Nanocząstki metali szlachetnych w kosmetyce

Aby znaleźć odpowiedź na tak postawione pytanie, należy uściślić podstawowe pojęcia. Nanotechnologie, według klasyfikacji Komisji Europejskiej, odnoszą się do struktur, w których co najmniej jeden wymiar[1] zawiera się pomiędzy 1 a 100 nm (nm równa się10^-9 m)[2]. Oznacza to, że w tej kategorii zawierają się zarówno roztwory koloidalne (nanocząstki rozproszone w fazie ciekłej), jak i powłoki (używane np. do diagnostyki medycznej czy produkcji mikroprocesorów). W kosmetykach dość często używa się nanostruktur srebra; produkty, które je zawierają można znaleźć na półkach niemal każdej polskiej drogerii. Już w 2014 roku SCENIHR[3] wydał opinię dotycząca ich bezpieczeństwa[4]. Było to bardzo ważne, gdyż już w 2015 roku wskazywano ok. 1500 produktów zawierających nanocząstki srebra, których użycie oznaczało ekspozycję ludzi na takie zagrożenie[5]. Opinia SCENIHR wskazała niską toksyczność srebra oraz „nanosrebra”, lecz zaznaczyła także brak danych dotyczących długotrwałej ekspozycji. W 2021 roku została opublikowana opinia[6] SCCS[7] dotycząca nanocząstek złota. Autorzy raportu, na podstawie dostępnych danych, nie byli w stanie stworzyć oceny bezpieczeństwa. Zauważono, że zwiększenie podanej dawki nanostruktur nie powodowało wzrostu ilości nanocząstek złota we krwi, lecz akumulację w różnych organach organizmu. Wykryto je także w mózgu, co dowodzi ich zdolności do przenikania przez barierę krew–mózg.

Kluczowym zagadnieniem dotyczącym użycia wszystkich rodzajów nanostruktur jest zrozumienie ich właściwości. W przypadku kosmetyków najważniejsze są oddziaływania z tkankami oraz patogenami. Aby je scharakteryzować, należy zbadać cztery podstawowe parametry: rozmiar, kształt, powierzchnię oraz stabilność. O ile rozmiar nanoczastek wyraźnie wpływa na właściwości optyczne (rozpraszanie oraz absorpcją światła w przypadku metali szlachetnych), to ma również znaczenie w oddziaływaniu z materiałem biologicznym. Zostało udowodnione, że nanostruktury złota o średnicy 10 nm są zdolne, in vitro, do akumulacji w jądrze komórkowym[8]. Może to sugerować interesujące zastosowania, jako nośnika substancji aktywnych, lecz zarazem podnosi kwestię mutagenności produktów go zawierających. W przypadku kształtu, obecne technologie bottom-up (polegające na tworzeniu nanocząstek przez ich „wzrost”) umożliwiają niemal nieograniczone możliwości – od kulek, poprzez pręty, „puste” sześciany, po „gwiazdy”[9], [10], [11]. Forma nanoobiektów ma ważny wpływ na zdolność np. do przenikania błon komórkowych[12] Synteza struktur o bardziej złożonej geometrii wymaga lepszej kontroli środowiska reakcji oraz droższych reagentów, co ogranicza ich zastosowania przemysłowe (kwestią problematyczną jest również powtarzalność syntez). Powierzchnia nanocząstek, a właściwie zaabsorbowane na niej związki, posiada kluczowe znaczenie dla właściwości biologicznych oraz wiąże się ze stabilnością/odpornością na agregację. Najlepszą metodą otrzymania stabilnych roztworów koloidalnych jest uzyskanie naładowanych elektrycznie nanostruktur[13]. W przypadku złota oraz srebra można to łatwo otrzymać poprzez dodanie surfaktantów. Inne rozwiązanie polega na wykorzystaniu elektrostatycznych wiązań, które tworzą się pomiędzy tymi metalami a grupami aminowymi/tiolowymi. Jeśli grupy te terminują niewielką cząsteczkę, przy odpowiednio wysokim stężeniu, uzyskuje się SAM (ang. self-assembled monolayer): układ zawierający przestrzennie zorientowane, ściśle „przylegające” do siebie cząsteczki zdeponowane na powierzchni nanostruktury[14]. W ten sposób można zmieniać charakter nanoobiektów (np. hydrofilowość/hydrofobowość), a także mechanizm oddziaływania z organizmem[15] (przyłączenie polietylenu glikolowego[16], [17] jest standardową strategią powodującą zmniejszenie ilości białek osadzających się na nanocząstkach podczas przebywania w płynach ustrojowych).

Co „oferują” nanocząstki złota i srebra w formulacjach kosmetycznych? Przede wszystkim umożliwiają wykorzystanie unikalnych mechanizmów mikrobójczych[18]. Nanocząstki srebra uwalniają jony, które wykazują się powinowactwem do białek zawierających siarkę oraz adhezją do błon komórkowych i cytoszkieletu. Interakcje z błonami umożliwiają zwiększenie ich przepuszczalności[19]. Po wniknięciu do cytoplazmy jony srebra mogą deaktywować enzymy biorące udział w oddychaniu komórkowym, co skutkuje zwiększeniem stężenia ROS (ang. reactive oxygen species)[20] oraz zmniejszeniem generacji ATP. ROS są zdolne do dezintegracji błon komórkowych oraz modyfikacji DNA. Oprócz tego, jony srebra w cytoplazmie m.in. utrudniają replikację DNA oraz syntezę białek (poprzez denaturację rybosomów). Same nanocząstki również mają udział w dezintegracji komórek – po adhezji do błony tworzą się w takich miejscach wgłębienia, które mogą doprowadzić do przerwania jej ciągłości. Później, w cytoplazmie, nanoobiekty wiążą się z cytoszkieletem, prowadząc do rozerwania organelli komórkowych. Kluczowa dla efektywności mikrobiologicznej nanocząstek srebra jest przede wszystkim efektywność ich roztwarzania – dla takiego celu najlepiej nadają się struktury sferyczne. W przypadku „nanozłota” mechanizmy związane z uwalnianiem jonów nie mają zastosowania[21]. Nanocząstki złota efektywnie oddziałują z błoną komórkową[22], utrudniają syntezę ATP i zwiększają stężenie ROS w cytoplazmie. Poza tym wpływają negatywnie na rybosomy. Podobnie jak w przypadku nanocząstek srebra, bardziej narażone na ich działanie są bakterie Gram-ujemne. „Nanozłoto” znalazło zastosowanie kosmetyczne jako katalizator biologicznej syntezy kolagenu[23]. Zastosowanie do przeciwdziałania procesu starzenia się skóry było związane z kontrowersjami, ponieważ niektóre badania wskazywały negatywne efekty[24]. Niemniej, liczba kosmetyków przeciwstarzeniowych zawierających „nanozłoto” wciąż rośnie, zatem szkodliwe wyniki mogły być spowodowane doborem nanostruktur w badaniach (ich wielkości, kształtu i pokrycia powierzchni).

Zastosowanie nanocząstek metalicznych w kosmetykach opiera się głównie na ich specyficznych właściwościach bakteriobójczych. Ze względu na wysoką skuteczność wobec szerokiej gamy mikrobów stosuje się je jako konserwanty, a także inhibitory wzrostu mikroorganizmów (dezodoranty, środki przeciwtrądzikowe). Cena surowca oraz brak mechanizmu związanego z uwalnianiem jonów powoduje, że nanocząstki złota są używane w zdecydowanie mniejszej ilości i raczej jako komponent przeciwstarzeniowy. Dotychczasowe badania nie wykazały ich szkodliwości, jednak wciąż brakuje danych dotyczących długotrwałej ekspozycji.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 4/2022