещение электронограммы частиц чистого препарата коллоидного золота (А) и электронограммы анализируемых частиц в клетке (Б) 2 A B Идентификация наночастиц золота в клетках паренхимы колеоптиля (электронная микроскопия, дифракция электронов) C анализируемый участок среза Биологический факультет МГУ

2. Методы контроля биологического действия наночастиц

НИИ питания РАМН Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наночастиц Контролируемые показатели: Прирост массы тела Относительная масса органов Морфология внутренних органов Проницаемость кишечного барьера Ферменты микросом (цитохром Р-450, цитохром b5, CYP 1A1, CYP 1A2, CYP 2B1, глутатион-S-трасфераза, УДФ-глюкуронозилтрансфераза) Неседиментируемая активность лизосомальных гидролаз Небелковые тиолы печени Биохимия крови (АЛТ, АСТ, альбумин, белок общий, глюкоза, креатинин, мочевая кислота, щелочная фосфатаза) Гематологические показатели (гемоглобин, показатели эритропоэза, лейкоцитарная формула, тромбоциты) Аддукты ДНК (8-oxoG) Основные и транзиторные популяции микробиоценоза Аллергическая чувствительность Модельный организм: Крысы

Печень, Легкие, Желудок, Почки, Селезенка, Надпочечники, Мозг, Семенники, Кишечник, Сердце, Tимус, Кожа, Жировая, Мышечная ткань, Биологические жидкости Наночастицы TiO 2 ФуллереныНаночастицы Ag Атомно- абсорбционная спектроскопия Микроскопия: световая, электронная, силовая и т.д. ВЭЖХ-МС Динамическое светорассеяние Гомогенаты тканей Фиксированные образцы тканей Замороженные образцы тканей GLP Виварий Институт физиологически активных веществ РАН Комплексная характеристика локализации наночастиц в органах и тканях животных Биологический факультет МГУ Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН

Острая и хроническая токсичность Токсикокинетика Репродуктивная токсичность Эмбриотоксичность Генотоксичность Кардиотоксичность Протеомный анализ Применение Danio rerio как модельного организма в токсикологических исследованиях НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича РАМН Центр «Биоинженерия» РАН

3. Процедуры интегральной оценки рисков

В основу алгоритма положена операционная модель «Генеральных определительных таблиц» (ГОТ) Принцип метода состоит в построении «Генеральной определительной таблицы», в которой учитываются все известные на настоящее время признаки, влияющие на потенциальную опасность наноматериала ГОТ Функциональные блоки 1. Геометрические характеристики 2. Физико-химические свойства 3.Взаимодействие с биомакромолекулами 4.Воздействие на клетки 5. Воздействие на организм 6. Экологическая характеристика Алгоритм оценки опасности наноматериалов НИИ питания РАМН НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф.Гамалеи РАМН

Количественная оценка потенциальной опасности наноматериалов По каждому функциональному блоку ГОТ k рассчитывается частная потенциальная опасность по формуле: балльная оценка опасности по признаку i частная опасность по функциональному блоку k значение «взвешивающей» функции для признака i максимально возможная оценка опасности по признаку i Итоговая оценка опасности по шести функциональным блокам ГОТ: (длина вектора в 6-мерном пространстве) Признак 1 Признак 2 Опасность Двухмерная модель:

Объем продукции > 1 т в год или образование аэрозолей в ходе производства или прямая экспозиция: персонала, пользователей, населения нет (по всем пунк- там) Да Материал является водо- растворимым? Да нет Низкий уровень потенциальной опасности Да Длина более 5 микрон? Диаметр менее 100 нм? НетДа Нет Имеются ли данные об эффектах накопления в среде обитания, организмах животных и растений, передаче по пищевым цепям? Средний уровень потенциальной опасности Высокий уровень потенциальной опасности Нет эффекта Эффект есть или не оче- виден Нет эффекта Эффект есть или не очевиден Да Имеются ли данные о легочной токсичности, системные эффекты, оксидантный стресс, эндокринные нарушения, сенсибилизация/ аллергия Нет Отношение максимального размера частиц к минимальному по трём осям > 1:100 ? Пример оценки потенциальной опасности нанопродукции НИИ питания РАМН

4. Формирование инфраструктурных элементов системы нанобиобезопасности

Банк образцов наноматериалов Представлены : наночастицы металлов (серебро, золото, железо) наночастицы углерода (фуллерены, углеродные нанотрубки) наночастицы оксидов титана, алюминия, железа, кремния, церия, цинка наночастицы полистирола дендримеры биополимеры рекомбинантные вирусные частицы 36 образцов абиогенных (техногенных) наноматериалов 21 образец биогенных наноматериалов Паспорта стандартных образцов, правила безопасного хранения, транспортировки и использования НИИ питания РАМН Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН Биологический факультет МГУ Центр «Биоинженерия» РАН Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Создание эталонных лабораторий Комплекс оборудования и методического обеспечения для контроля наночастиц и наноматериалов в продукции определенных отраслей Эталонная лаборатория по оценке содержания наноматериалов и наночастиц в составе продукции сельского хозяйства, пищевых продуктах и упаковочных материалах НИИ питания РАМН Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН Московский государственный университет пищевых производств

5. Разработка и утверждение нормативной документации

Оценка безопасности нанотехнологий и наноматериалов Оценка безопасности нанотехнологийОценка безопасности наноматериалов Оценка безопасности исходных наноматериалов Строительство и строительные материалы Химическая промышленность Пищевые продукты и БАД к пище Лекарственные средства, иммунобиологические препараты, изделия медицинского назначения Парфюмерно- косметическая продукция Сельское хозяйство Дезсредства и продукция бытовой химии Средства очистки и дезинфекции воды Оборонная промышленность Радиотехника и электроника Машино- строение Упаковочные материалы Атомная промыш- ленность и энергетика Оценка безопасности продукции, содержащей наноматериалы Необходимая структура нормативной документации по нанобиобезопасности

Основная задача разработки НТД Нормативно-правовое и методическое обеспечение комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации наноматериалов в Российской Федерации – тематика комплексного проекта Разработка Производство Использование Утилизация

В 2009 году – утверждено Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 3 нормативных документа В 2010 году – утверждено 9 методических рекомендаций и указаний; представлено в Роспотребнадзор 6 методических указаний В 2011 году планируется утверждение 9 методических рекомендаций и указаний Разработка и утверждение нормативной документации

Работы по нанобиобезопасности в рамках ФЦП в гг.

Задачи продолжающихся проектов Формирование и анализ массива данных по локализации и биологическому действию приоритетных наночастиц Формирование комплекса взаимодополняющих методик обнаружения и идентификации техногенных наночастиц в клетках, органах и тканях живых организмов Проведение пилотных испытаний разработанных методов детекции и идентификации наночастиц на предприятиях наноиндустрии Характеристика эффективности разработанных методов для контроля наночастиц в отечественной и импортируемой нанотехнологической продукции разных отраслей Подготовка комплекта документации по регулированию безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации наноматериалов в Российской Федерации; передача их на утверждение в Роспотребнадзор

Постоянно обновляемая система Система обеспечения нанобиобезопасности как развивающаяся устойчивая система, эффективно интегрирующая: Новые знания о биологическом действии наночастиц Новые аналитические методы Новые виды наночастиц и препаратов на их основе Новые нанотехнологии (тесное взаимодействие с предприятиями наноиндустрии)

1.Развитие методической базы обнаружения, идентификации и количественного определения нанообъектов 2.Создание референтных методов по определению наночастиц в биологических материалах и окружающей среде 3.Медико-биологическая оценка безопасности новых видов наноматериалов 4.Наноматериалы (наночастицы) в объектах окружающей среды 5.Разработка системы производственного контроля на предприятиях, использующих нанотехнологии и/или производящих наноматериалы Предлагаемые основные направления работ ФЦП по нанобиобезопасности в 2011 г.

Спасибо за внимание!

Проекты по формированию методической базы 1.Разработка методологии и создание средств пробоотбора, идентификации и обнаружения действия техногенных наночастиц на живые организмы 2.Разработка методологии и создание средств обнаружения для лабораторного in vitro тестирования биологической активности наноматериалов 3.Разработка методологии биотестирования и создание средств обнаружения наночастиц в окружающей среде для оценки их безопасности, распространения и воздействия 4.Разработка методологии и создание средств контроля локализации наночастиц в органах и тканях 5.Разработка методологии и создание средств контроля для оценки безопасности действия наноматериалов на аппарат наследственности Анализ ситуации, выбор приоритетных объектов и средств их характеристики 5 проектов; осень 2008 г. Проекты ФЦП по нанобиобезопасности (1)

Комплексный проект Создание проектов нормативно-правового и методического обеспечения комплексной системы безопасности в процессе исследований, освоения, производства, обращения и утилизации наноматериалов в Российской Федерации Отраслевые проекты Разработка нормативно-методического обеспечения и средств контроля содержания наночастиц - в продукции сельского хозяйства, пищевых продуктах и упаковочных материалах - в парфюмерно-косметических изделиях и продукции бытовой химии - на объектах предприятий наноиндустрии Проекты ФЦП по нанобиобезопасности (1)

Детекция наночастиц: разнообразие аналитических методов Размер, нм

Oberdorster et al., 2005 Накопление в окружающей среде возможно, что наноматериалы могут накапливаться в растительном, животном или микробном организме, тем самым увеличивая их поступление по пищевой цепи в организм человека

Reaction Uptake Biodegradation Volatilization Desorption Toxicity Накопление в окружающей среде возможно, что наноматериалы могут накапливаться в растительном, животном или микробном организме, тем самым увеличивая их поступление по пищевой цепи в организм человека

Характеристика эмбриотоксичности фуллерена С 60 на мышах 1-17 день 6 день - роды Группы положительного контроля Введение НАНОФОСФОЛИПА самкам мышей в дни беременности: Группы опыта Введение ЛИПОФУЛЛЕРЕНА самкам мышей в дни беременности: Группы интактного контроля Группы по дозам Вид Исследуемый пол Средняя масса, г Тест доза Количество экспериментальных животных в группе Количество интактных партнеров 1мышисамки19-20 Низшая доза – 5 мкг/мышь 62 2мышисамки19-20 Высшая доза – 10 мкг/мышь 62 Интактный контроль мышисамки19-20Контроль62 НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича РАМН Центр «Биоинженерия» РАН