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Computational 'eco-toxicity' assessment of pharmaceutical and cosmetics materials, an approach towards a green and sustainable environment

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Computergestützte Lösung zur Bewertung der chemischen Toxizität

Dank der Entwicklung computergestützter Modelle und Instrumente lässt sich die Toxizität bestimmter Chemikalien genau vorhersagen. So hätte die Industrie die Möglichkeit, die Sicherheit ihrer Produkte für Verbraucher und Umwelt zu gewährleisten.

Digitale Wirtschaft
Klimawandel und Umwelt

Sowohl die pharmazeutische als auch die kosmetische Industrie verbrauchen große Mengen an Energie und erzeugen enorme Mengen an Abfall. Wenn dieser nicht ordnungsgemäß entsorgt wird, können einige der bei der Herstellung verwendeten Chemikalien, wie z. B. Lösungsmittel, in den Boden oder ins Grundwasser gelangen. „Problematisch ist auch, dass Chemikalien aus pharmazeutischen und kosmetischen Produkten nach der Ausscheidung aus unserem Körper in die Kanalisation gelangen“, erklärt der Koordinator des Projekts Eco-CosmePharm, Rafael Gozalbes, Geschäftsführer des Unternehmens ProtoQSAR in Spanien. „Nicht alle Abwasseraufbereitungsanlagen sind für die Entfernung dieser Chemikalien ausgelegt. Dies kann dazu führen, dass pharmazeutische und kosmetische Endprodukte in die aquatische Umwelt gelangen.“ Wenn wir diesem Problem wirksam begegnen wollen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass diejenigen Chemikalien ermittelt werden, die sich schädlich auf Wasserlebewesen auswirken. Toxizitätstests können jedoch kostenintensiv und zeitaufwändig sein, was eine große Herausforderung darstellt.

Prüfung auf Toxizität

Das Projekt Eco-CosmePharm, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, zielte darauf ab, Technologien einzusetzen, die eine bequeme und kosteneffiziente Alternative zu Labortests darstellen. „Unser Ziel war es, die Auswirkungen potenziell gefährlicher Arzneimittel, Kosmetika und Lösungsmittel rechnerisch zu ermitteln“, sagt Gozalbes. „Wir stützen uns daher auf Datenanalyse und Chemoinformatik, um den Toxizitätsgrad für Mensch und Umwelt vorherzusagen.“ Im Rahmen des Projekts wurde eine leistungsstarke Rechentechnik zur Vorhersage von Eigenschaften angewandt, die quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung (Quantitative Structure-Activity Relationship, QSAR) genannt wird. Diese Technik nutzt Algorithmen des maschinellen Lernens, um die strukturellen Merkmale oder Muster zu verstehen, die für die Eigenschaften von Molekülen (in diesem Fall die aquatische Toxizität) verantwortlich sind. „Die von uns erstellten Multitasking-QSAR-Modelle wurden dann zur Prüfung von vermarkteten Arzneimitteln und Kosmetika verwendet, um potenzielle Chemikalien zu identifizieren, die für Wasserlebewesen schädlich sein könnten“, fügt Marie Skłodowska-Curie-Stipendiat Pravin Ambure hinzu. „Es wurden etwa 35 Chemikalien ausgewählt und ihr Toxizitätsgrad im Labor validiert, um die Genauigkeit der Modellierung zu bestätigen.“ Die im Rahmen des Projekts Eco-CosmePharm entwickelten Modelle sind „multitaskingfähig“, d. h. sie können eine Reihe von Parametern und Variablen berücksichtigen, u. a. die Bedingungen im Wasser. Das bedeutet, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Modelle so anwenden können, dass sie auf bestimmte Bedingungen von Interesse zugeschnitten sind. „Die durch Eco-CosmePharm gewonnenen Erkenntnisse haben es uns bereits erlaubt, einige auf dem Markt befindliche Arzneimittel und Kosmetika gemäß ihrer Toxizität für die aquatische Umwelt zu klassifizieren“, fährt Gozalbes fort. „Mit Hilfe der Chemoinformatik können wir dann neuartige Analoga ausgewählter toxischer Chemikalien entwickeln oder alternative Chemikalien ermitteln, die ähnliche wünschenswerte Eigenschaften mit einer geringeren oder ganz ohne Ökotoxizität aufweisen.“

Marktfähige Softwareprodukte

Der Erfolg des Projekts Eco-CosmePharm begünstigte die Entwicklung zweier KI-gestützter Software-Instrumente für die Markteinführung mit den Bezeichnungen ‚ProtoML-Basic‘ und ‚ProtoML-Mixture‘. Mit diesen Instrumenten können verschiedene Aufgaben der quantitativen Struktur-Wirkungs-Beziehung und des maschinellen Lernens durchgeführt werden, entweder für einzelne Chemikalien oder für Gemische. „Diese Instrumente werden von ProtoQSAR als Bestandteil einer Reihe von Softwareprodukten angeboten“, erklärt Ambure. „Wir hoffen, dass sie den für politische Entscheidungen Verantwortlichen und den in der Industrie Beschäftigten zu einem besseren Bewusstsein des potenziellen Risikos einiger Chemikalien verhelfen werden, so dass diese nach Möglichkeit die sicherste Wahl treffen.“ Einer der nächsten Schritte wird die Bereitstellung einer benutzungsfreundlichen und interaktiven Online-Plattform sein, die dazu verwendet werden könnte, um bei der Abfrage einer beliebigen Gruppe von Chemikalien deren aquatische Toxizität vorhersagen zu können. Dadurch werden detaillierte Toxizitätsberichte für die Nutzenden erstellt. Gozalbes stellt sich vor, dass dieses Online-Instrument für die Prüfung von Verbindungen vor der behördlichen Zulassung sowie für die Auswahl von Verbindungen für weitere experimentelle Tests verwendet wird.

Schlüsselbegriffe

Eco-CosmePharm, ProtoQSAR, Pharmazeutika, Kosmetika, Abwasser, Toxizität, Lösungsmittel, aquatisch

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