Våra lungor utsätts dagligen för en mängd farliga luftburna partiklar. Nanopartiklar, på grund av deras ringa storlek, kan nå den känsliga alveolära regionen i den mänskliga lungan och utlösa inflammation även efter en enda inandning som leder till allvarliga sjukdomar som hjärtsjukdomar, hjärnskador och lungcancer vid långvarig exponering. I tillverkningen, giftiga nanopartiklar kan släppas ut i miljön under produktionen, bearbetning, nedbrytning eller förbränning av material. Trots framsteg i modeller för nanotoxikologi, För närvarande kan varken in vitro- eller silicotestverktyg på ett tillförlitligt sätt förutsäga negativa resultat eller ersätta in vivo-testning. För att underlätta införandet av säkrare material i våra liv, nya teststrategier behövs för att förutsäga den potentiella toxiciteten hos industriella nanopartiklar före och under tillverkningsprocessen.

Låser upp de cellulära mekanismerna

På Helmholtz Zentrum München, forskargruppen till Dr. Tobias Stöger fokuserar på en förbättrad mekanistisk förståelse av samspelet mellan nanopartiklar och lungceller, speciellt med tanke på den resulterande inflammationen. I samarbete med partners från SmartNanoTox EU-projektet, forskargruppen upptäckte att för vissa material kan det långvariga inflammatoriska svaret på en enda exponering för en nanopartikel härröra från två cellulära nyckelhändelser som hittills varit okända:För det första, karantänsprocessen som är avsättningen av utsöndrade orörliga kompositer av nanopartiklar insvepta med biologiska molekyler på cellytan. Andra, den så kallade nanomaterialcyklingen som innebär att nanopartiklarna förflyttas mellan olika alveolära lungcellstyper.

"Med dessa nya insikter, vi utvecklade ett djupare övergripande tillvägagångssätt för hur ett inflammatoriskt svar i lungan härrör från partikel-cell-interaktioner. Att kunna peka ut ursprunget till dessa två nyckelhändelser och kvantitativt beskriva dem var ett genombrott eftersom det hjälpte oss att bygga vår prediktionsmetod", säger Stöger.

Ett steg närmare säker-by-design materialutveckling

Genom att endast använda en liten uppsättning data från in vitro-mätningar och genom att kombinera den med in silico-modellering, forskarna samlade in insikter om nanopartiklars toxicitet och lyckades förutsäga spektrumet av lunginflammation (från akut till kronisk) förknippad med en rad 15 utvalda material. Stöger tillägger:"Att kunna göra en sådan förutsägelse innebär att vi kan komma ett steg närmare en säker-by-design materialutveckling. Detta kommer att få djupgående konsekvenser för säkerheten, hastighet och kostnadseffektivitet för nya material."

Ytterligare fördel:Djurfria tester

För närvarande, säkerhetstester bygger i hög grad på djurstudier. Även om djurförsök fortfarande är oumbärligt för mekanistiska och kroniska toxikologiska studier, de är mindre lämpade för prediktiva tester inom en säker-by-design produktion av nya material. Denna studie introducerar en alternativ djurfri teststrategi, kan testas med hög genomströmning och kan anslutas med in silico-modellering.