Het is nog steeds zo dat gegevens uit dierstudies nodig zijn om de veiligheid van een stof voor de mens te beoordelen. Echter, het Fraunhofer Instituut voor Toxicologie en Experimentele Geneeskunde ITEM werkt samen met 39 partners uit 13 landen aan een reeks projecten, die allemaal een gemeenschappelijk doel hebben:een paradigmaverschuiving teweegbrengen - weg van dierproeven en naar een dieper begrip van hoe chemische stoffen werken.

In Duitsland, het aantal proefdieren is al een aantal jaren in grote lijnen gelijk. Volgens het Duitse federale ministerie van Voedsel en Landbouw (BMEL), in totaal 2, 825, In 2018 zijn 066 dieren gebruikt voor dierproeven. Dr. Sylvia Escher, hoofd van de afdeling In-silico Toxicologie bij Fraunhofer ITEM in Hannover, probeert alternatieven voor dierproeven te ontwikkelen. "Bij ons instituut we werken met verschillende groepen aan nieuwe concepten voor chemische risicobeoordeling, " legt de chemicus uit. De twee voorbeelden die ze noemt zijn de EXITOX- en EU-ToxRisk-projecten. Beide zijn gericht op het ontwikkelen van teststrategieën op basis van menselijke cellijnen en orgaansecties, die bedoeld zijn om te verminderen en, op de lange termijn, dierproeven vervangen.

Een beter en conservatiever alternatief

Het doel is om een ​​alternatief te ontwikkelen dat niet alleen conservatiever, maar ook beter is. Bij conventionele dierproeven wetenschappers observeren voor het begin van toxische effecten, zoals ontsteking of weefselveranderingen in het betreffende orgaan, na toediening van de teststof. Vooral, ze proberen te bepalen of continue blootstelling aan een stof het organisme beschadigt of dat een lage concentratie, zoals die dagelijks uit de lucht wordt geabsorbeerd, blijft onkritisch. "In EU-ToxRisk en EXITOX, we onderzoeken het werkingsmechanisme dat leidt tot het waargenomen toxische effect. En aangezien we menselijke testsystemen gebruiken in plaats van dierproeven, we hopen van harte dat de resultaten relevanter zullen zijn voor mensen, " zegt Escher, wijzen op de voordelen van deze aanpak.

Een aantal werkgroepen van Fraunhofer ITEM is betrokken bij drie van de negen casestudies die worden uitgevoerd als onderdeel van het EU-ToxRisk-project. Dr. Tanja Hansen, hoofd van de Werkgroep In-vitro Testsystemen, doet momenteel onderzoek naar de toxicologie van vluchtige stoffen, met behulp van diktonen als voorbeeld. De bekendste vertegenwoordiger van deze stofgroep is diacetyl, een chemische verbinding die van nature in boter voorkomt. Een industrieel geproduceerde versie wordt gebruikt om popcorn een botersmaak te geven, bijvoorbeeld.

Simulaties met menselijk weefsel

Wat gebeurt er als mensen diacetyl inademen? Kan het de longen beschadigen? Om deze vragen te beantwoorden, Escher en Hansen gebruiken een apparaat dat bij Fraunhofer ITEM is ontwikkeld:de P.R.I.T. ExpoCube. Hiermee kunnen ze het effect van vluchtige stoffen op cellen en weefsels simuleren.

Om de situatie in de long te simuleren, de wetenschappers gebruiken menselijke bronchiale epitheelcellen die worden gekweekt op membranen op het grensvlak tussen lucht en vloeistof. Gasvormig diacetyl wordt over het oppervlak van deze cellen geleid door middel van de P.R.I.T. ExpoCube. Vervolgens worden biochemische methoden gebruikt om het effect op de cellen te onderzoeken. Na een uitgebreide analyse van genexpressie, onderzoekers kunnen identificeren welke genen de cellen hebben geactiveerd of gedeactiveerd. Vervolgens gebruiken ze deze gegevens om te bepalen welke signaalroutes in de cel zijn geactiveerd. Dit kunnen signaalroutes zijn die leiden tot de productie van boodschapperstoffen die ontstekingen veroorzaken.

In de volgende stap, het onderzoek vordert tot op orgaanniveau. Hier, onderzoekers gebruiken levende weefselsecties die zijn gekweekt uit menselijke longen, die vele functies van het eigenlijke orgel bezitten. Net als bij de celculturen, de longsecties worden nu blootgesteld aan diacetyl in de P.R.I.T. ExpoCube en vervolgens geanalyseerd.

Om het gedrag van ingeademde stoffen in het lichaam te simuleren, de projectpartners gebruiken complexe rekenmodellen die bekend staan ​​als 'in silico-methoden'. Deze computerondersteunde modellen kunnen zeer nauwkeurig reproduceren hoe een organisme absorbeert, verdeelt en scheidt een ingeademde stof af. "In combinatie, in vitro en in silico gegevens geven een nauwkeuriger beeld van hoe stoffen zoals diacetyl de longen beschadigen, ’ legt Escher uit.

Gegevens van vergelijkbare stoffen gebruiken

Een eerste stap naar het opnemen van alternatieve methoden in risicobeoordeling is de read-across-benadering. Als een nieuwe chemische stof volgens deze methode moet worden goedgekeurd, de eerste taak is het zoeken naar vergelijkbare stoffen waarvoor al toxicologische gegevens uit dierproeven bestaan. In de read-across-benadering deze gegevens worden vervolgens toegepast op de nieuwe chemische stof. “Deze aanpak is al in gebruik. In de praktijk echter, het blijkt nog steeds moeilijk om aan te tonen dat twee chemicaliën zo op elkaar lijken dat ze inderdaad dezelfde toxiciteit hebben, ", zegt Escher. "Daarom worden read-across-benaderingen vaak niet geaccepteerd door de regelgevende instanties."

In de casussen is projectteams onderzochten groepen nauw verwante stoffen en verzamelden uitgebreide in vitro en in silico gegevens. Op grond van deze onderzoeken ze konden aantonen dat de alternatieve methoden perfect in staat zijn om de toxiciteit van structureel verwante materialen te bepalen.

Overleg met regelgevende instanties

Bij het EU-ToxRisk-project zijn niet alleen universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven, maar ook regelgevende instanties. Nauw overleg met toxicologen die voor regelgevende instanties werken, is essentieel om deze nieuwe geïntegreerde teststrategieën tot een succes te maken. Want alleen als nationale en EU-autoriteiten deze nieuw ontwikkelde processen voor het beoordelen van toxiciteit goedkeuren, kunnen dierproeven worden vervangen.