Una nuova serie di strumenti supporta la progettazione razionale dei nanomateriali per un utilizzo sicuro
I nanomateriali sono una classe di materiali diversificata e pressoché illimitata che varia in termini di composizione e caratteristiche fisico-chimiche. La caratteristica che li accomuna è la loro dimensione ridotta. Ciò conferisce loro proprietà uniche e spesso insolite, ma rappresenta una sfida in termini di protezione delle persone e dell’ambiente durante il ciclo di vita dei materiali. Le attuali procedure per lo screening di sicurezza sono lunghe e costose e spesso prevedono la sperimentazione sugli animali. Il progetto SmartNanoTox, finanziato dall’UE, ha sviluppato un modo più semplice e veloce per prevedere i possibili effetti nanotossici specifici di un determinato materiale, anche prima del suo impiego nei prodotti.
Due facce della stessa medaglia
SmartNanoTox ha analizzato nel tempo lo stato di un organismo in seguito all’esposizione polmonare a vari nanomateriali e ha sviluppato diagrammi di flusso che mostrano l’evoluzione delle risposte biologiche alla tossicità, definita come i percorsi degli esiti avversi (AOP, Adverse Outcome Pathways). Inoltre, gli scienziati hanno seguito lo stato delle nanoparticelle nei tessuti esposti utilizzando l’imaging ad alta risoluzione, l’analisi chimica e la simulazione al computer. Dopo aver disegnato la mappa dell’andamento delle interazioni molecolari, hanno stabilito quali tra queste hanno innescato eventi specifici, anziché puramente biologici, quali ad esempio l’errato ripiegamento di una proteina, l’alterazione delle membrane, la catalisi di una reazione chimica o la penetrazione cellulare. L’apprendimento automatico e i modelli statistici hanno contribuito a collegare i dati biologici di tossicità alla descrizione chimico-fisica (ad esempio, lunghi aghi rigidi rispetto a particelle chimicamente aggressive, piccole e insolubili).
Niente è lasciato al caso
Il quadro dei percorsi degli esiti avversi descrive i legami causali tra un evento molecolare di avvio, una serie di importanti eventi intermedi e l’esito avverso. Il gruppo di ricerca si è proposto di descrivere i vari percorsi indipendenti che hanno condotto a malattie gravi, ma a destare sorpresa è stato l’elevato livello di interconnessione tra i percorsi degli esiti avversi, con la condivisione di importanti eventi intermedi analoghi tra i vari esiti negativi. Questa informazione ha prodotto un notevole miglioramento della capacità di previsione. Il coordinatore del progetto, Vladimir Lobaskin del College universitario di Dublino, spiega: «Per la prima volta, possiamo collegare direttamente le proprietà misurate o calcolate di un nanomateriale alle fasi centrali dello sviluppo della malattia e di prevedere se uno specifico materiale possa provocare fibrosi, problemi cardiovascolari o cancro». SmartNanoTox si è avvalso del nuovo potente paradigma di valutazione della sicurezza per dimostrare che un’infiammazione polmonare cronica causata da nanoparticelle poteva essere compresa dettagliatamente e prevista attraverso i test sulle colture cellulari e la simulazione al computer, senza ricorrere alla sperimentazione animale. I risultati sono stati pubblicati su «Advanced Materials». Inoltre, il gruppo ha dimostrato che questa patologia cronica poteva essere provocata da una singola esposizione a determinati materiali biopersistenti.
Prevedere la malattia cronica con strumenti in vitro e in silico
Presso i partner sono disponibili i sistemi di test in vitro per l’esposizione all’aerosol e i dispositivi a cellule sensoriali che impiegano la tecnologia dei tessuti on-chip. Altri strumenti sono disponibili nelle banche dati accessibili gratuitamente o negli archivi di software open-source, tra cui NanoCommons KnowledgeBase, AOP-Wiki e Gene Expression Omnibus. «Il nostro singolare tentativo di collegare la fisica, la chimica e la biologia alla medicina ha messo in relazione le strutture elementari dei nanomateriali con le loro azioni biologiche. Con ciò, abbiamo dimostrato che è possibile prevedere le condizioni sanitarie croniche provocate dall’esposizione ai nanomateriali con semplici test in vitro e con la simulazione al computer», conclude Lobaskin. Gli strumenti di SmartNanoTox avranno impatti di vasta portata sulle applicazioni dei nanomateriali, che potrebbero incidere sui sistemi viventi in un determinato momento del loro ciclo di vita.
Parole chiave
SmartNanoTox, nanomateriale, AOP, fisico-chimico, tossicità, valutazione di sicurezza, nanoparticella, biopersistente, percorso degli esiti avversi
