Nowy zestaw narzędzi wspiera projektowanie bezpiecznych nanomateriałów
Nanomateriały to różnorodna, praktycznie nieskończona klasa materiałów posiadających różne składy i właściwości fizykochemiczne. Łączy je niewielki rozmiar, który nadaje im wyjątkowe i często niespotykane cechy, ale jednocześnie utrudnia ich bezpieczne dla człowieka i środowiska wykorzystywanie. Dostępne obecnie metody oceny bezpieczeństwa są drogie i czasochłonne, a ponadto często przeprowadzane są na zwierzętach. Zespół finansowanego przez UE projektu SmartNanoTox(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował prostszą i szybszą metodę prognozowania konkretnych skutków nanotoksycznych danego materiału, nawet przed wykorzystaniem go w produktach.
Każda moneta ma dwie strony
Naukowcy z projektu SmartNanoTox przeanalizowali zmiany w stanie organizmu na przestrzeni czasu po przedostaniu się do płuc różnych nanomateriałów, a także opracowali schematy blokowe przedstawiające rozwój odpowiedzi biologicznych na toksyczność nazywane szlakami skutków szkodliwych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. adverse outcome pathways, AOP). Monitorowali oni również zachowanie nanocząstek w wystawionych na działanie nanomateriałów tkankach, wykorzystując obrazowanie w wysokiej rozdzielczości, analizę chemiczną i symulacje komputerowe. Następnie określili, które interakcje cząsteczkowe wywołują konkretne, najczęściej proste zdarzenia biologiczne, takie jak nieprawidłowe składanie białka, przerwanie błony, katalizę reakcji chemicznej lub wniknięcie do komórki. Modele uczenia maszynowego i modele statystyczne pomogły naukowcom ustanowić powiązania pomiędzy danymi dotyczącymi toksyczności biologicznej i właściwościami fizykochemicznymi. Porównywano na przykład długie, sztywne igły i agresywne chemicznie, małe, nierozpuszczalne cząstki.
Nic nie zostało pozostawione przypadkowi
Ramy AOP opisują powiązania przyczynowe między cząsteczkowym zdarzeniem inicjującym, serią kluczowych zdarzeń pośrednich i skutkiem szkodliwym. Naukowcy próbowali opisać kilka niezależnych szlaków prowadzących do rozwoju poważnych chorób. Z zaskoczeniem odkryli jednak, że szlaki AOP były ze sobą powiązane, a kilka skutków szkodliwych było wywołane podobnymi czynnikami. Ustalenia te jeszcze bardziej poprawiły możliwości prognostyczne. Vladimir Lobaskin, koordynator projektu z uczelni University College Dublin, wyjaśnia: „Po raz pierwszy możemy bezpośrednio połączyć zbadane lub obliczone właściwości nanomateriału z kluczowymi etapami rozwoju choroby i na tej podstawie ustalić, czy dany materiał może powodować zwłóknienie, problemy sercowo-naczyniowe lub rozwój nowotworu”. Zespół projektu SmartNanoTox wykorzystał nowy, wysoce skuteczny paradygmat oceny bezpieczeństwa, by wykazać, że przewlekłe zapalenie płuc wywołane przez nanocząstki można dokładnie opisać za pomocą symulacji komputerowych i badań na hodowlach komórkowych, a także przewidzieć jego rozwój. Metoda ta eliminuje jednocześnie konieczność przeprowadzania badań na zwierzętach. Wyniki projektu zostały opisane na łamach czasopisma „Advanced Materials”(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zespół następnie udowodnił, że ta przewlekła choroba może być wywołana już jednorazowym kontaktem z niektórymi biotrwałymi materiałami.
Prognozowanie rozwoju choroby przewlekłej za pomocą narzędzi in vitro i in silico
Systemy badania ekspozycji na aerozole in vitro(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i sensoryczne wyroby komórkowe wykorzystujące technologię „tkanki na chipie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) są oferowane przez partnerów projektu. Pozostałe narzędzia udostępniane są za darmo za pośrednictwem baz danych lub bibliotek programów typu „open-source”, takich jak NanoCommons KnowledgeBase(odnośnik otworzy się w nowym oknie), AOP-Wiki i Gene Expression Omnibus. „Nasze wyjątkowe podejście łączące fizykę, chemię i biologię z medycyną pozwoliło nam powiązać struktury podstawowe nanomateriałów z ich działaniem biologicznym. W ten sposób udowodniliśmy, że da się przewidywać rozwój chorób przewlekłych wywołanych ekspozycją na nanomateriały za pomocą prostych badań in vitro i symulacji komputerowych”, podsumowuje Lobaskin. Narzędzia opracowane w ramach projektu SmartNanoTox będą miały duży wpływ na wykorzystywanie nanomateriałów, które mogą być szkodliwe dla systemów żywych na każdym etapie cyklu życia.
