Professor Robert Rallo, koordinator för MODERN -projektet, diskuterar initiativets nya tillvägagångssätt för bedömning av nanotoxicitet, vilket kan hjälpa oss att flytta oss mot ett bredare införande av silikometoder.
MODERN -projektet har försökt att bättre förstå hur nanopartiklar påverkar miljön och människors hälsa. Deras nya tillvägagångssätt, som bygger på nya beräkningsmetoder för att karakterisera strukturen hos nanopartiklar och i silikomodeller för att bedöma deras effekter, lovar också att minska behovet av in vivo -tester.
Historiskt sett marknadstryck har ofta resulterat i att vetenskaplig innovation har gjorts tillgänglig för konsumenterna redan innan vi var fullt medvetna om dess ins och outs. Detta var särskilt fallet med asbest, och samma scenario kan mycket väl upprepas med nanoteknik om korrekta säkerhetsbedömningsstudier inte utförs och politiska åtgärder vidtas i enlighet med detta:enligt några av de senaste prognoserna, nanoteknologimarknaden kommer att växa till 75,8 (65,8) miljarder amerikanska dollar till 2020. Och medan konstruerade nanopartiklar (eNP) redan är utbredda inom kosmetika, färg och elektronik, vi vet fortfarande inte mycket om deras möjliga långsiktiga effekter på biologiska system.
För att få en bättre förståelse, forskare förlitar sig fortfarande starkt på djurförsök - trots ansträngningar från djurskyddsaktivister, forskare och beslutsfattare att lägga fokus på alternativa testmetoder. I linje med EU:s ansträngningar att genomföra lämpliga teststrategier och i syfte att övervinna de nuvarande hindren för ett bredare införande av silikometoder, Professor Robert Rallo, koordinator för MODERN, inledde MODERN -projektet i januari 2013.
Ett par månader före projektets slut, han berättar om dess prestationer och förväntade inverkan på metoder för bedömning av toxicitet för eNP.
Skulle du säga att det görs tillräckligt i Europa för att mäta toxiciteten hos eNP, innan de släpps ut på marknaden?
Under de senaste åren har EU inlett en betydande insats för att definiera de vetenskapliga och metodologiska principerna för in vitro- och in vivo -testning av nanomaterial. Även om det fortfarande saknas specifika bestämmelser om användning av nanoteknikaktiverade produkter, EU är på väg mot att tillhandahålla en grund för genomförandet av lämpliga teststrategier som stödjer riskbedömning och lagstiftande beslutsfattande.
Mångfalden av nanomaterial (t.ex. olika kombinationer av kemisk sammansättning, core-shell struktur, form, funktionalisering) gör uttömmande testning av nanomaterial till en skrämmande uppgift. I detta sammanhang, utvecklingen och valideringen av screeningsmetoder med hög genomströmning tillsammans med implementering av i silikoverktyg (som de som utvecklats i MODERN och i andra FP7 NMP -modelleringsprojekt) kommer att bidra inom en snar framtid till att tillhandahålla alternativa testmetoder som är lämpliga för utvärdering av en stor antal nanomaterial på ett effektivt och kostnadseffektivt sätt.
Varför bygger eNP -toxicitetsbedömningen så mycket på djurförsök?
Huvudskälet är att nuvarande in vitro -analyser och i silikoverktyg ännu inte accepteras som tillförlitliga modellsystem för nanomaterialstoxicitet. Hantera "biologiskt buller" (dvs. datavariabilitet) i in vitro-analyser med hög genomströmning är en av de mest brådskande utmaningarna att ta itu med. Dessutom finns det ett lika brådskande behov av att utveckla stora databaser med högkvalitativa experimentella data för utveckling och validering av verktyg för prediktion av silikotoxicitet.
Hur tänker du fylla denna lucka?
På MODERN utvecklar vi kiselverktyg för bedömning av nanotoxicitet genom att använda olika typer av information om nanopartiklar. Projektet följer en integrerad strategi som kombinerar olika typer av information inom ramen för specifika negativa resultatvägar. Specifikt fokuserar vi på nanotoxicitetseffekter som drivs av oxidativa stressreaktioner. Vi har utvecklat nya metoder för beräkning av storleksberoende nanodeskriptorer med hjälp av kvantkemi och molekylär modelleringsmetoder, samt nano- (Q) SAR baserat på deskriptorerna som utvecklats för ett antal ekotoxiska slutpunkter hos olika arter, inklusive protozoer, alger och bakterier.
En annan prestation är utvecklingen av en ny normaliseringsmetodik för omics -data som är användbar för att avslöja gen- och vägaktivitet vid låg koncentration (dvs. i realistiska miljöexponeringsförhållanden). Modeller för att förutsäga nanopartikelcellsinteraktioner baserat på sammansättningen av nanopartikelns proteinkorona har också utvecklats och validerats. Till sist, vi försöker öka noggrannheten hos nuvarande modeller genom att identifiera homogena kategorier av nanopartiklar och utveckla nya lokala modeller för varje specifik kategori.
Uppfyller modellerna du utvecklat dina initiala förväntningar?
Vi har visat att integrationen av olika typer av information (t.ex. fysikalisk-kemiska egenskaper, strukturella egenskaper och bioaktivitetsprofiler på olika nivåer av biologisk organisation) avseende nanopartiklarnas effekter är grundläggande för utvecklingen av i silikoverktyg som lämpar sig för riskbedömning av nanomaterial och beslutsfattande.
Eftersom beräkningsmodeller kan styra utformningen av nya nanopartiklar med kontrollerad toxicitet, i silico-verktyg kan också appliceras för säker design av nanomaterial. Det finns dock fortfarande en betydande brist på (offentlig) information om nanopartiklarnas toxicitet, så att modeller kan bedömas korrekt och deras tillämplighetsområde utvidgas. Som en konsekvens, nuvarande modeller kan endast användas som preliminära screeningsverktyg som ger en indikation på de potentiella negativa effekterna av ett nanomaterial. Ytterligare in vitro (och eventuellt in vivo) tester kommer att vara nödvändiga för att bekräfta om en given nanopartikel har toxiska konsekvenser eller inte.
Skulle du vilja hålla med forskare som säger att det är omöjligt att helt sluta använda djurförsök när det gäller ENP -toxicitetsbedömning?
För närvarande är svaret ja. In vivo-testning kommer att vara nödvändig för att säkerställa säkerheten för nanoteknikaktiverade produkter, särskilt för de nanopartiklar som används i medicinska applikationer. Dock, utvecklingen av mer robusta in vitro -analyser i kombination med i silikoprediktiva verktyg kommer att ha potential att bidra till en signifikant minskning av antalet djur som används för testning.
Inom en snar framtid, med den ständiga ökningen av datorkraften och med förbättrad förståelse för nano-bio-interaktionsmekanismerna, Jag är övertygad om att vi kommer att kunna utföra noggranna simuleringar av samspelet mellan nanopartiklar och biologiska system som kommer att ha potential att helt ersätta djurförsök.
Vad skulle du säga är de viktigaste sakerna du har lärt dig av din forskning hittills?
Den första och viktigaste lektionen är att vår förståelse och modelleringskapacitet för nanotoxicitet fortfarande är långt ifrån vad vi har för kemisk toxicitet. Det finns fortfarande en betydande brist på kunskap om nanotoxicitetsmekanismer och verkningsmetoder. Också, mängden data som är tillgänglig för modellutveckling - och ännu viktigare, för modellvalidering - är mycket begränsad jämfört med tillgängliga data för kemikalier.
Det finns fortfarande många utmaningar som hindrar utvecklingen av silikon nanotoxicitetsverktyg, och den begränsade mängden data är bara en av de begränsande faktorerna. Bland andra, nuvarande viktiga behov inkluderar utvecklingen av en nomenklatur för att entydigt beskriva nanomaterial; standardiserade protokoll för nanotoxicitetstestning; protokoll för screeningsanalyser med hög genomströmning och deras tillhörande dataförbehandlingsmetoder för att generera tillräckligt med data för att berika och förbättra strömmen i silikomodeller; och metoder för riskrankning, riskbedömning och beslutsfattande.
Vad behöver du fortfarande uppnå innan projektet slutar i december?
Vi utvärderar för närvarande den förutsägbara förmågan hos kvantkemi och molekylära modelleringsbeskrivare för metalloxid -nanopartiklarna som vi utvecklat hittills. Beräkningsmetoderna för att generera nanodeskriptorerna förfinas också för att införliva strukturella förändringar som metalldopning. Parallellt använder vi information från nanopartikelkategorisering för att utveckla ensemble-nanotoxicitetsmodeller baserade på en samling lokalt inställda nano-QSAR. Informationen från dessa modeller kommer sedan att användas i ett sista skede för att tillhandahålla farorankning och preliminära riskbedömningsverktyg för nanomaterial.
