Az élelmiszerekben található nano-szerkezetű szilícium-dioxid-adalékanyagok biztonsági értékelésének kritikai áttekintése

Hans Christian Winkler

Farmakológiai és Toxikológiai Intézet, Zürich-Vetsuisse Egyetem, Winterthurerstrasse 260, 8057 Zürich, Svájc

Mark Suter

Immunológiai osztály, Vetsuisse Kar, Zürichi Egyetem, Winterthurerstrasse 260, 8057 Zürich, Svájc

Hanspeter Naegeli

Farmakológiai és Toxikológiai Intézet, Zürich-Vetsuisse Egyetem, Winterthurerstrasse 260, 8057 Zürich, Svájc

Absztrakt

Háttér

Az Európai Bizottság ajánlása szerint a nanoanyagok 100 mm-t meg nem haladó dimenzióval rendelkeznek [6]. Nincs azonban megalapozott tudományos alap a szigorú mérethatár javaslására, és a „nano” előtag nem teszi az anyagot automatikusan ártalmassá. Mindazonáltal a nano-méretarány megváltoztatja az anyag jellemzőit, összehasonlítva a nagyobb részecskékkel vagy ugyanazzal az anyaggal oldott állapotban. A nano méretű anyagok megnövekedett felület-tömeg arányt mutatnak, ami fokozza reakcióképességüket a nagyobb szerkezetekhez képest [7, 8]. Ezenkívül a nano méretű részecskék könnyen behatolnak az ép sejtmembránokba, ezáltal lehetőséget nyújtanak az emberkereskedelemre a biológiai akadályokon, beleértve a gyomor-bél traktus hámját is [9–13]. Eddig a nanorészecskék egészségügyi hatásait elsősorban a légzésfelvétel kapcsán vizsgálták [14]. Figyelembe véve az élelmiszerekkel kapcsolatos széles körű felhasználásukat, sürgősen felül kell vizsgálni az orális toxicitási és kockázatértékelési tanulmányok alkalmasságát, amelyek a nanostrukturált szilícium-dioxid hosszú távú biztonságával foglalkoznak.

Szintetikus amorf szilícium-dioxid

A szilícium (Si) egy metalloid, amelynek atomtömege 28. A „szilícium” és „szilícium-dioxid” kifejezések a szilícium-dioxidból (SiO2) álló, természetben előforduló vagy antropogén anyagokra utalnak, amelyek két fő formában jelennek meg: kristályos és amorf . A szintetikus amorf szilícium-dioxidot (SAS) széles körben alkalmazzák a feldolgozott élelmiszerekre, és az EU mint élelmiszer-adalékanyagot nyilvántartja E 551 kóddal [15]. Az élelmiszeriparban a SAS-részecskék fő célja a gyenge áramlás vagy a „csomósodás” megelőzése, különösen a porított termékeknél. A SAS részecskéket emellett paszták sűrítőjeként vagy ízhordozóként, valamint az italok tisztázására és a habzás szabályozására is alkalmazzák [16–18].

A szilícium-dioxid részecskék nagy mennyiségben léteznek a természetben, és elismert tény, hogy ezek az étrend alkotóelemei voltak az emberi evolúció során. A szilícium-dioxid kockázatértékelése, amelyet ebben az áttekintésben tárgyaltunk, azonban csak az élelmiszer-adalékanyagként bevitt mesterséges anyagokra korlátozódik. 1942-ben Harry Kloepfer (a Degussa, jelenleg Evonik kémikusa) feltalálta az Aerosil eljárást az élelmiszeripar számára szánt SAS-részecskék előállítására [19, 20]. Egy szokásos pirogén eljárást, más néven lánghidrolízist követően a szilícium-tetrakloridot hidrogénlángban elégetik 1000–2500 ° C hőmérsékleten, így szilícium-dioxid-nano-részecskék keletkeznek

10 nm [21]. Ezt az anyagot pirogén vagy füstölt szilícium-dioxidnak jelöljük, a fenti előállítási módszerre utalva. A szintézis egy alternatív nedves útján vízben oldott és kénsavval reagált alkálifém-szilikátokból nanostrukturált SAS-részecskéket állítanak elő kicsapott kovasavként, szilikagélként vagy vizes szilícium-dioxidként. Az EU-ban csak ezen pirogén vagy nedves eljárásokkal nyert szintetikus részecskék engedélyezettek élelmiszer-adalékanyagként [15]. Minden SAS termék 100 nm nagyságrendű nagyobb részecskékké aggregálódik, amelyek tovább agglomerálódva mikron méretű struktúrákat képeznek [14, 22]. Az „aggregátum” kifejezés olyan részecskék összességét írja le, amelyeket erős erők, például kovalens vagy fémes kötések tartanak össze. A részecskék „agglomerátumai” gyenge erők, például van der Waals-i kölcsönhatások, hidrogénkötések, elektrosztatikus vonzerők vagy felületi feszültségek által tapadó adottságai következtében jelennek meg. A SAS anyagok hidrofilek, de hidrofóbá tehetők, ezáltal csökkentve a nedvességfelvételüket a későbbi felületi módosításokkal.

Orális toxicitási vizsgálatok SAS részecskék felhasználásával

Az SAS részecskék orális biztonságával foglalkozó állatkísérletek összefoglalóját az Európai Vegyi Anyagok Ökotoxikológiai és Toxikológiai Központja (ECETOC) [23], újabban pedig a Gazdasági Együttműködési és Fejlesztési Szervezet (OECD) [24] tette közzé. ]. Nem okoztak mortalitást vagy káros jeleket a hidrofil SAS-részecskék egyszeri orális beadása rágcsálóknak, legfeljebb 5000 mg/testtömeg-kg dózisban. Szubakut (28 napos) vizsgálatot végeztek hidrofil SAS részecskék szájon át történő adagolásával Wistar patkányoknak. A napi adagok 100 és 1000 mg/testtömeg-kg között változtak. A megfigyelt végpontok (klinikai tünetek, ételfogyasztás, testtömeg, viselkedéstesztek, hematológia, klinikai kémiai paraméterek, szervek súlya, makroszkopikus patológia és szövettani vizsgálatok) egyike sem mutatott ki anyagokkal kapcsolatos rendellenességeket [25].

Asztal 1

Szájon át végzett, ismételt dózisú toxicitási vizsgálatok amorf szilícium-dioxiddal, májhatást eredményezve

FajTanulmány hosszaEhatásLOAELNOAELReferencia

Wistar patkányok	5–8 hét	Máj atrófia	1000 mg/testtömeg-kg naponta	500 mg/testtömeg-kg naponta	[29, 30]
Balb/c egerek	10 hét	Kövér máj	1500 mg/testtömeg-kg naponta	NA	[31]
Sprague – Dawley patkányok	12 hét	Periportalis májfibrózis	Napi 810 mg/testtömeg-kg	NA	[32]
Fischer patkányok	103 hét	Csökkentett májsúly	1000 mg/testtömeg-kg naponta	500 mg/testtömeg-kg naponta	[33]

A részecskék bejuttatása a takarmányba történő felvétel útján történt. Ez a táblázat olyan LOAEL (legalacsonyabb megfigyelt káros hatásszint) és NOAEL (nincs megfigyelt káros hatás szint) értékeket javasol, amelyek eltérnek a korábbi kockázatértékelési jelentésekben állítottaktól. Más orális, ismételt dózisú vizsgálatok [25–27] nem váltottak ki káros hatásokat

2. táblázat

Patkányokon végzett SAS részecskékkel végzett krónikus toxicitási vizsgálat vázlata

Hetek etetés0515305081103

Testtömeg (g)	108 ± 6	174 ± 9	223 ± 11	253 ± 10	310 ± 18	364 ± 26	359 ± 56
Takarmányfelvétel (g/nap)	11,1 ± 0,4	10,4 ± 0,4	10,2 ± 0,5	11,9 ± 0,8	13,2 ± 0,8	12,7 ± 2,7
SAS bevitel (g/testtömeg-kg/nap)	3.2	2.3	2.0	1.9	1.8	1.8

A Fischer patkányok orális krónikus toxicitási vizsgálatának összesített adatai [33]. Ez a táblázat a testtömeg, a takarmányfelvétel és a napi dózis közötti összefüggést szemlélteti a legmagasabb dózisú csoportba tartozó nőknél, ahol a takarmányt 5 tömeg% SAS részecskékkel egészítették ki. A tényleges takarmánybevitel alapján korrigálva a SAS részecskék napi dózisa 1,8 és 2,0 g/testtömeg-kg között volt a vizsgálati időszak nagy részében

Összefoglalva, a rágcsálókon végzett, szájon át végzett, ismételt dózisú vizsgálatok kritikus elemzése feltárja az adatok hiányosságait és bizonytalanságait, amelyek korlátozzák prediktív értéküket az emberi étrendi expozíció kockázatértékeléséhez. Néhány tanulmány az összetétel, a szennyeződések vagy a fizikai-kémiai tulajdonságok szempontjából rosszul jellemzett részecskéken alapult, és a legtöbb jelentésből hiányzott a részecskeméret-eloszlás értékelése.

Orális biohasznosulás és szisztémás eloszlás

A SAS-nak kitett állatok lépében 300 mg/kg szövetet találtunk fiziológiai háttérrel a kimutatási határ alatt). Szájon át történő felvételt követően eddig nem találtak SAS-részecskéket a mesenterialis nyirokcsomókban vagy bármely más szervben, ezért nem világos, hogy a megfigyelt szilícium-maradványok részecske formában vagy inkább oldott állapotban vannak-e, például ortoszilinsavként.

Egy másik kulcsfontosságú kérdés, amelyet a biológiai hozzáférhetőség és a szisztémás eloszlás tekintetében még nem vizsgáltak, a nanorészecskékhez kötött biomolekulák felületi tulajdonságainak megváltoztatása [38]. Különösen ismert, hogy a SAS nanorészecskéket fehérjék, például fibrinogén vagy apolipoprotein A1 díszítik, amint kapcsolatba kerülnek biológiai folyadékokkal [39]. A „fehérje korona” kifejezést azért vezették be, hogy leírják a plazmafehérjék kapcsolódását a nanorészecskék felületéhez [40, 41]. Ennek a koronának az egyik lehetséges hatása, hogy közvetíti a nano-részecskék felvételét a sejtekbe és szervekbe, beleértve a májat is, így befolyásolja a biológiai hozzáférhetőséget és a szövetek eloszlását [42].

Emberi expozíció

Annak érdekében, hogy reális étrendi expozíciós értékeket szerezzen egy európai lakosság számára, Dekkers és munkatársai [18] a helyi szupermarketből kiválasztottak élelmiszereket (készételek, levesek, szószok, kávékrémek, palacsintakeverékek, ételízesítők és kiegészítők) a E 551 jelenléte. Ezután a teljes szilícium-dioxid-koncentrációt ezekben a termékekben induktívan kapcsolt plazma atomiemissziós spektrometriával (ICP-AES) határoztuk meg. Ezután egy holland élelmiszer-fogyasztási felmérés alapján kiszámították ezen termékek lakossági étrendi bevitelének becsléseit. A becsült fogyasztás és a szilícium-dioxid szintje alapján a napi étrendi bevitel 9,4 mg SAS részecske volt testtömeg-kilogrammonként. Ez a teljes napi mennyiség magában foglalja az összes SAS részecskét, tekintet nélkül az aggregáció mértékére vagy az agglomerációra. Hidrodinamikai kromatográfia induktívan kapcsolt plazma tömegspektrometriával (HDC-ICPMS) azt mutatta, hogy

Az élelmiszerekben kimutatott SAS-részecskék 40% -ának külső átmérője 2). Hasonlóképpen, az alacsonyabb, 1,25, illetve 2,5% -os befogadási arány a napi orális dózisnak felel meg, ami kb. 0,5, illetve 1 g/kg. Összefoglalva, a tanulmány tervezésének és az eredmények értelmezésének számos hiányossága csökkenti a rágcsálókban rendelkezésre álló egyetlen rendelkezésre álló hosszú távú biológiai vizsgálat kiszámíthatóságát, amely a SAS részecskék orális biztonságával foglalkozik.

Lehetséges lokális hatások a gyomor-bél traktusban

Az azonosított, aggodalomra okot adó veszélyek jellegétől függően előfordulhat, hogy a kanonikus kockázat-jellemzést ki kell egészíteni olyan végpontokkal, amelyeket a vegyi anyagok toxikológiai értékelése rutinszerűen nem értékel. Például egy nano-trójai ló hipotézist már korábban javasoltak, figyelemmel arra a megállapításra, hogy Co3O4 vagy Mn3O4 nano-részecskéknek kitett emberi tüdő hámsejtekben a reaktív oxigénfajok (ROS) képződése nagyobb volt, mint a ekvivalens koncentrációjú oldott kobalt- vagy mangán-só [10]. Ugyanígy elképzelhető, hogy a luminalis antigének SAS-részecskékhez való kötődése elősegítheti a gyomor-bél traktus reaktív sejtjeibe történő bejuttatásukat. E tekintetben külön megjegyezzük, hogy a fentiekben felülvizsgált vizsgálatok egyike sem vizsgálta a gyomor-bélrendszer nyálkahártyájának nyirokszövetére gyakorolt helyi hatásokat. A ROS termelés kiváltása helyett a SAS részecskék szerepet játszanak a gyulladásgátló citokinek felszabadulásában (lásd alább).

Bár az immunrendszer feladata a gazdaszervezet védelme az invazív kórokozókkal szemben, az egyensúlyi állapotban lévő gyomor-bél traktus az immunrendszer elnémítására vagy toleranciájára irányul, hogy elkerülje az ártalmatlan ételantigénekre és a jótékony kommenzális mikroorganizmusokra adott hiábavaló reakciókat [48, 49]. Orális expozíció után az idegen részecskék egyetlen réteg nyálkahártyával találkoznak, amely az emésztőrendszert béleli. Ezt a nagy sérülékeny felületet a bélhez kapcsolódó lymphoid szövet védi, amely lazán szervezett limfoid sejtekből álló csoportokból és szervezettebb Peyer-foltokból áll. A nanorészecskék, köztük a szilícium-dioxidból készült részecskék, behatolnak ebbe a hámgát mögött álló nyirokszövetbe [50–53], ahol megzavarhatják az ártalmatlan élelmiszer-alkotórészekkel szembeni tolerancia és egyrészt a kórokozókkal szembeni gyulladásos reakciók közötti kritikus egyensúlyt. másrészt [54, 55]. A Peyer-foltok specifikus elemzését nem említik a rágcsálókon rendelkezésre álló szubkrónikus és krónikus toxicitási vizsgálatok, ezért nem lehet megbizonyosodni arról, hogy a bélhez kapcsolódó limfoid rendszer késleltetett helyi hatásait megfelelően kizárták-e.

Kimutatták, hogy az endotoxinnal aktivált dendritikus sejtek SAS nanorészecskékkel történő inkubáláskor felszabadítják a hatásos gyulladásgátló citokin interleukin-1β-t (IL-1β) [68]. Mechanikusan ez a válasz összekapcsolódott a gyulladásos komplex aktiválásával, amely viszont hasítja a pro-IL-1β prekurzor fehérjét az aktív IL-1β felszabadítására. Ennek a megállapításnak a figyelembevételével kulcsfontosságú lesz annak meghatározása, hogy az olyan stabil állapotú dendritikus sejtek, mint a normális, nem gyulladásos bélnyálkahártyában találhatóak, hogyan reagálnak az élelmiszer által szállított SAS részecskék jelenlétére. Az IBD többtényezős eredetű, genetikai érzékenységgel, a bél mikroflórájával és a nyálkahártya immunrendszerének működési zavarával, mint fő mozgatórugóval [60]. Ezenkívül különféle táplálkozási tényezők is szerepet játszanak az IBD növekvő előfordulásában, és számos szerző aggodalmát fejezte ki amiatt, hogy az élelmiszer által szállított nano-részecskék hozzájárulhatnak e krónikus gyulladásos betegség elindításához [69–71]. Az immunrendszer nano-részecskék általi akaratlan stimulálása olyan reakciósort indíthat el, amely eltörli az élelmiszer-alkotórészekkel és a kommenzális baktériumokkal szembeni toleranciát, és ezáltal előnyben részesíti az immunrendszer által közvetített állapotokat az IBD jellemzőivel (áttekintette [72]).

Következtetések

A szerzők hozzájárulása

HCW, HN és MS írta a kéziratot. Minden szerző elolvasta és jóváhagyta a végleges kéziratot.

Köszönetnyilvánítás

A szerző laboratóriumában végzett kutatásokat a „Nanoanyagok lehetőségei és kockázatai” nemzeti kutatási program 406440-141619 támogatása és az FK-15-053 támogatás adta a Zürichi Egyetem „Forschungskredit” támogatásával.