با گسترش محصولات نانو و تولید نانوذرات مهندسی‌شده، الگوی مواجهه با هواسُل‌ها (Aerosols) و ذرات معلق هوابرد امروزه به سرعت در حال تغییر است. در‌حالی‌که مواجهۀ تاریخی با بیماری‌های ریوی نظیر سیلیکوزیس و پنوموکونیوزیس به‌طور شاخص در اثر پیشرفت عوامل اندازه‌گیری و شیوه‌های کنترل در حال کاهش می‌باشد، مواجهه با نانوذرات به عنوان یک اضطرار در سلامت جوامع مطرح گردیده است. صدها تن از نانو‌ذرات سالانه به محیط‌زیست وارد می‌گردد و هنوز اطلاعات کمی از تداخلات و اثرات نانومواد بر سامانه‌های زیستی وجود دارد [1 و2]. تحقیقات نشان می‌دهد که مواجهۀ تنفسی با ذرات به خصوص ذرات بسیار ریز سبب بروز بیماری‌های قلبی‌عروقی و بیماریهای ریوی و مرگ‌و‌میر حاصل از آن‌ها می‌گردد. نفوذ نانوذرات به بخش‌های داخل و خارج سلولی، شامل سیتوپلاسم و کاریوپلاسم سلولهای مزوتلیا و اپیتلیال ریوی به وسیلۀ میکروسکوپ الکترونی اثبات شده است [1]؛ بنابراین لازم است تا احتمال ریسک تنفسی نانوذرات توسعه‌یافتۀ جدید و محصولات نانو قبل از ایجاد اثرات سوء در انسان مورد ارزیابی قرار گیرد. نانوذرات در مقایسه با مواد غیر‌نانو متداول همان ماده نه تنها در خواص فیزیکو‌شیمیایی، بلکه در خواص زیستی نیز ممکن است بسیار متفاوت ‌باشند. در یک مطالعۀ بالینی موردی، در 7 کارگر زن جوان مواجه‌یافته با پلی‌‌آکریلات حاوی نانوذرات به مدت 13-5 ماه، آسیب‌های جدی ریوی همراه با کوتاهی تنفس و تجمع مایع در فضای پلور گزارش شده است. در مطالعات آسیب‌شناسی، فیبروز ریوی (شکل 1) و گرانولوما جسم خارجی در پلور مشاهده شده است [3].

شکل1- ریۀ طبیعی با آلوئول‌های طبیعی (چپ)، زخم فیبروز ریوی و ضخامت بافت اطراف و بین کیسه‌های هوایی ( آلوئول‌ها) در ریه (راست) [4].

2- فناوری نانو
به کاربرد دانسته‌های علمی برای ساخت و کنترل مواد در مقیاس نانو به‌منظور بهره‌مند شدن از خواص مرتبط با اندازه و ساختار و پدیده متمایز با موارد مرتبط با مولکول‌ها یا اتم‌های جداگانه یا مواد توده‌ای، نانوفناوری اطلاق می‌گردد [5]. نانوذرات به‌دلیل اندازۀ کوچک خود، ناحیۀ سطحی/ جرم بالایی داشته و دارای خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که آن‌ها را از ذرات ریز ماده تشکیل‌دهندۀ خودشان متمایز می‌کند. این خواص منحصربه‌فرد در موارد مختلفی از جمله گیرنده‌های حسی، نیمه‌رسانا¬ها، سامانه‌های دارورسانی به بافت‌ها، تصویربرداری پزشکی، کرم‌های ضد آفتاب، لوازم آرایشی و پوشش‌ها کاربرد داشته و بهره‌برداری از آن‌ها رو به افزایش می‌باشد [6].
اگرچه بسیاری نانو‌ذرات و ذرات بسیار‌ریز (Nanoparticles and ultrafine particles) را هم‌معنی می‌دانند، به عنوان ذرات کوچکتر از nm 100، امّا عبارت بسیار‌ریز (Ultrafine) اصولاً برای مشخص کردن ذرات محیطی که به‌طور اتفاقی یا ناخواسته تولید می‌شوند، نظیر ذرات ریز حاصل از فرایند احتراق به کار می‌رود [7]. بنابراین بر پایۀ منبع تولیدی، نانومواد می‌توانند به دو الگوی اصلی (شکل2) طبقه‌بندی گردند:
الف) ذرات بسیار‌‌ریز: نانو‌ذرات تولید‌شده به‌صورت غیر‌عمدی و نسبتاً ناهمسان یا بس‌پراکنده (Polydispersed) با یک طبیعت پیچیده شیمیایی، مانند نانوذرات حاصل از موتورهای دیزلی.
ب) نانو‌ذرات مهندسی‌شده: نانو‌ذرات تولید‌شده به‌صورت عمدی و همسان یا ناپراکنده (Monodispersed) با خواص شیمیایی مهندسی‌شده، مانند نانو‌ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم.

          
شکل 2 - یک مجموعه ذرات غیر یکنواخت یا ناهمسان (بس‌پراکنده) (راست)، یک مجموعه ذرات همسان (ناپراکنده) یا یکنواخت (چپ) [8].

شکل3- اثر برهم‌کنش ذرات با دستگاه تنفسی انسان، ویژگی‌های ذرات (A)، فعل‌و‌انفعالات دستگاه نفسی/ذرات (B)، ویژگی‌های دستگاه تنفسی (C) [1].

شکل4- دستگاه تنفسی انسان متشکل از سه ناحیۀ متوالی می‌باشد: ناحیۀ بینی و حلق، ناحیۀ نای و نایژه‌ها و ناحیۀ ریوی [10].

در‌هرحال سطح وسیع داخلی آلوئول‌ها و راه‌های هوایی که در مجموع نزدیک به 150 مترمربع است که سبب تسهیل دسترسی مواد استنشاق‌شده به بافت ریه و نیز جریان خون می‌گردد. بدیهی است که این سامانه همیشه نمی‌تواند در مواجهه با طیف وسیع مواد موجود در هوا در محیط‌های شهری یا محیط‌های شغلی کارایی کافی را داشته باشد. متناسب با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی مواد استنشاق‌شده، سامانۀ تنفسی می‌تواند به‌عنوان یک محل بروز سمیّت برای سموم ریوی و نیز محلی برای جذب (Absorption) و انتقال مواد شیمیایی استنشاقی به اندام‌های دورتر از ریه و بروز اثرات توکسیک در محل‌های خارج ریوی باشد [18].

6- ساز‌وکار‌های ‌نشست ذرات در دستگاه تنفسی
برآورد میزان استنشاق هواسل‌ها نیازمند دانستن میزان انتقال، ‌نشست و پاک‌سازی در ریه است.
انتقال و ‌نشست ذرات در راه‌های هوایی تحت تأثیر سه شاخص اصلی زیر می‌باشد (شکل 3):
1- ساختار کالبدشناسی (Anatomic) راه‌های هوایی
2- الگوی جریان هوا
3- مشخصات آئرودینامیکی ذرات
الگوی ‌نشست ذرات در راه‌های هوایی وابسته به اندازه بوده و توزیع اندازۀ ذرات مهمترین شاخص تعیین‌کننده رفتارذرات هوابرد می‌باشد. در زمان تنفس هوای اشباع از ذرات، ذراتی که قادر باشند تا جریان هوا را دنبال کنند، وارد مجاری تنفسی می‌گردند. درحالی‌که ذرات تمایل دارند تا به حرکت خود در مسیر اصلی ادامه دهند، انحراف جریان هوا به سبب تغییر ناگهانی جهت یا دو شاخه‌شدن راه‌های هوایی ممکن است موجب برخورد (Impacted) ذره وجمع‌آوری آن در سطح گردد. معمولاً ذرات بزرگ‌تر (µm30-5) در ناحیۀ بینی و حلق با ساز‌و‌کار برخورد لختی (Inertial impaction mechanism) ته‌نشین شده و ذرات کوچکتر(µm 5-1) که در ناحیۀ بینی و حلق به دام نمی‌افتند در ناحیۀ نای و نایژه، با ساز‌و‌کار رسوب‌پذیری (Sedimentation)، ته‌نشین می‌شوند که این امر سبب جذب بیشتر یا حذف از طریق سامانۀ پاک‌سازی موکوسیلیاری (Mucociliary clearance) می‌گردد. در آخر مابقی ذرات زیر میکرون (µm1<) و نانوذرات (nm100<) با توزیع اندازۀ کوچک‌تر به اعماق ریه و ناحیۀ آلوئولی (Alveolar region) وارد و عمدتاً از طریق ساز‌و‌کار حذف ناکافی، انتشار (Diffusion) نشست می‌یابند [19و20].
ذرات ته‌نشین‌شده در نواحی عمیق ریوی، در مدت‌زمان طولانی‌تری از ریه حذف می‌شوند و به‌دلیل برهم‌کنش متقابل بیشتر بافت- ذره و سلول- ذره، احتمال ایجاد عوارض سوء بیشتری بر سلامتی را خواهند داشت [18]. کارایی بیگانه‌خواری سلول‌های درشت‌خوار (Macrophage) آلوئولی برای حذف نانوذرات تنفس‌شده در مقایسه با ذرات بزرگ‌تر، پایین می‌باشد [21]. همچنین ذرات بسیار‌ریز می‌توانند به توانایی درشت‌خوارها در بیگانه‌خواری و حذف سایر ذرات آسیب وارد کرده و در نتیجه می‌تواند نقش پیش‌التهاب‌زایی (Pro-inflammogenic) داشته باشند. ذرات در اندازۀ نانو قادر به دسترسی مؤثر به ناحیۀ آلوئولی ریه‌ها و برخورد نزدیک با اپیتلیوم آلوئولی می‌باشند. تنها ذرات بسیار ریز ته‌نشین‌شده‌ قادر به عبور از سد بافتی هوا – خون بوده و وارد جریان خون شده و به آسانی به سایر اعضای هدف دست می‌یابد؛ با ‌این‌حال، ذرات غیرقابل انحلال ممکن است در ریه به‌طور نامحدود باقی بمانند که این اقامت طولانی‌مدت در ریه ممکن است سبب آسیب و پاسخ‌های زیستی شود [19و22].
انتشار یک ساز‌و‌کار اصلی ته‌نشین شدن ذرات کوچکتر از nm 500 است که به سبب حرکت تصادفی ذرات در پی بمباران پیوسته توسط مولکول‌های هوا ایجاد می‌گردد. در طول توقف کوتاه بین فازهای ورود و خروج هوا، ذرات زیر میکرون و نانوذرات با تحرک بالای برونین (Brownian) ممکن است با ساز‌و‌کار انتشار به دام افتند. انتشار یک ساز‌و‌کار ته‌نشست مهم برای ذرات بسیار ریز در آلوئول‌ها، جایی که جریان هوا بسیار آهسته است، بوده و نقش عمده در ته‌نشست نانوذرات در اعماق ناحیه ریوی دارد. سایر ساز‌و‌کار‌های ته‌نشست ذرات در خصوص نانوذرات تأثیر ندارند با ‌این‌حال اگر نانوذرات بار الکتریکی مشخصی حمل‌کنند، رسوب الکترواستاتیکی نیز می‌تواند رخ دهد [10و22].

7-اندازه‌گیری میزان ‌نشست ذرات در دستگاه تنفسی:
علی‌رغم پیچیدگی بسیار دستگاه تنفسی در ساختار و ابعاد که مدل‌سازی هندسی کامل ریه را مشکل می‌سازد، هر دو مدل متقارن و نامتقارن هندسی ریه ارائه شده است. درحالی‌که پیش‌بینی ناحیه ته‌نشست ذرات از مدل هندسی متقارن به دست می‌آید تنها مدل‌های غیر‌متقارن می‌تواند پیش‌بینی ته‌نشست موضعی را امکان‌پذیر سازد. اندازه‌گیری ته‌نشست در ریه عموماً از طریق روش‌های غیر‌مستقیم اندازه‌گیری غلظت ذرات قبل از ورود و بعد از خروج از دستگاه تنفسی امکان‌پذیر است. این اندازه‌گیری غیر‌مستقیم تنها ‌نشست کلی ذرات را در ریه امکان‌پذیر ساخته و ته‌نشست منطقه‌ای ذرات را نشان نمی‌دهد. ازآنجائی‌که پاسخ‌های زیستی از مناطق خاص آغاز می‌شوند، دستیابی به مدل‌های جدید رسوب‌پذیری در ریه امکان پیش‌بینی دقیق‌تری را از رسوب‌پذیری ذرات در مناطق مختلف ریه فراهم خواهند نمود [23]. این مدل‌ها می‌توانند به‌عنوان ابزار پیشرفته در ارزیابی مواجهات انسانی ذرات با ذرات بسیار ریز به‌کار گرفته شوند. تنها با تعیین دُز (Dose) دقیق در مناطق خاص، می‌توان پاسخ‌های زیستی در مدل‌های برون‌تنی (In vitro) را مورد پژوهش و بررسی قرار داد. امروزه زیست‌شناسان سلولی روش‌های کشت سلولی که منجر به درک کامل واکنش‌های داخل و خارج‌سلولی می‌شود را فراهم نموده‌اند. استفاده هم‌زمان از دو یا چند سامانۀ سلولی می‌تواند نشانگر اثر متقابل سلول‌ها باهم و بدون دخالت سایر انواع سلول‌ها یا فرایندهای سامانه‌ای (Systemic) باشد. در برخی از مدل‌های برون‌تنی می‌توان ضریب توزیع، پیوندهای پروتئینی، گسستگی و انتقال سلولی را تعیین نمود. این داده‌ها می‌تواند برای تکمیل اطلاعات رسوب‌پذیری در بخش‌های مختلف در مدل‌های درون‌تنی مورد استفاده قرار گیرد [24].

8- ساز‌وکار‌های احتمالی در سمیّت نانوذرات:
پاسخ به مواد تنفس‌شده می‌تواند واکنش‌های فوری تا عوارض طولانی‌مدت مزمن در سطح یک بافت تا بیماری‌های سامانه‌ای (Systemic) را شامل شود. در مطالعات گسترده اپیدمیولوژیکی اثبات گردیده است که تماس با ذرات آلایندۀ‌ هوا و ذرات بسیار ریز در هوا سهم بسزایی در افزایش مرگ‌و‌میرها و بیماری‌های تنفسی و قلبی‌عروقی دارد [25].
نانوذرات مشتق‌شده از احتراق (Combustion derived nanoparticles (CDNP)) ترکیبات مهم ذرات آلاینده هوا در محیط‌زیست، یا ذرات PM2.5، بوده که سبب ایجاد عوارض سوء بهداشتی می‌گردد [6]. موتورهای دیزلی مهم‌ترین منبع ذرات با توزیع اندازه متفاوت شاملPM 10، PM 2.5 ، PM 1.0 و نانوذرات می‌باشد. ذرات دیزل شامل سطح بالایی از نانوذرات با قطر کمتر از nm 50 است. نانوذرات مشتق‌شده از سوخت شامل نانوذرات فلزی و هم آلی با مساحت سطح بسیار زیاد و توانایی انتقال به مغز (شکل5) و سایر اعضا می‌باشد و ممکن است سبب واکنش‌های ریوی از قبیل فیبروز، التهاب مزمن ریوی، تب فلزی و سرطان شود. نزدیکی مخاط بویایی به پیاز بویایی که بخشی ازسامانۀ عصبی مرکزی است، سبب شده است تا نانوذرات تنفس‌شده به‌خصوص ذرات زیر 10 نانومتر، که از طریق انتشار رسوب‌پذیری بالایی در مخاط بویایی دارند، شبیه به مولکول‌های هوابرد ̎بوی (Smell) ̎ که در این منطقه بر روی مژه‌های شاخه‌ای (Dendritic) بویایی رسوب می‌نمایند. جذب و پس از آن به مغز انتقال یابند. انتقال نانوذرات جامد در امتداد آکسون عصب بویایی در برخی پستانداران و جوندگان نشان داده است [10].

شکل 5- انتقال نانوذرات به سامانۀ اعصاب مرکزی از طریق بینی [10] .

شکل 6- برهم‌کنش فرضی سلول با نانوذرات؛ EGFR، گیرندۀ فاکتور رشد می‌باشد [10].