Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico que importa avaliar e caracterizar. A reduzida dimensão dos NMs conduz a uma maior deposição destes nas vias respiratórias (revisto por Andujar et al., 2011) onde podem ser responsáveis por efeitos citológicos nocivos. Em situações de inflamação crónica, a produção de ROS causando stresse oxidativo a nível celular, por sua vez, pode causar alterações no genoma das células adjacentes, produzindo efeitos genotóxicos secundários (Figura 16). A consequente acumulação de alterações genéticas poderá facilitar o processo de transformação das células em direção a um fenótipo maligno.
Figura 16. Mecanismos indirectos que podem conduzir à genotoxicidade pelos NM (adaptado de Singh et al., 2009).
Contudo, mesmo na ausência de uma resposta inflamatória, os NMs podem induzir, primariamente, efeitos genotóxicos mediados por stresse oxidativo, através da sua interação com constituintes celulares, incluindo as mitocôndrias e oxidases NADPH ligadas à membrana celular ou através da depleção de antioxidantes, (e.g., glutationo). Sabe-se, por exemplo, que os iões metálicos de transição contidos na composição de muitos NMs (e.g., cadmio, crómio, cobalto, cobre, ferro, níquel, titânio
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e zinco) podem ser libertados, causando a conversão dos metabolitos do oxigénio celular em ROS (Singh et al., 2009). Jacobsen et al.(2008) demonstraram a indução de ROS em células expostas a negro de carbono, nanotubos de carbono de parede simples e fulerenos C60. Até que ponto, na situação de exposição por via inalatória a
NMs, este tipo de mecanismo de transformação celular pode ser generalizado, ainda permanece uma questão em aberto que deverá ser objeto de investigação futura.
Para além das lesões oxidativas no DNA, também os efeitos genotóxicos diretos dos NMs podem contribuir de forma determinante para gerar instabilidade genética que, por sua vez, pode contribuir para o desenvolvimento de processos cancerígenos. Teoricamente, a capacidade de penetração dos NMs nos sistemas celulares será superior à dos seus análogos não nanométricos, permitindo-lhe atravessar as membranas celulares e atingir o núcleo, onde poderão interagir diretamente com o genoma da célula ou com as proteínas nucleares. Os NMs que não consigam transpor a membrana nuclear poderão, ainda assim, ter acesso ao DNA e proteínas nucleares no decurso do processo mitótico, podendo originar fenómenos de aneuploidia. Este tipo de acontecimentos foi já descrito para os NMs de dióxido de titânio e sílica que penetram no núcleo e causam a formação de agregados de proteínas intranucleares, levando à inibição da replicação, transcrição e proliferação celular (revisto em Singh et al., 2009). Estudos mais recentes sugerem que o dióxido de titânio é capaz de se inserir também nas bases de DNA, ligando-se aos nucleótidos e alterando a estrutura secundária do DNA (Li et al., 2010). Outro exemplo diz respeito às nanoparticulas de ouro que parecem exibir a capacidade de se ligarem ao DNA, quer exteriormente, quer intercalando-se parcialmente na cadeia de DNA (Biver et al., 2011). Apesar destes efeitos observados, outros estudos, porém, têm revelado resultados negativos para as mesmas classes de NMs.
Embora os mecanismos descritos, consistindo numa ação primária direta ou indireta dos NMs sobre o genoma ou numa ação secundária, via resposta inflamatória (Figura 15), tenham vindo a ser propostos com base em evidências experimentais, ainda persistem muitas incertezas que justificam uma intensificação dos estudos sobre os potenciais efeitos adversos destes materiais com vista a uma correta avaliação de risco.
Contudo, os ensaios de carcinogénese são demorados (cerca de 2 anos) e muito dispendiosos, uma vez que se baseiam na exposição de um elevado número de animais ao agente em estudo e na observação do estado de saúde ao longo da sua vida, com vista à deteção da eventual formação de tumores. As lesões no material genético são geralmente consideradas como um biomarcador do risco de cancro
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(Hoeijmakers, 2001) dada a relação entre exposição a determinados compostos químicos e carcinogénese bem estabelecida em humanos. Os ensaios de genotoxicidade são, assim, utilizados como preditivos de um potencial efeito carcinogénico.
Após lesões no DNA, é desencadeada uma rede complexa de funções de sinalização e reparação (Figura 17) para repor a estabilidade genética ou eliminar a célula lesada.
Figura 17. A relação complexa entre genotoxicidade e o aparecimento de cancro (Louro; Silva, 2011).
Logo depois da deteção da lesão no DNA, a sinalização e remodelação da cromatina ativam os pontos de verificação do ciclo celular, morte celular programada e/ou vias de reparação de DNA que procuram restaurar a sequência de DNA original. Se a estabilidade genética não for reposta, os danos podem conduzir a doenças genéticas como o cancro ou, alternativamente, gerar diversidade genética que contribui para a evolução (Louro; Silva, 2011). Assim, a investigação da cadeia de acontecimentos moleculares que conduz desde a lesão no DNA ao resultado biológico, incluindo a expressão diferencial de genes, é fundamental para identificar e prevenir riscos decorrentes da utilização de novos agentes químicos que possam contribuir para o aparecimento de doença. Esta última abordagem, da análise de
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alteração de expressão de genes em resposta a estímulos ambientais, ou efeito toxicogenomico, constitui uma abordagem recente aos mecanismos de genotoxicidade (Aubrecht; Caba, 2005). Esses podem ser aferidos através de estudos de transcriptómica ou de análise de proteínas (Gou; Gu, 2011; National Academy of Sciences, 2007). Por exemplo, a exposição prenatal de ratinhos a NM de negro de carbono revelou alterações na expressão de genes das vias metabólicas (Jackson et
al., 2011) e a exposição de linhas celulares a NM de prata modificou a expressão de
genes relacionados com citoesqueleto, membrana celular, metabolismo de energia e vias de reparação de DNA (Ma; Lü; Huang, 2011). Assim, um possível mecanismo de genotoxicidade dos NM poderia envolver a diminuição da expressão de genes envolvidos nas vias de reparação de DNA.