Nanossegurança para inovação sustentável: a avaliação da toxicidade e ciclo de vida de um nanoproduto é essencial para garantir que a sua produção e aplicações prosperem; sem provocar impactos negativos aos trabalhadores, consumidores e ao meio ambiente

Diego Stéfani Teodoro Martinez^I; Francine Côa^II; Marcelo Knobel^III

^IPesquisador do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Atualmente é Líder da Divisão de Nanobiotecnologia e coordenador da Instalação de Nanotoxicologia e Nanossegurança do LNNano/CNPEM, membro afiliado da Academia Brasileira de Ciências e Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq 1D. E-mail: diego.martinez@lnnano.cnpem.br
^IIGraduada em Tecnologia em Controle Ambiental pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e doutoranda em Ciências (Química na Agricultura e Ambiente) no Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA), Universidade de São Paulo (USP). Atualmente é analista do Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). E-mail: francine.coa@lnnano.cnpem.br
^IIIProfessor do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW), Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Foi diretor do Laboratório Nacional de Nanotecnologia do CNPEM (2015-2016) e Reitor da Unicamp (2016-2020). É membro titular da Academia Brasileira de Ciências e Bolsista de Produtividade em Pesquisa do CNPq 1A. Dedica-se também à divulgação da ciência e da tecnologia e à Educação Superior. E-mail: knobel@ifi.unicamp.br

RESUMO

A nanotecnologia oferece um imenso potencial para inovação em diferentes setores, com perspectivas em aplicações inimagináveis. No entanto, os perigos e riscos dos nanomateriais frente à saúde humana e ambiental estão sendo ainda avaliados e têm sido foco de debates e controvérsias a nível nacional e internacional. Incertezas têm levado a dificuldades na elaboração das regulamentações em nanotecnologia, culminando, muitas vezes, em iniciativas isoladas em diferentes países. Atividades de pesquisa em nanotoxicologia e nanossegurança exercem um papel fundamental neste contexto, pois propiciam a geração de informações e conhecimento científico que são cruciais para a proteção e preservação da vida e do meio ambiente, considerando toda cadeia de valor durante a produção, uso e descarte de nanomateriais. Métodos computacionais preditivos podem ser utilizados para identificar mecanismos comuns de toxicidade e agrupar e/ou classificar nanomateriais visando facilitar sua regulação. O emprego desses métodos, juntamente com ferramentas de informática, bancos de dados e inteligência artificial, é uma estratégia promissora para a estruturação de novas maneiras de abordar aspectos de toxicologia e segurança de materiais avançados (data-driven), acelerando a produção de nanomateriais que apresentem performance e funcionalidades diferenciadas com garantia de sua segurança e sustentabilidade.

Palavras-chave: Nanomateriais; Toxicidade; Segurança; Ecotoxicologia; Sustentabilidade.

Introdução

O potencial de inovação e as oportunidades econômicas decorrentes da nanotecnologia têm culminado em robustos financiamentos em programas de pesquisa ao redor do mundo, e no surgimento de várias empresas para desenvolvimento e comercialização de produtos e tecnologias. Os avanços em nanomateriais, essenciais em nanotecnologia, têm permitido produzir materiais com diferentes composições, estruturas, tamanhos, morfologias, porosidades, que podem ser estrategicamente modificados com diversos grupamentos químicos e biomoléculas para aplicações específicas de interesse (conhecido como funcionalização). Considerando essa versatilidade e as propriedades físico-químicas diferenciadas decorrentes do tamanho nanométrico, estes novos materiais têm sido estudados e explorados para aplicações em setores estratégicos como saúde, energia, transporte, materiais avançados, eletrônica, tecnologias de comunicação, defesa, agricultura e meio ambiente, entre outros (Figura 1).

Com a expansão do uso dos materiais nanoestruturados e produção em larga escala, há uma crescente preocupação sobre seus efeitos colaterais não intencionais ao meio ambiente e ao ser humano. O estabelecimento do perfil toxicológico dos nanomateriais e a compreensão das suas interações com organismos vivos é um aspecto prioritário para predizer e mitigar seus potenciais impactos negativos e riscos [1]. Inicialmente, os estudos de nanotoxicidade eram baseados em protocolos e metodologias estabelecidas para produtos químicos convencionais (moléculas). Contudo, devido às particularidades e à natureza físico-química dos nanomateriais (partículas), surgiram novas áreas do conhecimento, nanotoxicologia e nanossegurança, que visam estudar a interação dos nanomateriais com sistemas biológicos e meio ambiente para compreender de maneira integrada os eventos adversos, a toxicidade com os respectivos mecanismos envolvidos, e riscos, visando inovação com segurança em toda cadeia de valor da nanotecnologia [2,3].

Em geral, novas substâncias registradas que chegam ao mercado devem ser preliminarmente avaliadas do ponto de vista de sua segurança química e passam por um processo de autorização para comercialização. As dificuldades na caracterização dos perigos e riscos dos nanomateriais têm levado a incertezas no que diz respeito ao modo como será feita a regulação no setor da nanotecnologia [2]. Embora o paradigma tradicional para avaliação de risco toxicológico seja válido também para nanomateriais, muitos métodos, bioensaios, testes e diretrizes precisam de modificações quando aplicados à toxicologia regulatória [3]. De fato, essas questões são desafiadoras mesmo para substâncias químicas popularmente utilizadas, visto que são normalmente avaliadas em um contexto isolado, mas no ambiente podem passar por transformações complexas que são difíceis de serem previstas em laboratório [4]. Sendo assim, quase todos os órgãos reguladores lidam com os desafios associados à avaliação de risco de produtos químicos e nanomateriais.

Aspectos de ambiente, saúde e segurança em nanotecnologia

A liberação de nanomateriais no ambiente pode ocorrer durante diferentes estágios dos seus ciclos de vida, desde a produção, aplicações e usos, ou mesmo durante a disposição final ou descarte. No ar, solo e água, os materiais nanométricos passarão por interações bióticas e abióticas, que poderão afetar suas propriedades físico-químicas e consequente sua toxicidade ou ecotoxicidade [5,6]. Por exemplo, passarão por transformações como agregação, dissolução e degradação. Também interagirão espontaneamente com biomoléculas que compõem esses meios como as proteínas, lipídios, carboidratos e matéria orgânica, levando a formação de um revestimento, conhecido como biocorona, que modulará o comportamento e os efeitos que exercerão sobre células, tecidos e organismos [7,8]. Os humanos podem ser expostos aos nanomateriais de maneira intencional ou acidental por diferentes vias de exposição (e.g., inalação, dérmica, ingestão e injeção) dentro de uma ampla gama de situações (e.g., exposição ocupacional, consumo de nanoprodutos e tratamentos médicos) [9]. A avaliação dos impactos dos nanomateriais desde a produção até disposição final é conhecida como análise de ciclo de vida e todos esses aspectos precisam ser considerados de maneira integrada visando alinhar o desenvolvimento da nanotecnologia com segurança e sustentabilidade [10] (Figura 2). Técnicas avançadas de caracterização desempenham um papel fundamental neste contexto, pois as características físico-químicas dos nanomateriais (i.e., composição, tamanho, forma, carga superficial, grupos funcionais, defeitos, pureza, etc.) governam como estes materiais interagem com organismos vivos e ecossistemas [11].

Um dos componentes básicos para avaliar a segurança de um nanomaterial é a avaliação de risco toxicológico que pode ser mensurado pela seguinte relação: Risco ∝ Toxicidade x Exposição. Portanto, a caracterização do perigo (toxicidade) e das condições de exposição são fundamentais para a identificação do risco toxicológico. Desse modo, pode-se prever que, se um nanomaterial é extremamente perigoso (por exemplo, apresentando um grau elevado de toxicidade pela via inalatória), mas a exposição a este nanomaterial por essa via considerando uma concentração realística (ambientalmente relevante) é improvável, seu risco toxicológico será extremamente baixo. Ou seja, a chance de uma intoxicação ou manifestação de efeitos nocivos ocorrer nesta condição é (quase) impossível - mesmo para um nanomaterial extremamente tóxico [12,13]. A nanotoxicologia está focada em estudar o perigo dos nanomateriais, o qual pode ser mensurado por valores/indicadores precisos e inequívocos de toxicidade (e.g., LC₅₀, ED₅₀, IC₅₀, NOAEL, etc.) para os diferentes tipos de materiais nanométricos, sejam eles inorgânicos, poliméricos, de carbono, biológicos e/ou híbridos. Esses valores/indicadores são comumente obtidos por meio da utilização de modelos biológicos in vitro e in vivo e são baseados em biomarcadores e bioindicadores da exposição. Utilizando estas informações de toxicidade e exposição, os pesquisadores, gestores e tomadores de decisão envolvidos com nanossegurança obtém respaldo para desenvolver um conjunto de medidas capazes de garantir a segurança ambiental, ocupacional e sanitária de toda cadeia de valor e ciclo de vida dos nanomateriais por meio de ferramentas que preveem, prescrevem e proscrevem o desenvolvimento de produtos e processos nanotecnológicos [14].

"Utilizando estas informações de toxicidade e exposição, os pesquisadores, gestores e tomadores de decisão envolvidos com nanossegurança obtém respaldo para desenvolver um conjunto de medidas capazes de garantir a segurança ambiental, ocupacional e sanitária de toda cadeia de valor e ciclo de vida dos nanomateriais."

Considerando a enorme diversidade de nanomateriais disponíveis atualmente, tanto comercialmente como em fase laboratorial, é muito difícil generalizar sobre toxicidade, riscos e segurança. Um exemplo de destaque são os materiais a base de grafeno que apresentam aplicações bastante diversificadas em eletrônica, sensores, compósitos, catalisadores, membranas, transporte de fármacos e antígenos, fertilizantes, remediação ambiental, entre outros [15]. O óxido de grafeno pode ser sintetizado em larga escala por processos de exfoliação e oxidação química a partir do grafite mineral, considerado pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI) do Brasil um material estratégico, dado que o país possui uma das maiores reservas de grafite do mundo [16]. Uma das características que tornam o óxido de grafeno promissor para diversas aplicações é que ele apresenta excelente capacidade de dispersão em água em decorrência da adição de grupamentos oxigenados em sua superfície e extremidades durante o processo de oxidação. Alguns estudos demonstraram que a exposição ao óxido de grafeno pode ocasionar toxicidade em células vermelhas do sangue (hemácias) [17] e ao organismo modelo C. elegans (nematoide) [18,19]. Por outro lado, observou-se que este mesmo material não apresenta toxicidade elevada para células da pele (fibroblastos), bactérias, algas, plantas, microcrustáceos aquáticos (Daphnia) e embriões de peixes (Zebrafish) [20,21]. Outros trabalhos têm reportado que o óxido de grafeno pode causar efeitos negativos sobre o sistema imunológico [22] e induzir danos no DNA de células e tecidos pulmonares de camundongos tanto em modelos in vitro quanto in vivo [23]. Basicamente, a gravidade dos efeitos tóxicos desse nanomaterial varia conforme a via de administração, a dose a ser administrada, o método de síntese e suas propriedades físico-químicas [24].

Todavia, também se discute na literatura que alguns fenômenos importantes que ocorrem na "nanobiointerface" durante a avaliação toxicológica precisam ser considerados, visto que nanomateriais são altamente reativos e sofrem transformações no microambiente biológico com fortes implicações na sua toxicidade [25]. É relevante mencionar, por exemplo, que a modificação da superfície do óxido de grafeno com biomoléculas como a proteína albumina (formação de corona proteica) pode reduzir drasticamente sua toxicidade para hemácias e C. elegans. A presença de matéria orgânica natural também pode modular aspectos de estabilidade coloidal e efeitos ecotoxicológicos do óxido de grafeno [20]. Dentro de um contexto de interações ambientais e toxicologia de misturas, o óxido de grafeno pode interagir com metais pesados (como cádmio e chumbo) potencializando os efeitos tóxicos destes poluentes sobre peixes [26]. Por outro lado, a toxicidade do cádmio para o microcrustáceo aquático Daphnia magna foi mitigada pelo óxido de grafeno, indicando que precisamos investigar a interação dos nanomateriais com metais pesados na direção de abordar cenários de exposição ambientalmente realísticos [27]. Ao estudar os impactos do descarte e transformações químicas do óxido de grafeno, notamos que um produto químico comumente utilizado para desinfecções e limpezas em geral (água sanitária) é capaz de degradar esse material, gerando pequenos fragmentos de carbono e eliminando totalmente sua toxicidade frente ao organismo modelo C. elegans [18]. Esse exemplo ilustra bem como é ainda necessário avançar no desenvolvimento de metodologias para reciclagem e descarte aquedado de produtos nanotecnológicos.

"Apesar do avanço significativo nos últimos anos, até o presente momento não existe uma legislação global específica ou unificada, e assim os nanoprodutos são registrados em cada país de modo diferente, sendo cada situação avaliada individualmente."

Esperamos que estes exemplos relatados com o óxido de grafeno evidenciem a diversidade de respostas toxicológicas e complexidade das interações nano-bio-eco envolvendo um mesmo tipo de nanomaterial, e reforce a importância dos estudos integrados tendo em vista o ciclo de vida dos materiais [25]. Para isto, é imperativo que os estudos sejam pautados na clássica relação Risco ∝ Toxicidade x Exposição, onde concentração/dose do nanomaterial e duração/tempo de exposição associado com as diferentes vias de exposição e tipos de organismos são variáveis determinantes para evitar extrapolações simplistas ou mesmo interpretações equivocadas dos trabalhos publicados. Nessa direção, reforçamos a importância da educação continuada, capacitação e comunicação científica em nanotoxicologia e nanossegurança para promoção das nanotecnologias, desenvolvimento nacional e prosperidade [28].

Normatização e regulação de nanoprodutos

Diversas iniciativas têm sido desenvolvidas visando inserir os materiais em nanoescala nos processos regulatórios existentes para substâncias químicas tradicionais. Contudo, os esforços para harmonizar a regulamentação dos nanomateriais e o impulso para aumentar a transparência em relação às informações sobre eles remontam mais de uma década. Apesar do avanço significativo nos últimos anos, até o momento não existe uma legislação global específica ou unificada, e assim os nanoprodutos são registrados em cada país de modo diferente, sendo cada situação avaliada individualmente (caso-a-caso) [29]. Na Europa, a legislação em vigor - Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (REACH) - exige que as empresas que produzam ou importem substâncias químicas em quantidade igual ou superior a uma tonelada por ano as registrem em uma base de dados central. Desde 2018, um anexo regulamenta que nanomateriais ou misturas destes devem ser adicionalmente identificados e caracterizados como parte do registro; nesse deve-se fornecer informações sobre volume de produção, uso e manuseio seguro, bem como o tamanho, forma e detalhes sobre suas propriedades superficiais. Embora haja melhorias contínuas em direção a uma regulamentação harmonizada em toda a União Europeia e Espaço Econômico Europeu, alguns países iniciaram esquemas nacionais de publicação de relatórios adicionais (França, Bélgica, Dinamarca, Suécia, Noruega) [29]. O Reino Unido tem participado das discussões, especialmente no campo ocupacional. Desta forma, foram elaborados guias com recomendações básicas para proteger a saúde do trabalhador das empresas e universidades [30]. Seguindo a abordagem europeia, a China exige que as empresas devem se registrar no Centro de Produtos Químicos do Ministério da Proteção Ambiental antes da fabricação ou importação de novos produtos químicos. É importante destacar que, no início, as autoridades chinesas não quiseram implementar nenhuma medida para que a avaliação de nanossegurança não se tornasse uma barreira comercial. Entretanto, o governo chinês revisou os regulamentos incorporando requisitos de avaliação e gerenciamento de risco e submissão semelhantes ao REACH [31].

Os resultados conflitantes obtidos em diferentes laboratórios também destacam a necessidade urgente de desenvolvimento de materiais de referência, procedimentos operacionais padrão, boas práticas laboratoriais e implantação de sistema de gestão da qualidade nos laboratórios e empresas envolvidas com nanomateriais. Está em andamento um projeto tecnológico que visa estimular a integração entre academia, indústria e reguladores para desenvolver e estabelecer procedimentos e normas técnicas para caracterização e certificação de produtos da nanotecnologia. Este projeto é coordenado pelo INMETRO e executado em parceria com os Laboratórios do Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologias (SisNANO/MCTI), como o Laboratório Nacional de Nanotecnologia [41]. Vale destacar as atividades em andamento na Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), onde há uma comissão de estudos especiais ativa (CEE-089) composta por equipes multidisciplinares e multi-institucionais voluntárias que estão discutindo e elaborando normas técnicas para área de nanotecnologia no Brasil [42]. Todas essas informações e documentos serão cruciais para suportar a tomada de decisão por parte das empresas, indústrias e reguladores. Além disso, ajudarão a responder questões levantadas pelo público em geral, reduzir incertezas que limitam os investimentos em novas tecnologias e evitar futuros passivos para empreendimentos comerciais.

"Adotar de maneira proativa estudos integrados de ciclo de vida durante o desenvolvimento inicial de um novo nanomaterial é uma questão-chave para melhor compreender seus benefícios e riscos."

Informática aplicada em nanossegurança

Devido ao crescente número de nanomateriais e enorme diversidade físico-química, é impraticável testar a toxicidade de todos os tipos de nanomateriais em desenvolvimento. Contudo, esse processo exigiria grande volume de recursos humanos especializados e infraestrutura laboratorial, além de tempo e elevados custos. Uma solução para tal fato seria a parceria com grupos de pesquisa e especialistas visando a utilização de ferramentas computacionais e de tecnologia da informação para estudo e modelagem de nano-bio-eco interações [43,44]. Esses artifícios ajudariam a prever a toxicidade ou biocompatibilidade dos materiais (chamada de toxicologia preditiva), reduzindo custos e tempo, e consequentemente acelerando a inovação nanotecnológica [45,46]; além de ajudarem a identificar mecanismos comuns de toxicidade e agrupar/classificar nanomateriais.

De fato, algoritmos são capazes de tratar uma grande quantidade de dados, possibilitando obter correlações entre a estrutura e composição dos nanomateriais e a predição de seus efeitos toxicológicos (relação estrutura-toxicidade) com base em bioindicadores e biomarcadores de exposição [47-49]. Neste ponto, o emprego de tecnologias ômicas de alto desempenho serão importantes para elucidar alvos bioquímicos-moleculares e alterações de vias metabólicas diretamente envolvidas na resposta aos nanomateriais [49]. Para tanto, é estratégico e prioritário avançarmos na aplicação do conceito de FAIR data (Findability, Accessibility, Interoperability and Reusability), na criação de banco de dados, no desenvolvimento de métodos de machine learning e inteligência artificial em nanotoxicologia e nanossegurança [50] (Figura 3).

A nomenclatura e ontologia para nanomateriais é um aspecto crítico; para suprir essa lacuna, um projeto vinculado ao Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS) está em andamento [51]. Este projeto tem por objetivo estabelecer uma identificação única para cada tipo de nanomaterial seguindo recomendações da International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), facilitando assim, a anotação em bancos de dados estruturados e o desenvolvimento de modelos computacionais mais robustos que permitirão uma abordagem de sistemas de informação e ciência intensiva de dados capaz de identificar e predizer efeitos toxicológicos de nanomateriais e derivados, bem como seus potenciais riscos e impactos ambientais [47,48].

Conclusões e perspectivas

O estudo e engenharia de materiais em nanoescala é uma excelente oportunidade para geração de novos produtos e tecnologias em setores estratégicos como saúde, energia, eletrônica, materiais avançados, agricultura e ambiente, entre outros. Contudo, a avaliação da segurança química de um nanomaterial é essencial para garantir que a sua produção e aplicações prosperem, sem provocar impactos negativos aos trabalhadores, consumidores e ao meio ambiente. Idealmente, cada estágio da vida de um nanomaterial deve ser otimizado considerando os três pilares da sustentabilidade - ambiental, social e econômico. Essas iniciativas visam abordar aspectos de segurança e sustentabilidade de um novo produto desde seu estágio inicial até o final (safe and sustainable by design), evitando assim, processos de desintoxicação, remediação e descontaminação devido o surgimento de efeitos deletérios e/ou nocivos para saúde humana e ambiental.

Consideramos que adotar de maneira proativa estudos integrados de ciclo de vida durante o desenvolvimento inicial de um novo nanomaterial é uma questão-chave para melhor compreender seus benefícios e riscos. Essa é uma atitude especialmente importante para que pesquisadores, empresas, sociedade civil, agências reguladoras e tomadores de decisão tenham condições para proativamente maximizar benefícios e minimizar riscos das nanotecnologias.

Em vários países, e no Brasil, está em andamento a elaboração de normas técnicas específicas para nanotecnologia, nanotoxicologia e nanossegurança: essas normas são fundamentais para permitir o desenvolvimento econômico do setor em harmonia com a preservação da vida e do meio ambiente. Acreditamos que o setor deve estimular o uso de equipamentos modernos e metodologias computacionais robustas, incluindo cadernos eletrônicos de laboratório, banco de dados compartilhados e intensivo uso de inteligência artificial. Essas ferramentas, orientadas para a predição da toxicidade e a avaliação de riscos de nanomateriais, irão certamente acelerar o desenvolvimento de novos produtos, processos e tecnologias para uma inovação sustentável.

Agradecimentos

Os autores agradecem: Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologias (SisNANO/MCTI), Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Materiais Complexos Funcionais (INCT-Inomat), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

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