Situazione legislativa, aspetti tossicologici e … 3 I nanomateriali ingegnerizzati: un rischio...
Transcript of Situazione legislativa, aspetti tossicologici e … 3 I nanomateriali ingegnerizzati: un rischio...
28/11/16
1
La valutazione del rischio da nanomateriali in ambito occupazionale: cenni di tossicologia e valutazione
dell'esposizione
Ivo Iavicoli Università degli Studi di Napoli Federico II
Situazione legislativa, aspetti tossicologici e conoscenza scientifica sulle nanoparticelle aerodisperse
Università degli Studi di Milano – Bicocca (DISAT) Mercoledì 23 novembre 2016 Milano, Piazza della scienza 1
NanoSimposio
Diffusione dei nanomateriali ingegnerizzati
Negli ultimi anni l’imponente progresso scientifico nel settore delle nanotecnologie ha reso possibile lo sviluppo e l’utilizzo dei nanomateriali ingegnerizzati in diversi ambiti industriali …
Cosmetici Elettronica
Abbigliamento
Edilizia
Produzione e conservazione dell’energia
Biotecnologie
28/11/16
2
Diffusione dei nanomateriali ingegnerizzati
Modificato da Vance e coll. 2015
Ø 1827 prodotti di consumo;
Ø 33 nazioni produttrici;
Ø 715 aziende produttrici.
Fonte: Nanotechnology Consumer Products Inventory – Consultato a novembre 2016
… contribuendo quindi alla produzione di un numero costantemente crescente di prodotti di consumo che contengono questi materiali.
I nanomateriali ingegnerizzati: un rischio emergente
La rapida crescita delle nanotecnologie, la produzione di massa dei nanomateriali ingegnerizzati e la loro conseguente ampia diffusione e distribuzione a livello globale ha inevitabilmente aumentato la probabilità di una maggiore esposizione …
1. Ricerca e sviluppo
2. Produzione
3. Trasporto 4. Immagazzinamento
e stoccaggio
5. Smaltimento e riciclaggio
… dei lavoratori addetti alla produzione, manipolazione ed utilizzo di queste sostanze.
28/11/16
3
I nanomateriali ingegnerizzati: un rischio emergente
1 – Ricerca e sviluppo
2 - Produzione
3 - Trasporto 4 – Immagazzinamento
e stoccaggio
5 – Smaltimento e riciclaggio
… ma anche della popolazione generale che può essere esposta ai nanomateriali ingegnerizzati sia attraverso il contatto con le matrici ambientali inquinate, sia utilizzando i prodotti di consumo che li contengono.
Nanomateriali ingegnerizzati: la valutazione del rischio
Appare quindi evidente la necessità di sviluppare delle efficaci strategie di valutazione e di gestione del rischio i cui principi basilari rimangono quelli stabiliti nel 1983 dalla National Academy of Sciences degli Stati Uniti d’America …
Identificazione del pericolo
Relazione dose-risposta
Valutazione dell’esposizione
Caratterizzazione del rischio
Valutazione del rischio
28/11/16
4
Nanomateriali ingegnerizzati ed effetti avversi per la salute
Negli ultimi anni sono stati effettuati numerosi studi in vitro ed in vivo che hanno investigato la relazione causale tra le differenti caratteristiche chimico – fisiche dei nanomateriali ed i loro possibili effetti avversi…
Dimensione
Forma
Concentrazione numerica
Stato di agglomerazione
Carica di superficie
Funzionalizzazione
Area di superficie Composizione chimica
Struttura cristallina
Distribuzione dimensionale
Modificato da Hasselöw e Kaegi, 2009
Nanomateriali ingegnerizzati ed effetti avversi per la salute
Modificato da Hasselöw e Kaegi, 2009
…i risultati di tali studi hanno mostrato che le peculiari caratteristiche chimico – fisiche dei nanomateriali (che ne rendono estremamente attraente l’impiego industriale) sono anche responsabili dei principali effetti avversi osservati.
Util
izzi
indu
stri
ali
Pot
enzi
ali e
ffetti
avv
ersi
28/11/16
5
La valutazione del rischio: aspetti tossicologici
Differenti tipologie di nanomateriali sono risultati in grado di indurre effetti citotossici, infiammatori e genotossici su differenti linee cellulari.
INFIAMMAZIONE CITOTOSSICITÀ GENOTOSSICITÀ
STRESS OSSIDATIVO
L’induzione dello stress ossidativo rappresenta uno dei principali meccanismi molecolari di azione responsabili dei suddetti effetti avversi
La valutazione del rischio: aspetti tossicologici
Gli studi in vivo condotti su differenti tipologie di animali da laboratorio hanno mostrato la capacità dei nanomateriali di causare effetti tossici su differenti organi e sistemi d’organo:
Sistema respiratorio
Sistema cardiovascolare
Sistema nervoso
Sistema renale
Sistema endocrino
28/11/16
6
Aspetti tossicologici: l’apparato respiratorio
Risposta infiammatoria: Aumento del numero di cellule infiammatorie e alterazioni dei parametri biochimici nel liquido di lavaggio bronco-alveolare
Stress ossidativo: Aumento dei radicali
dell’ossigeno, ridotti livelli di enzimi anti-ossidanti
Danno strutturale: Infiltrazione di cellule
infiammatorie, enfisema ed edema polmonare, congestione
dei vasi sanguigni, sanguinamento
Alterazione dei profili genici: alterazione dell’espressione di
geni coinvolti nella risposta infiammatoria, immunitaria, nell’apoptosi cellulare e nelle
reazioni ossidative
NPs di TiO2 rutile (4-6 nm) instillate per via intratracheale in ratti sacrificati 24 ore dopo.
Nemmar et al., 2008
NPs di TiO2 anatase (5-6 nm) ) instillate in topi per via intratracheale per 90 giorni consecutivi. Sun et al., 2013
Polmone normale (controlli); enfisema + edema (2.5 mg/kg); infiltrato infiammatorio, congestione vascolare
(5 mg/kg); sanguinamento (10 mg/kg). Sun et al., 2013
NPs di TiO2 anatase TiO2-NPs (~6 nm) instillate per via intranasale (10 mg/kg) in topi a giorni alterni per 90
giorni. Li et al., 2013
Aspetti tossicologici: l’apparato cardiovascolare
Ateroma nell’aorta di topi trattati con nanotubi di carbonio a parete singola (20 mcg/topo a settimane
alterne per 8 settimane)
Soluzione salina Nanotubi di carbonio a parete
singola
Xu e coll. 2012; Li e coll., 2007; Abdelhalim, 2011
Ratti trattati con 50 mcl di nanoparticelle d’oro (50 nm) per via intraperitoneale per 3 giorni: foci emorragiche con stravaso di globuli rossi; vacuolizzazione citoplasmatica indicante un effetto tossico sul
tessuto miocardico.
Aterosclerosi aortica in ratti trattati per via intravenosa con nanotubi di carbonio a parete multipla.
28/11/16
7
Aspetti tossicologici: il sistema nervoso
Le NPs di TiO2, dopo essere state assorbite dalle terminazioni nervose della mucosa nasale, raggiungono il sistema nervoso mediante trasporto trans–sinaptico, accumulandosi prevalentemente nel bulbo olfattorio e
nell’ippocampo
L’esposizione a NPs di TiO2-NP causava: Alterazioni dell’omeostasi enzimatica, dei
neurotrasmettitori e del sistema dopaminergico; Stress ossidativo e reazioni infiammatorie; Alterazioni
nell’espressione genica.
Alterazioni morfologiche dei neuroni dell’ippocampo e del bulbo olfattorio sono state osservate dopo
instillazione intranasale di NPs di TiO2
NPs di TiO2 (80 nm rutile e 155 nm anatase) instillate per via intranasale in topi (500 μg ) a giorni alterni per 30 giorni. Wang
et al., 2008a
Ma et al., 2010; Hu et al., 2010, 2011; Li et al., 2010; Wang et al., 2008a, 2008b; Ze et al. 2014
NPs di TiO2 sono in grado di raggiungere il sistema nervoso centrale dopo essere state somministrate per via
intra-addominale, -gastrica, -tracheale ed intranasale
Aspetti tossicologici: il sistema renale
Livelli urinari di Retinol Binding Protein (μg/ml)
Livelli urinari di β2-microglobulina (μg/ml)
NPs di Palladio (10±6 nm) sono state somministrate a ratti Wistar per via intravenosa
(0.012 to 12 µg/kg). Campioni di urina sono stati prelevati 14 giorni
dopo il trattamento.
Fontana e coll. Nanotoxicology. 2015
Le NPs di Palladio inducevano una significativa azione nefrotossica a livello del tubulo renale ,
come dimostrato dall’incremento delle concentrazioni urinarie di Retinol Binding
Protein e β2-microglobulina.
28/11/16
8
Nanomateriali ingegnerizzati: la valutazione del rischio
Monitoraggio ambientale
Misura continua o periodica dei livelli o concentrazioni di un inquinante nell’ambiente per confrontare le misure ottenute con appropriati valori guida di riferimento
Monitoraggio biologico
Misura periodica di indicatori di esposizione (sostanza chimica o suo metabolita), di effetto o di suscettibilità presenti in matrici biologiche accessibili, da confrontare con appropriati
valori guida di riferimento
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
L’effettuazione del monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati è particolarmente difficoltosa e presenta ancora alcune criticità piuttosto importanti.
Cosa misurare?
Attualmente, non è ancora stato raggiunto un consenso internazionale sui parametri metrologici più rappresentativi ed importanti da misurare negli ambienti di lavoro.
Massa Numero Dimensione Area di superficie
Area di superficie
28/11/16
9
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
Inoltre, numerosi studi di nanotossicologia hanno dimostrato che le risposte biologiche indotte dai nanomateriali ingegnerizzati sono anche collegate ad altre caratteristiche chimico-fisiche ...
Cosa valutare?
Forma Composizione
chimica Funzionalizzazione Carica di superficie
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
Sfortunatamente, non è ancora disponibile un unico metodo di campionamento e/o analisi che da solo sia in grado di fornire simultaneamente informazioni utili riguardo alle diverse caratteristiche chimico-fisiche dei nanomateriali ingegnerizzati.
Come misurare?
Conseguentemente, come suggerito dall’Istituto Nazionale Americano per la Salute e Sicurezza Occupazionale (NIOSH) qualsiasi valutazione dell'esposizione professionale a nanomateriali ingegnerizzati si dovrebbe basare su un approccio multi-strumentale che preveda l'uso di diverse tecniche di campionamento e di analisi.
Nanoparticle Emission Assessment Technique (NEAT)
Strategia di campionamento per valutare in maniera semi-quantitativa il rilascio di nanomateriali ingegnerizzati negli ambienti di lavoro
28/11/16
10
Nan
opar
ticle
Em
issi
on A
sses
smen
t Tec
hniq
ue
STEP 1: Identificare le potenziali fonti di emissione
STEP 2: Misura della concentrazione numerica delle nanoparticelle con contatore di particelle a condensazione (CPC) e contatore ottico di particelle (OPC)
STEP 3: Nel caso in cui alla fase precedente si evidenzi una possibile emissione di nanomateriali si effettua la raccolta su filtro per la successiva caratterizzazione
Acquisire informazioni su:
Ciclo produttivo
Processi lavorativi
Nanomateriali utilizzati
Sopralluogo ambienti di lavoro:
Processi e mansioni lavorative
Caratteristiche dell’esposizione
Sistemi di ventilazione
Misura del livello di fondo
Misura su postazione di lavoro
Ci sono differenze ?
SI
NO No emissione di
nanomateriali
Emissione di nanomateriali
Campionamento di area per
successiva analisi
Gravimetrica
ICP-MS
TEM/SEM
Eventuale campionamento
personale
Nan
opar
ticle
Em
issi
on A
sses
smen
t Tec
hniq
ue 2
.0 Recentemente, la NEAT è stata modificata ed implementata (NEAT 2.0) includendo
anche una valutazione personale dell’esposizione mediante la raccolta su filtro dell’aria ambientale campionata nella zona di respirazione dei lavoratori esposti a nanomateriali.
Raccolta di informazioni su:
Ambiente di lavoro
Forza lavoro
Nanomateriali utilizzati
Ciclo e processi lavorativi …
N° lavoratori potenzialmente esposti …
Composizione, dimensioni, forma …
Identificazione di possibili fonti di esposizione
Campionamenti di area e personali
+
Misure con strumenti a lettura diretta (CPC/OPC)
Gravimetrica
ICP-MS
TEM/SEM
Confronto con i valori di fondo
28/11/16
11
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
Tuttavia, una delle principali problematiche del monitoraggio ambientale dei nanomateriali, correlata all’impiego di molteplici strumenti di campionamento, è rappresentata dal fatto che tali strumenti sono particolarmente ingombranti e di non semplice utilizzo negli ambienti di lavoro.
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
• Campionatori personali a lettura diretta e per la raccolta delle particelle;
• Valutazione dell'esposizione del
singolo lavoratore. MiniDisc ESP nano 100
Fonte: nanoIndEx Project Assessment of personal exposure to airborne nanomaterials: A guidance
document, 2016
28/11/16
12
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
Fonte: nanoIndEx Project Assessment of personal exposure to airborne nanomaterials: A guidance
document, 2016
Campionamento personale
Campionamento di area
Campionamento personale
Campionamento di area
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
• Criticità nell’interpretazione dei dati ottenuti;
• Attualmente non sono disponibili valori limite di esposizione occupazionale normati e condivisi a livello internazionale;
• Alcuni enti ed istituzioni di ricerca nazionali ed internazionali hanno proposto dei valori limite di esposizione;
• La maggior parte dei valori limite di esposizione sino ad oggi suggeriti sono classicamente basati sulla misura della concentrazione in massa dei nanomateriali nella frazione respirabile del particolato.
28/11/16
13
Monitoraggio ambientale dei nanomateriali ingegnerizzati
Finnish Institute of Occupational Health
Japanese New Energy and Industrial Technology Development
Organization
German Social Accident Insurance
NIOSH
British Standard Institute
Nanomateriali ingegnerizzati e valori limite di esposizione
Nanomateriali National Institute for Occupational Safety
and Health (NIOSH) (Stati Uniti)
Finnish Institute of Occupational Health (Scaffold Research)
Japanese New Energy and Industrial Technology
Development Organization (AIST)
Nanoparticelle di biossido di
Titanio (TiO2)
Limite di esposizione raccomandato: 0.3 mg/m3 come media ponderata su 10 ore
lavorative al giorno per un totale di 40 ore settimanali (frazione respirabile)
Limite di esposizione occupazionale: 0.1 mg/m3 come media ponderata su 8 ore lavorative al giorno (frazione respirabile)
Limite di esposizione occupazionale: 0.61 mg/m3 (come media ponderata su 8 ore lavorative al giorno)
Nanotubi di carbonio (CNTs)
Limite di esposizione raccomandato: 1 μg/m3 di carbonio elementare come media ponderata su 8 ore lavorative al
giorno (frazione respirabile)
Biossido di silicio amorfo
Limite di esposizione occupazionale: 0.3 mg/m3 (come media ponderata su 8 ore
lavorative al giorno) – frazione respirabile
Nanofibre di carbonio e
nanocellulosa
Limite di esposizione occupazionale: 0.01 fibre/cm3 (come media ponderata su 8 ore lavorative al giorno) - principio di
precauzione
Polveri a bassa tossicità
Limite di esposizione occupazionale: 0.3 mg/m3 (nella frazione respirabile);
4 mg/m3 (nella frazione inalabile)
28/11/16
14
Nanomateriali ingegnerizzati e valori limite di esposizione
Livelli di riferimento sono stati proposti dal British Standard Institute per l’esposizione a quattro tipologie di nanomateriali: ü Nanomateriali insolubili: 0.066 × occupational exposure limit (OEL) del corrispondente materiale;
ü Nanomateriali fibrosi: 0.01 fibre/ml;
ü Nanomateriali altamente solubili: 0.5 × OEL del corrispondente materiale;
ü Per sostanze classificate come cancerogene, mutagene, asmogene o pericolose per la salute riproduttiva: 0.1 × OEL della corrispondente sostanza.
British Standard Institute
Nanomateriali ingegnerizzati e valori limite di esposizione
L’ IFA ha proposto dei livelli di riferimento basati sulla dimensione e densità dei nanomateriali. Essi sono intesi come incremento rispetto al livello di fondo durante un turno di lavoro di 8 ore: ü Nanomateriali metallici, ossidi di metallo e granulari bio-persistenti (con densità > 6000 kg/m3): 20000 particelle (1- 100 nm)/cm³.
ü Nanomateriali granulari bio-persistenti (con densità <6000 kg/m3): 40000 particelle (1-100 nm)/cm3.
ü Nanotubi di carbonio: 10000 fibre/m3.
German Social Accident Insurance (IFA)
28/11/16
15
Monitoraggio biologico dei nanomateriali ingegnerizzati
• Ulteriore utile strumento di valutazione dell’esposizione ai nanomateriali ingegnerizzati (integra le informazioni ottenute nell’ambito del monitoraggio ambientale);
• La definizione di appropriati biomarcatori di esposizione, effetto o suscettibilità correlati all’esposizione ai nanomateriali è particolarmente difficoltosa;
• Necessità di disporre di un grande numero di informazioni (affidabili) relative alla
tossicocinetica ed alla tossicodinamica di questi materiali.
Monitoraggio biologico dei nanomateriali ingegnerizzati
Aria, acqua, vestiti …
Bio - applicazioni Aria Cibo, acqua…
Deposizione
Apparato respiratorio
Inalazione
Apparato gastro-intestinale
Ingestione
Tratto nasale
Tratto tracheo -
bronchiale
Regione alveolare
Torrente circolatorio
Linfonodi
Fegato
Cuore Milza Reni Altri organi (muscolo,
placenta …)
Midollo osseo
Linfonodi
SNC
SNP
Iniezione
Esposizione
Via di assorbimento
Traslocazione e distribuzione
Vie di eliminazione
Sudorazione / esfoliazione
Cute
Urine Latte
materno Feci
Indicatori di esposizione
Indicatori di effetto
Vie di passaggio confermate Vie di passaggio potenziali
Modificato da Oberdörster e coll., 2005
28/11/16
16
Nan
omat
eria
li in
gegn
eriz
zati:
Mon
itora
ggio
bio
logi
co
Potenziali biomarcatori
Tra i possibili indicatori biologici di esposizione, il dosaggio del contenuto metallico elementare in differenti matrici biologiche potrebbe rappresentare un valido marcatore dell’esposizione a nanomateriali metallici.
Differenti parametri (proteine della fase acuta, citochine pro-infiammatorie, sistemi enzimatici, addotti alle proteine o al DNA), coinvolti nella risposta infiammatoria dell’organismo o nell’induzione dello stress ossidativo, potrebbero essere impiegati come indicatori di effetto precoce.
Indicatori di esposizione Indicatori di effetto
Esposizione Dose interna Dose efficace Effetti precoci Alterazioni d’organo conclamate
Tipologia di indicatore Vantaggi Criticità
Contenuto metallico elementare nei liquidi
biologici
Facilmente accessibili per valutazione dell’esposizione
a nanomateriali metallici
Ruolo delle proprietà fisico-chimiche non ancora del tutto definito; Migliore conoscenza della tossicocinetica; Dosi sperimentali non realistiche.
Stress ossidativo e infiammazione
Si riferiscono alle principali risposte biologiche indotte
dall’esposizione a nanomateriali
Limitata specificità; Sono potenzialmente influenzati da fattori non correlati ai nanomateriali.
Indicatori di danno d’organo Valutano gli effetti dei
nanomateriali su specifici organi bersaglio
Migliore conoscenza della tossicodinamica; Influenza di fattori esterni; Quali effetti avversi precoci ? Risultati attualmente non conclusivi.
Nan
omat
eria
li in
gegn
eriz
zati:
Mon
itora
ggio
bio
logi
co
Potenziali biomarcatori
Indicatori di esposizione Indicatori di effetto
Esposizione Dose interna Dose efficace Effetti precoci Alterazioni d’organo conclamate
Tipologia di indicatore Vantaggi Criticità
Indicatori di genotossicità Definiscono le proprietà
genotossiche dei nanomateriali
Ruolo delle proprietà fisico-chimiche non ancora del tutto definite; Non specifici; Di difficile interpretazione; Questione etica.
Indicatori genomici, proteomici, …
Identificano alterazioni precoci indotte dai
nanomateriali
Analisi accurata di competenze e costi necessari per l’attuazione
Indicatori di suscettibilità
Possono essere impiegati per una valutazione
predittiva del rischio di eventi avversi
Migliore conoscenza della tossicocinetica e tossicodinamica; Definizione normale variabilità individuale e condizioni di ipersuscettibilità; Questione etica.
28/11/16
17
Monitoraggio biologico dei nanomateriali ingegnerizzati
Inalazione
Ingestione
Deposizione
Iniezione
Assorbimento gastro-intestinale
Assorbimento respiratorio
Distribuzione
Eliminazione
Contenuto metallico elementare
Contenuto metallico elementare
Stress ossidativo e infiammazione
Indicatori di danno d’organo
Indicatori di genotossicità
Indicatori genomici, proteomici, …
Indicatori di suscettibilità
Con
clus
ioni
Monitoraggio ambientale: obiettivi futuri
Acquisire dati affidabili e dettagliati sul ruolo delle proprietà chimico-fisiche dei nanomateriali nell’induzione delle risposte biologiche.
Implementazione dell’utilizzo dei campionatori personali per la corretta definizione dell’esposizione dei lavoratori a nanomateriali.
Definire e validare una strategia di campionamento ed una metodologia di analisi e caratterizzazione dei nanomateriali che sia standardizzata e che abbia un consenso internazionale.
Ulteriori studi appaiono necessari per definire criteri razionali e condivisi mediante i quali proporre valori limite di esposizione occupazionale ai nanomateriali.
28/11/16
18
Con
clus
ioni
Monitoraggio biologico: obiettivi futuri
Acquisire dati affidabili e dettagliati inerenti la tossicocinetica e la tossicodinamica dei nanomateriali.
Individuare biomarcatori più sensibili e specifici.
Implementare e validare l’utilizzo delle nuove metodiche di analisi genomica, proteomica o trascrittomica.
Ottenere un sempre maggior numero di informazioni utili a identificare quali alterazioni genetiche, genotossiche o epigenetiche, correlate all’esposizione ai nanomateriali, possano essere considerate come potenziali indicatori di suscettibilità.
Grazie per la cortese attenzione