Introducción

Una nanopartícula (NP) es un material de composición variable, cuyo tamaño está entre 1 y 100 nanómetros (nm) de diámetro. El prefijo griego “nano” significa “enano” y en el campo de la ciencia se refiere a estructuras que miden la mil millonésima parte de un metro (1 nm = 1x10^-9 m) o a la millonésima parte de un milímetro (1 nm = 1x10^-6 mm) (figura 1). La nanotecnología es la disciplina que estudia la materia a nanoescala para comprender sus propiedades físicas y químicas, así como en el avance del diseño, síntesis manipulación y aplicaciones de estos materiales ^[1]. Las NPs son extremadamente pequeñas y para observarlas se requieren microscopios de alta resolución, como son el electrónico de transmisión (TEM) o el electrónico de barrido (SEM) ^[1, ^2]. Las NPs se generan de manera natural en el polvo de arena de los desiertos, en sustancias químicas formadas por el plancton oceánico, incendios o como resultado de procesos geológicos (volcanes, fumarolas), etc. ^[3]. En áreas urbanas, se originan principalmente de manera no intencional en procesos de combustión por vehículos de motor y en el desgaste de las llantas o frenos. Aquí, las NPs se acumulan en las banquetas y calles en cantidades hasta diez veces mayores que las concentraciones naturales (o de fondo) ^[4]. Otra fuente de NPs no intencional es la construcción. En este caso, existen NPs esféricas de TiO₂ y Fe₃O₄ (magnetita), nanotubos de carbono y un enriquecimiento especialmente mayor de metales y metaloides (As, Co, Cr, Cu, Hg, Fe, Sn y Ta) en NPs en relación con partículas más grandes ^[5]. Adicionalmente, algunas características fisicoquímicas de las NPs son muy atractivas para la industria. En este sentido, se han desarrollado métodos novedosos de síntesis tales como, sol-gel, hidrotermal y coprecipitación ^[6]. Estos métodos consisten en procedimientos y reacciones químicas controladas, con el objetivo de fabricar NPs intencionalmente para su incorporación en algunos productos. Por ejemplo, en lácteos como leches bajas en grasa, sustitutos de crema para café, polvos para preparar aguas saborizadas, dulces y confitados, con la intención de darles una apariencia más atractiva. Además, se han incorporado en productos de cuidado personal tales como champús estimulantes del crecimiento del cabello, pastas dentales con NPs de plata antibacterianas, cremas para la piel elaboradas con NPs de oro "energizantes y desintoxicantes", y maquillaje de "alta duración" ^[7]. En el caso de los protectores solares, se incluyen NPs de dióxido de titanio u óxido de zinc porque bloquean eficazmente la luz ultravioleta, pero se han suscitado algunas dudas sobre su toxicidad ^[8]. En efecto, algunos de estos nanomateriales pueden suponer riesgos para la salud humana y el medio ambiente ^[9]. El uso de estos productos conlleva el riesgo de exposición directa; además, las NPs pueden ingresar al sistema de alcantarillado y después al medio ambiente como efluente tratado descargado a aguas superficiales o a tierras agrícolas. Así pues, la contaminación por NPs es un problema mundial que ha recibido y recibirá atención por parte de la comunidad científica.

Figura 1: Escala de tamaño de las NPs. Un cabello humano tiene un diámetro aproximado de 50 a 70 micrómetros (un micrómetro, o micra, es la milésima parte de un milímetro). Las partículas se clasifican según su diámetro aerodinámico como PM₁₀ (partículas entre 2.5 y 10), PM_2.5 (partículas menores a 2.5 micras), PM₁ (partículas menores a 1 micra) y como PM_0.1 (partículas menores a 100 nm), también denominadas NPs.  

Implicaciones en la salud humana

Las NPs pueden ingresar al cuerpo humano a través de tres vías de exposición, la más importante es el tracto respiratorio. A medida que el aire pasa a través de la nariz pueden depositarse en las vías respiratorias y en los pulmones. Otra vía de ingreso es la ingestión directa; como se mencionó antes, es posible que algunos alimentos procesados contengan NPs incorporadas durante el proceso de elaboración para mejorar sus características. La tercera vía de exposición y menos probable es la cutánea. Las NPs pueden almacenarse en los folículos pilosos y las glándulas sudoríparas y posteriormente ser internalizadas por las células de la epidermis ^[10, ^11]. A partir de estos mecanismos de entrada, las NPs pueden transportarse fácilmente entre diferentes tejidos y luego trasladarse al sistema circulatorio, y consecuentemente, a otros órganos. Los nanomateriales se distribuyen y acumulan principalmente en el hígado, los riñones, el bazo, el sistema nervioso central, la médula ósea y los ganglios linfáticos ^[1]. La toxicidad de las NPs depende de varios factores, como su persistencia en los órganos y la respuesta biológica del individuo. Asimismo, las NPs de diferentes composiciones químicas siguen distintas vías de absorción y mecanismos para sus respuestas biológicas finales. Estudios previos han reportado la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) provocadas por la exposición a las NPs de TiO₂^[12], ZnO ^[13], CeO₂^[14], Al₂O₃^[15], MnO₂^[16], etc. El desequilibrio entre la producción y la acumulación de ROS conduce a la aparición de estrés oxidativo en células y tejidos vivos ^[17]. Su generación excesiva por factores externos como las NPs también provoca efectos nocivos como la apoptosis (muerte celular programada) e induce daños en el ARN o el ADN ^[18]. Algunos estudios señalan efectos genotóxicos debido a la exposición a las NPs de CeO₂^[14], Ag ^[19], C ^[20], TiO₂^[21], ZnO ^[22], SiO₂ amorfo ^[22], CuSO₄^[23], etc. La genotoxicidad se produce por la interacción directa de las NPs con el material genético, o por daño indirecto debido a la generación de ROS ^[20]. Uno de los factores clave en la interacción con las estructuras vivas es su solubilidad. Las NPs formadas por compuestos solubles demostraron ser citotóxicas debido a su disolución para para liberar iones metálicos. Por ejemplo, las NPs de ZnO son parcialmente solubles para liberar iones de Zn, lo que se ha demostrado como uno de los mecanismos de toxicidad inducida por las NPs de ZnO en células de mamíferos ^[24]. Las NPs de Ag, que pueden conducir a la acumulación de iones Ag, también fueron citotóxicas para las células endoteliales ^[25]. Otro ejemplo son los puntos cuánticos basados en Cd, que pueden liberar iones altamente tóxicos ^[26]. Las otras NPs que no se disuelven o degradan fácilmente persisten en el sistema biológico y provocan una serie de efectos a largo plazo. Las consecuencias de tal acumulación generalmente implican una influencia carcinogénica, efectos mutagénicos o teratogénicos en el organismo ^[27]. Conjuntamente con este hecho, se ha señalado la formación de vesículas como un mecanismo en donde los macrófagos alveolares excluyen a los intrusos tóxicos (fagocitosis) ^[27]. Las NPs de muy baja biosolubilidad como SiO₂, CeO₂, ZrO₂, y asbestos pueden destruir a estas células liberando enzimas y ROS. Esto genera citoquinas inflamatorias y fibróticas, causando daños en el tejido ^[28]. En resumen, se han identificado varios procesos de daño toxicológico, sin embargo, los mecanismos completos que subyacen a ciertos hallazgos toxicológicos aún no se comprenden del todo y siguen siendo objeto de intensa investigación.

Figura 2: Vías de ingesta de NPs para el humano y productos de uso cotidiano que podrían contener NPs. 

Impacto ambiental

La comprensión de la síntesis para la producción de NPs ayuda a eficientizar y minimizar la generación de contaminantes o a reducir sus emisiones a la atmósfera. El uso de las NPs como eje central de las nuevas tecnologías de remediación ambiental posibilita la remoción o reducción de contaminantes en aire, agua y suelo ^[29]. Sin embargo, más allá de la gran cantidad de efectos benéficos, también aparecen nuevos riesgos asociados con las fuentes industriales estacionarias (procesos de combustión) ^[30], las fuentes móviles ^[31] y los nuevos ambientes laborales ^[32]. Además de la alteración de fuentes naturales como el polen y los virus ^[33] que cargados con las NPs al aspirarlas provocan alergias y la diseminación acelerada de algunas enfermedades, respectivamente. La presencia de las NPs en la atmósfera cambia los procesos fotoquímicos afectando, por ejemplo, la nucleación en las nubes ^[34]. Estos cambios climáticos favorecen la migración de las NPs a grandes distancias. Éstas luego se depositan en cuerpos de agua o en suelos generando una contaminación secundaria. Como consecuencia de estos procesos, la población puede exponerse a las NPs ^[35]. Se ha demostrado, mediante estudios ecotoxicológicos, que las NPs tienen efectos negativos sobre los organismos acuáticos unicelulares, pudiendo afectar incluso a los animales acuáticos como crustáceos y peces. Por ejemplo, se ha identificado la citotoxicidad y genotoxicidad en el molusco bivalvo de agua dulce Coelatura aegyptiaca^[36]. También se encontró que la exposición del pez Carpa (Cyprinus carpio) a concentraciones subletales de las NPs de plata le genera lesiones en el intestino y branquias ^[37]. Igualmente, las NPs de ZnO fueron capaces de inducir estrés oxidativo en los músculos de peces tilapia (Oreochromis niloticus) ^[38]. Lo anterior establece la posibilidad de bioacumulación en la cadena trófica, que llega magnificada a los seres humanos ^[39]. La principal vía de exposición de NPs a animales acuáticos es la alimentación, ya que las algas y otras plantas pueden absorberlas en grandes cantidades ^[40]. También es conocido que las NPs afectan el desarrollo de las plantas. Por ejemplo, se reportó que las NPs de Al₂O₃ y TiO₂ perturbaban el crecimiento de las raíces ^[39, ^41]. Además, las NPs de TiO₂ disminuyen la conductividad hidráulica y, por lo tanto, inhiben el crecimiento de las hojas ^[41]. Asimismo, las plantas expuestas a las NPs de CeO₂ mostraron una respuesta negativa el crecimiento y la fisiología ^[42]. Recientemente, Jiang et al. describieron el efecto negativo de las NPs ya que, las partículas más pequeñas que el diámetro de las aberturas de las estomas (10-50 μm) ingresan directamente a la cavidad subestomática generando su obstrucción. En consecuencia, ocurre la disminución del crecimiento y los procesos fotosintéticos, provocando la disminución de la biomasa en entornos urbanos ^[41].

Comentarios finales

En la actualidad existe evidencia de los efectos negativos de los nanomateriales en la salud humana y el ecosistema ^[5, ⁹-¹², ^45]. A pesar del aumento de la investigación, todavía existen lagunas de conocimiento debido a que, hasta la fecha, solamente se dispone de unas pocas técnicas de extracción y análisis para medir la concentración de las NPs en sistemas naturales. Esto resulta en una amplia falta de información sobre sus mecanismos de toxicidad, así como de su presencia en el medio ambiente. Por lo tanto, existe muy poca orientación regulatoria en esta área, algo fundamental para la salud pública. En virtud de la creciente producción de NPs, es inevitable su liberación involuntaria o intencional en el medio ambiente, por lo que se debe prever un plan de evaluación de sus flujos de emisión.

Es muy importante señalar que, además, se necesitan más estudios sobre plantas y diferentes especies de invertebrados marinos y terrestres. Uno de los desafíos es categorizar y priorizar las NPs a los efectos de las evaluaciones de riesgo ecotoxicológico ^[43], para el análisis del ciclo de vida del producto y determinar los puntos potenciales donde estos materiales pueden entrar al medio ambiente. También es necesario desarrollar técnicas y métodos estandarizados para caracterizar las NPs en el medio ambiente ^[44]. Tales investigaciones tendrán una contribución importante asegurando que los nuevos productos que incluyen materiales nanoestructurados se fabricarán de manera segura, aprovechando al máximo su potencial para luego desecharse en una forma adecuada e inocua