Nanopartiklers toksikologi –

er det farligt at indånde

nanopartikler?

Ulla Vogel

ubv@nrcwe.dk

Dansk Center for Nanosikkerhed

Udsættelse for nanopartikler

I arbejdsmiljøet

Som forbruger

Ydre miljø

Eksponeringsveje

Indånding

Indtag

Gennem huden

Medicinsk behandling

’Nano’ dækker forskellige ting

Mangfoldige nanopartikler

størrelse (overfladeareal)

form / morfologi

partikelkemi

atomstruktur funktionalisering

”nano”

Seniorforsker Keld Alstrup Jensen

Det Nationale Forskningscenter for

Arbejdsmiljø

Nanosikkerhedsforskning som strategisk forskningsområde siden 2005

22-25 årsværk investeret årligt i nanosikkerhedsforskning

Gruppen for Nanotoksikologi &

Arbejdshygiejne

Netværksdannelse

og

formidling

Eksponering og fysisk-

kemisk karakterisering

Risikoadministration

Toksikologi

PJA

AWN

IKK

AVI

SPO

JSH

2 dyrepassere

7 laboranter

ZKY

Hovedspørgsmål siden 2005

Er nanopartikler farligere end større partikler med samme

kemiske sammensætning ?

Ja !

Vision

Enkeltobservationer Generaliserbar

viden

Evidensbaseret risikovurdering.

Forudsigelse af toksikologiske

effekter på basis af viden om

størrelse, form og

overfladeegenskaber

Sikker anvendelse

af nanoteknologi

herunder specielt høj-

volumen materialer

• Toksicitet er et spørgsmål om dosis

• Vi omgås mange farlige kemikalier i arbejdsmiljøet og i

vores hverdag

• Vi skal omgås dem sikkert

Indånding af partikler: Forbud mod fyring med brunkul i Irland i 1991

Clancy et al. Lancet 360: 1210–14, 2002

Forbud

Sod: -70%

Forbud

Lungedød:

-15%

Hjertedød:

- 10%

Total død:

-6%

Nanostørrelse: flere partikler og større

overfladeareal pr vægtenhed

Pr vægtmængde

Størrelse

1 um til 100 nm

10 x

1 um til 10 nm

100 x

Antal partikler 1000 x 1.000.000 x

Overflade areal 10 x 100 x

Risiko = Fare x Exponering

Keld A Jensen

Flere og mindre partikler i luften

100

1000

10000

100000

1000000

10 100 1000 10000

Diameter, Dp [nm]

To

tal

ge

nera

ted

pa

rtic

les,

dN

/dlo

gD

p

[#/c

m3]

TiO2 pigment

TiO2 ultrafine

Støvningsforsøg med pigment TiO2 og nanoTiO2

1

10

100

1000

10000

Aloxite F800

Aloxite F1200Zirconia

TiO2-pigment

TiO2-ultrafine

Dustin

ess Index [m

g/k

g]

Målt i antal partikler

Målt i masse

1 10 100 1000 10000 100000

TiO2-pigment

RDI-S

ASP-G90

Aloxite F800

Y-ZrO2

Flammrüss 101

Aloxite F1200

Nanofil SE3000

Nanofil 9

Fumed silica

Goethite

Nanofill 5

Nanofill 8

Talc

Bentonite

UV titan L181

TiO2-ultrafine

Inhalable Dustiness Index [mg dust/kg powder]

Dustiness Index

Eksponering:

Risiko for mere støv i luften

Støvningsindeks

Højt

Moderat

Lavt

Meget Lavt

Måling af kulstof nanorør i luften

Photo: Per Axel Clausen

Håndtering af kulstofnanorør

Photos: Per Axel Clausen

Deponering af nanopartikler i lungen

1 103

0.01 0.1 1 10 1000

20

40

60

80

100

DF Diap

DH Diap

DT Diap

DA Diap

Diap

Total deposition

Head Deposition (larynx)

Thoracic deposition

Alveolar

Particle Size [um]

1 103

0.01 0.1 1 10 1000

20

40

60

80

100

DF Diap

DH Diap

DT Diap

DA Diap

Diap

Total deposition

Head Deposition (larynx)

Thoracic deposition

Alveolar

Particle Size [um]

Biological relevant size fractions (CEN, 1992)

Liver

100

1000

10000

100000

1000000

10 100 1000 10000

Diameter, Dp [nm]

To

tal

gen

era

ted

part

icle

s,

dN

/dlo

gD

p

[#/c

m3]

TiO2 pigment

TiO2 ultrafine

% D

ep

osite

d

Carbon black Printex90

33% deponeres i

lungen

9% deponeres i lungen

Indånding af nanopartikler

Airways

Particle deposition

and removal by

mucociliar

clearance

Particle

phagocytosis by

macrophage

release of

mediators

INFLAMMATION

reduced

phagocytosis

Particles

translocates

to circulation

CVD

Larger

particles Nanoparticle

Diam. < 0.1 m

Recruit &

activate

Chemo/cytokines

TNF, MIP, ILs etc.:

ROS/RNS

ROS

•more interaction

•larger surface area

•more radical formation Marianne Dybdahl

Indåndede TiO2 nanopartikler i lungen

fjernes igen meget langsomt

Eksponering Dage efter

eksponering

N TiO2 i lunge/ mg/kg

(mean ± sd) TiO2 5 3 63 ± 10 (25%)

Luft 5 3 < 8

TiO2 25 3 55 ± 30 (21%)

Luft 25 3 < 1

Mus indåndede 40 mg/m3 1 time dagligt i 11 dage.

TiO2 indhold i lungen blev målt med ICP-MS.

Hougaard et al, 2010

Ca. 21 % af det deponerede TiO2 kan genfindes efter 25 dage

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

Macrophages Neutrophils Lymphocytes

To

tal n

um

ber

of

ce

lls in B

AL

flu

id Control

TiO2

*****

**

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

Macrophages Neutrophils LymphocytesT

ota

l num

ber

of

cells

in B

AL flu

id

*

Cellesammensætning i lungen.

Indånding af nanopartikulært TiO2 giver langvarig inflammation

Hougaard et al, 2010

Efter 5 dage Efter 4 uger

Indånding af nanopartikler

• Doser der svarer til grænseværdier i det danske

arbejdsmiljø giver:

– Langvarig lungeinflammation

– DNA skader (indikation for kræftrisiko)

– Forøget åreforkalkning (indikation for risiko for hjertekarsygdom)

Samlet overfladeareal

Inflam

matio

n

Behov for specifik risikoregulering og -

håndtering af nanomaterialer

Større

Eksponeringspotentiale:

300 x

Større

Lungedeponering

1- 3 x

Større helbredseffekter ved samme dosis

Inflammation er proportional med

overfladearealet

100 x

100 nm100 nm 100 nm100 nm

x x

TiO2 pigment TiO2 nanopartikler

1 µm1 µm

Risiko = eksponering x fare:

Behov for at kunne regulere udsættelse for

nanopartikler

Kulstof nanorør

• CNTs har en række unikke & attraktive egenskaber:

• en trækstyrke der er 10-100 gange det stærkeste stål, men kun en brøkdel af dets massefylde til forstærkning af kompositmaterialer

• metalliske eller halvledende, og dette gør dem attraktive som elektriske komponenter

Kulstof nanorør : bagsiden af medaljen

• Lange, tynde, respirable fibre

• Uopløselige i biologiske væsker

• Udløser langvarig inflammation

• Danner ROS, reaktive oxygen species

• asbestlignende

En type kulstofnanorør forårsagede kræft i

følsomme mus. En anden type gjorde ikke

Tagaki et al, 2009

Sub-chronic inhalation studies of carbon

nanotubes

• Rats were exposed on 6 h/day, 5 days per week for 13 consecutive

weeks to 0, 0.1, 0.4, 1.5, and 6 mg/m3.

• Biomarkers assessed 4, 13 and 26 weeks after exposure

• Baytubes, MWCNT

• Biological half-life in lung 350-375 days

• A number of biomarkers of lung inflammation and toxicity

• Pauluhn 2010

Pauluhn; 2010

Conclusion:

No effects observed at the lowest dose, 0.1 mg/m3

Halflife of CNT in lung ca. 1 year

Suggested OEL based on this work: 1-7 ug/m3

(Aschberger 2010, NIOSH, 2010)

Portioning out CNTs using a disposable

glove box

Photos: Renie Birkedal

Dansk Center for Nanosikkerhed

• 3-årig forskningsbevilling fra

Arbejdsmijøforskningsfonden

• 30 mill kroner

• Maj 2012-April 2015

Fotos: Mikkel Østergaard

TAK FOR JERES OPMÆRKSOMHED

Dansk Center for Nanosikkerhed

• Bedre eksponeringsvurderinger

• Bedre toksikologiske undersøgelser

• Bedre kendskab til de grundlæggende mekanismer

• Bedre modeller til risikovurdering og risikohåndtering

Fotos: Mikkel Østergaard

NFA er ikke alene..

• Danske nanoforskere fra:

• Danmarks Tekniske Universitet: – Professor Anders Baun, DTU Miljø

– Lektor Kristian Mølhave, DTU Nano

– Seniorforsker Alicja Mortensen, og professor Erik Huusfeldt Larsen, DTU Fødevareinstituttet

• Københavns Universitet, Afdelingen for Miljømedicin, Institut for Folkesundhedsvidenskab: – Professor Steffen Loft,

– Professor Peter Møller

• Syddansk Universitet, Institut for Fysik, Kemi og Farmaci – Institutleder Frants Roager Lauritsen

• Teknologisk Institut – Konsulent Henrik Vejen Kristensen

– Leif Højslet Christensen

Udenlandske samarbejdspartnere

• Health Canada, Canada

• Lunds Universitet, Sverige

• INRS, Frankrig

• TNO, Holland

• IUTA, Tyskland

• IOM, UK

Centeropbygning

Dansk Center for Nanosikkerhed

Hovedprojekt

Projektledelse: Ulla Vogel

Styregruppe National Følgegruppe Videnskabelig Følgegruppe

Tema 1:

NP måling og

karakterisering

Tema 2:

Toksiske effekter

Tema 3:

Mekanisme-

studier

Tema 4:

Risikovurdering

og -håndtering

National Følgegruppe:

Arbejdstilsynet

Miljøstyrelsen

BAR Industri (2 repræsentanter)

BAR Bygge-anlæg (2 repræsentanter)

LO

DA

Centeropbygning

Dansk Center for Nanosikkerhed

Hovedprojekt

Projektledelse: Ulla Vogel

Styregruppe National Følgegruppe Videnskabelig Følgegruppe

Tema 1:

NP måling og

karakterisering

Tema 2:

Toksiske effekter

Tema 3:

Mekanisme-

studier

Tema 4:

Risikovurdering

og -håndtering

Videnskabelig Følgegruppe:

Kai Savolainen (FIOH)

Anna Shvedova (NIOSH)

Michael Riediker (IST)

Underprojekter

Tema 1. Eksponering og partikelkarakterisering:

Delprojekt 1.1. Udvikling af metoder til måling af nanopartikler i luft (ph.d.-projekt)

Delprojekt 1.2. Eksponerings- og emissionsmålinger af nanopartikler

Delprojekt 1.3. Fysisk/kemisk karakterisering af nanopartikler

Tema 2. Toksiske effekter af nanopartikler :

Delprojekt 2.1. Screening af toksiske effekter af nanopartikler

Delprojekt 2.2. Kulstofnanorør: Genotoksiske effekter og kræft

Delprojekt 2.3. Accelereret åreforkalkning ved eksponering for nanopartikler (ph.d.-projekt)

Delprojekt 2.4. Effekter af nanopartikler på graviditet og fosterudvikling

Delprojekt 2.5. Deponeringsmodel for nanopartikler luftveje på mus

Tema 3. Mekanismestudier :

Delprojekt 3.1. Indirekte eller direkte toksiske effekter af akkumulering af nanopartikler i leveren (ph.d.-projekt)

Delprojekt 3.2. Interaktion mellem nanopartikler og lunge-surfactanter (ph.d.-projekt)

Delprojekt 3.3. In vitro og iv vivo effekter af interaktion mellem nanopartikler og lungesurfactanter

Delprojekt 3.4. Eksponering for nanopartikler og global genekspression

Tema 4. Risikovurdering og -håndtering :

Delprojekt 4.1. Risikovurdering og -håndtering

Delprojekt 4.2. Udvikling og validering af kvalitative til kvantitative metoder til risikovurdering af nanomaterialer

(ph.d.-projekt)

EU projekter bidrager med mere viden

- hjemtagning af viden

Vidensformidling

Virksom-

heder

Arbejds-

markedets

parter

Fagper-

soner

Myndig-

hederBeslutnings-

tagere

Forskere

og

studerende

VFA: Nyheder og nyhedsbrev

O ffentlig-

heden

Vir

kem

idle

r

Faktaark og forskningsresumeer

Center for nanosikkerhed: Målgrupper og virkemidler

Formidlingsmøder og offentlige møder

Populærvidenskabelige artikler i branche- og fagblade

NANOSAFER - online værktøj til risikovurdering

NFA: Nyheder, nyhedsbrev og hjemmeside

Populærvidenskabelige artikler i andre blade

NIVA-kurser

Internationale konferencer

Videnskabelige artikler

Eksterne hjemmesider og portaler

Omtale af resultater i medier som aviser, TV, radio, netaviser

Målg

rupper

Udredninger og v idenskabelige reviews

Ph.d.-afhandlinger

Figur 1: Skitse over målgrupper med angivelse af primære formidlingstiltag.