Det är fortfarande så att data från djurstudier krävs för att utvärdera ett ämnes säkerhet för människor. Dock, Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM har samarbetat med 39 partners från 13 länder i en rad projekt, som alla har ett gemensamt mål:att åstadkomma ett paradigmskifte – bort från djurförsök och mot en djupare förståelse för hur kemiska ämnen fungerar.

I Tyskland, antalet försöksdjur har i stort sett varit detsamma under ett antal år nu. Enligt det tyska förbundsministeriet för livsmedel och jordbruk (BMEL), totalt 2, 825, 066 djur användes i djurförsök under 2018. Dr. Sylvia Escher, chef för avdelningen för in-silico toxikologi vid Fraunhofer ITEM i Hannover, strävar efter att utveckla alternativ till djurförsök. "På vårt institut, vi arbetar med olika grupper om nya koncept för kemikalieriskbedömning, " förklarar kemisten. De två exemplen hon nämner är projekten EXITOX och EU-ToxRisk. Båda dessa syftar till att utveckla teststrategier baserade på mänskliga cellinjer och organsektioner, som är avsedda att minska och, i längden, ersätta djurförsök.

Ett bättre och mer konservativt alternativ

Målet är att utveckla ett alternativ som inte bara är mer konservativt utan också bättre. Vid konventionella djurförsök, forskare observerar uppkomsten av toxiska effekter, såsom inflammation eller vävnadsförändringar i det relevanta organet, efter administrering av testämnet. Särskilt, de försöker avgöra om kontinuerlig exponering för ett ämne skadar organismen eller om en låg koncentration, sådant som absorberas dagligen från luften, förblir okritisk. "I EU-ToxRisk och EXITOX, vi undersöker det verkningssätt som leder till den observerade toxiska effekten. Och med tanke på att vi använder mänskliga testsystem snarare än djurförsök, vi hoppas verkligen att resultaten kommer att vara mer relevanta för människor, säger Escher, pekar på fördelarna med detta tillvägagångssätt.

Ett antal arbetsgrupper från Fraunhofer ITEM är involverade i tre av de nio fallstudier som genomförs som en del av EU-ToxRisk-projektet. Dr Tanja Hansen, chef för arbetsgruppen för in vitro testsystem, undersöker för närvarande toxikologin hos flyktiga föreningar, med diketoner som exempel. Den mest kända representanten för denna ämnesgrupp är diacetyl, en kemisk förening som finns naturligt i smör. En industriellt producerad version används för att ge en smörsmak till popcorn, till exempel.

Simuleringar med mänsklig vävnad

Vad händer när människor andas in diacetyl? Kan det skada lungorna? För att svara på dessa frågor, Escher och Hansen använder en apparat som utvecklades hos Fraunhofer ITEM:P.R.I.T. ExpoCube. Detta gör det möjligt för dem att simulera effekten av flyktiga ämnen på celler och vävnad.

För att simulera situationen i lungan, forskarna använder mänskliga bronkiala epitelceller som odlas på membran i gränsytan mellan luft och vätska. Gasformig diacetyl passerar över ytan av dessa celler med hjälp av P.R.I.T. ExpoCube. Biokemiska metoder används sedan för att undersöka effekten på cellerna. Efter en omfattande analys av genuttryck, forskare kan identifiera vilka gener som cellerna har aktiverat eller inaktiverat. De använder sedan dessa data för att bestämma vilka signalvägar som aktiverades i cellen. Dessa kan vara signalvägar som leder till produktion av budbärarämnen som orsakar inflammation.

I nästa steg, utredningen går vidare till organnivå. Här, forskare använder levande vävnadssektioner odlade från mänskliga lungor, som har många funktioner av det faktiska organet. Precis som med cellkulturerna, lungsektionerna är nu exponerade för diacetyl i P.R.I.T. ExpoCube och sedan analyseras.

För att simulera beteendet hos inandade ämnen i kroppen, projektpartnerna använder komplexa beräkningsmodeller som kallas "in silico-metoder". Dessa datorstödda modeller kan med en hög grad av noggrannhet återge hur en organism absorberar, distribuerar och utsöndrar ett inhalerat ämne. "I kombination, in vitro och in silico-data ger en mer korrekt bild av hur ämnen som diacetyl skadar lungorna, " förklarar Escher.

Använder data från liknande ämnen

Ett första steg mot att införliva alternativa metoder i riskbedömning är genomläsningsmetoden. Om en ny kemikalie ska godkännas enligt denna metod, den första uppgiften är att söka upp liknande ämnen för vilka det redan finns toxikologiska data från djurförsök. I genomläsningsmetoden, dessa data tillämpas sedan på den nya kemikalien. "Det här tillvägagångssättet används redan. I praktiken, dock, det är fortfarande svårt att påvisa att två kemikalier är så lika att de verkligen har samma toxicitet, ", säger Escher. "Det är därför som överlägsna metoder ofta inte accepteras av tillsynsmyndigheterna."

I fallstudierna, projektgrupper undersökte grupper av närbesläktade ämnen och samlade in omfattande in vitro- och in silico-data. På grundval av dessa undersökningar, de kunde visa att de alternativa metoderna är perfekta kapabla att bestämma toxiciteten hos strukturellt besläktade material.

Samråd med tillsynsmyndigheter

EU-ToxRisk-projektet involverar inte bara universitet, forskningsinstitut och företag men även tillsynsmyndigheter. Nära samråd med toxikologer som arbetar för tillsynsorgan är avgörande om dessa nya integrerade teststrategier ska bli en framgång. För det är bara om nationella och EU-myndigheter godkänner dessa nyutvecklade processer för att bedöma toxicitet som djurförsök kan ersättas.