Prof. Robert Rallo, coördinator van het MODERN-project, bespreekt de nieuwe benadering van het initiatief voor de beoordeling van nanotoxiciteit, die ons zou kunnen helpen om in de richting van een bredere toepassing van in silico-methoden te gaan.

Het MODERN-project heeft tot doel beter te begrijpen hoe nanodeeltjes het milieu en de menselijke gezondheid beïnvloeden. Hun nieuwe aanpak, die vertrouwt op nieuwe computationele methoden om de structuur van nanodeeltjes te karakteriseren en in silico-modellen om hun effecten te beoordelen, belooft ook de behoefte aan in vivo testen te verminderen.

historisch, marktdruk heeft er vaak toe geleid dat wetenschappelijke innovatie beschikbaar is voor consumenten, zelfs voordat we volledig op de hoogte waren van de ins en outs. Dit was met name het geval bij asbest, en hetzelfde scenario zou zich heel goed kunnen herhalen met nanotechnologie als er geen goede veiligheidsbeoordelingsstudies worden uitgevoerd en er geen politieke maatregelen worden genomen:volgens enkele van de laatste prognoses, de markt voor nanotechnologie zal groeien tot 75,8 (EUR 65,8) miljard in 2020. En hoewel kunstmatige nanodeeltjes (eNP's) al wijdverbreid zijn in cosmetica, verf en elektronica, we weten nog steeds niet veel over hun mogelijke langetermijneffecten op biologische systemen.

Om een ​​beter begrip te krijgen, wetenschappers zijn nog steeds sterk afhankelijk van dierproeven, ondanks de inspanningen van dierenbeschermingsactivisten, wetenschappers en beleidsmakers om de focus te leggen op alternatieve testmethoden. In overeenstemming met de inspanningen van de EU om passende teststrategieën toe te passen en met het oog op het wegnemen van de huidige belemmeringen voor een bredere toepassing van in silico-methoden, Prof. Robert Rallo, coördinator van MODERN, startte het MODERN-project in januari 2013.

Een paar maanden voor het einde van het project, hij vertelt ons over de resultaten en de verwachte impact op de eNP-toxiciteitsbeoordelingsmethoden.

Zou u zeggen dat er in Europa genoeg wordt gedaan om de toxiciteit van eNP's te meten, voordat ze op de markt komen?

De afgelopen jaren heeft de EU een aanzienlijke inspanning geleverd om de wetenschappelijke en methodologische principes voor in vitro en in vivo testen van nanomaterialen te definiëren. Hoewel specifieke regelgeving met betrekking tot het gebruik van producten met nanotechnologie nog steeds ontbreekt, de EU is op weg om een ​​basis te leggen voor de implementatie van geschikte teststrategieën die de risicobeoordeling en de besluitvorming op het gebied van regelgeving zullen ondersteunen.

De diversiteit van nanomaterialen (bijv. diverse combinaties van chemische samenstelling, kern-schaal structuur, vorm, functionalisering) maakt het uitputtend testen van nanomaterialen een ontmoedigende taak. In deze context, de ontwikkeling en validatie van screeningsmethoden met hoge verwerkingscapaciteit samen met de implementatie van in silico-tools (zoals die ontwikkeld in MODERN en in andere KP7 NMP-modelleringsprojecten) zullen in de nabije toekomst bijdragen aan het bieden van alternatieve testmethoden die geschikt zijn voor de evaluatie van een groot aantal aantal nanomaterialen op een efficiënte en kosteneffectieve manier.

Waarom is de eNP-toxiciteitsbeoordeling zo afhankelijk van dierproeven?

De belangrijkste reden is dat de huidige in vitro-assays en in silico-instrumenten nog niet worden geaccepteerd als betrouwbare modelsystemen voor de toxiciteit van nanomaterialen. Omgaan met "biologische ruis" (d.w.z. variabiliteit van gegevens) in in vitro high-throughput-assays is een van de meest urgente uitdagingen die moeten worden aangepakt. Daarnaast is er een even dringende behoefte aan het ontwikkelen van grote databases met hoogwaardige experimentele gegevens voor de ontwikkeling en validatie van in silico-toxiciteitsvoorspellingstools.

Hoe denkt u deze leemte op te vullen?

Bij MODERN ontwikkelen we in silico tools voor de beoordeling van nanotoxiciteit door gebruik te maken van verschillende soorten informatie over nanodeeltjes. Het project volgt een geïntegreerde aanpak die verschillende soorten informatie combineert in het kader van specifieke Negatieve Outcome Pathways. Specifiek richten we ons op nanotoxiciteitseffecten die worden aangedreven door oxidatieve stressreacties. We hebben nieuwe methodologieën ontwikkeld voor de berekening van grootteafhankelijke nanodescriptoren met behulp van kwantumchemie en moleculaire modelleringsbenaderingen, evenals nano-(Q)SAR op basis van de descriptoren die zijn ontwikkeld voor een aantal ecotoxiciteitseindpunten bij verschillende soorten, inclusief protozoa, algen en bacteriën.

Een andere prestatie is de ontwikkeling van een nieuwe normalisatiemethodologie voor omics-gegevens die nuttig is om gen- en padactiviteit bij lage concentraties (d.w.z. in realistische omgevingsblootstellingsomstandigheden). Er zijn ook modellen ontwikkeld en gevalideerd voor het voorspellen van celinteracties van nanodeeltjes op basis van de samenstelling van de corona van het nanodeeltje. Eindelijk, we proberen de nauwkeurigheid van huidige modellen te vergroten door homogene categorieën nanodeeltjes te identificeren en nieuwe lokale modellen te ontwikkelen voor elke specifieke categorie.

Voldoen de door u ontwikkelde modellen aan uw aanvankelijke verwachtingen?

We hebben aangetoond dat de integratie van verschillende soorten informatie (bijv. fysisch-chemische eigenschappen, structurele kenmerken en bioactiviteitsprofielen op verschillende niveaus van biologische organisatie) met betrekking tot de effecten van nanodeeltjes is van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van in silico-instrumenten die geschikt zijn voor risicobeoordeling van nanomaterialen en besluitvorming.

Omdat computermodellen het ontwerp van nieuwe nanodeeltjes met gecontroleerde toxiciteit kunnen sturen, in silico-tools kunnen ook worden toegepast voor veilige nanomaterialen. Er is echter nog steeds een groot gebrek aan (openbare) informatie over de toxiciteit van nanodeeltjes, waardoor modellen goed kunnen worden beoordeeld en hun toepassingsgebied kan worden uitgebreid. Als gevolg hiervan, huidige modellen kunnen alleen worden gebruikt als voorlopige screeningtools die een indicatie geven van de mogelijke nadelige effecten van een nanomateriaal. Verdere in vitro (en mogelijk in vivo) testen zullen nodig zijn om te bevestigen of een bepaald nanodeeltje al dan niet toxiciteitseffecten heeft.

Zou u het eens zijn met wetenschappers die zeggen dat het onmogelijk is om volledig te stoppen met het gebruik van dierproeven als het gaat om ENP-toxiciteitsbeoordeling?

Momenteel is het antwoord ja. In-vivotests zullen nodig zijn om de veiligheid van nanotechnologie-compatibele producten te garanderen, vooral voor die nanodeeltjes die in medische toepassingen worden gebruikt. Echter, de ontwikkeling van robuustere in-vitro-assays in combinatie met in silico-voorspellingsinstrumenten zal het potentieel hebben om bij te dragen tot een aanzienlijke vermindering van het aantal proefdieren.

In de nabije toekomst, met de voortdurende toename van rekenkracht en met een beter begrip van de nano-bio-interactiemechanismen, Ik ben ervan overtuigd dat we in staat zullen zijn om nauwkeurige simulaties uit te voeren van de interacties tussen nanodeeltjes en biologische systemen die het potentieel hebben om dierproeven volledig te vervangen.

Wat zijn volgens jou de belangrijkste dingen die je tot nu toe van je onderzoek hebt geleerd?

De eerste en belangrijkste les is dat ons begrip en modelleringsvermogen voor nanotoxiciteit nog ver verwijderd is van wat we hebben voor chemische toxiciteit. Er is nog steeds een groot gebrek aan kennis over nanotoxiciteitsmechanismen en werkingsmechanismen. Ook, de hoeveelheid gegevens die beschikbaar is voor modelontwikkeling - en nog belangrijker, voor modelvalidatie — is zeer beperkt in vergelijking met de gegevens die beschikbaar zijn voor chemische stoffen.

Er zijn nog steeds veel uitdagingen die de ontwikkeling van in silico screeningsinstrumenten voor nanotoxiciteit belemmeren, en de beperkte hoeveelheid gegevens is slechts een van de beperkende factoren. Onder andere, huidige belangrijke behoeften zijn onder meer de ontwikkeling van een nomenclatuur om nanomaterialen ondubbelzinnig te beschrijven; gestandaardiseerde protocollen voor nanotoxiciteitstesten; protocollen voor high-throughput screening-assays en de bijbehorende gegevensvoorverwerkingsmethoden om voldoende gegevens te genereren om de huidige in silico-modellen te verrijken en te verbeteren; en methoden voor het rangschikken van gevaren, risicobeoordeling en besluitvorming.

Wat moet je nog bereiken voordat het project in december afloopt?

We evalueren momenteel de voorspellende capaciteit van de kwantumchemie en moleculaire modelleringsdescriptoren voor de metaaloxide-nanodeeltjes die we tot nu toe hebben ontwikkeld. De computationele methoden om de nanodescriptoren te genereren, worden ook verfijnd om structurele veranderingen zoals metaaldoping op te nemen. Tegelijkertijd gebruiken we informatie verkregen uit de categorisering van nanodeeltjes om ensemble-nanotoxiciteitsmodellen te ontwikkelen op basis van een verzameling lokaal afgestemde nano-QSAR's. De informatie die door deze modellen wordt verstrekt, zal vervolgens in een laatste fase worden gebruikt om gevarenrangschikkingen en voorlopige risicobeoordelingsinstrumenten voor nanomaterialen te bieden.