Przyjaciele czy wrogowie? Nowa platforma pozwala na przewidywanie toksyczności nanocząsteczek
Nanomateriały cieszą się dużą popularnością ze względu na swoje wyjątkowe właściwości fizykochemiczne wynikające z niewielkich rozmiarów, dużej powierzchni, składu chemicznego, rozpuszczalności, kształtów i agregacji. W związku z tym ich zastosowanie może stanowić prawdziwy przełom w wielu sektorach, począwszy od rolnictwa i inżynierii, kończąc na materiałoznawstwie i medycynie. Jednak pomimo ich korzystnych właściwości, które są zdecydowanie wyjątkowe, zwłaszcza w porównaniu do materiałów o większej skali, ich stosowanie może wiązać się także z poważnym negatywnym wpływem na środowisko naturalne oraz zdrowie.
Filary wspierające zrównoważoną produkcję nanomateriałów
„Prognozowanie bezpieczeństwa nanomateriałów wymaga zrozumienia czynników, które wpływają na ich toksyczność. To z kolei wymaga od nas przede wszystkim wiedzy na temat wszystkich etapów cyklu życia syntetycznych nanocząsteczek – ich źródła, przeznaczenia, narażenia, dawek oraz reakcji. Wszystkie te elementy są ze sobą ściśle powiązane”, wyjaśnia Miguel A. Bañares, profesor Instytutu Katalizy i Petrochemii (CSIC) w Madrycie i koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu NanoInformaTIX. Zespół projektu NanoInformaTIX opracował nowatorskie narzędzie nanoinformatyczne, które łączy wszystkie te elementy, aby dzięki niemu zbadać przyczyny toksyczności nanomateriałów. „W pierwszej kolejności musimy poznać los środowiskowy nanocząsteczek, czyli zrozumieć, w jaki sposób będą się zachowywać podczas interakcji ze środowiskiem, na przykład czy będą się odkładać w formie osadu, czy raczej pozostaną luźne. Ustalenie ich losów środowiskowych pozwoli z kolei określić prawdopodobieństwo narażenia ludzi na ich oddziaływanie, a także ocenić zagrożenia dla zdrowia związane z tym narażeniem w zależności od ilości (dawki) nanocząsteczek oddziałującej na komórki i tkanki. To ważne ze względu na fakt, że to nasza fizjologia i drogi, którymi nanocząsteczki przedostają się do naszych organizmów, w dużej mierze determinują ich rozkład”, dodaje Bañares.
Rozwiązanie problemu fragmentacji danych w nanotoksykologii
Nowe wyniki badań stanowią nowe źródło danych dotyczących właściwości fizykochemicznych, toksykologicznych i ekotoksykologicznych nanocząsteczek. Jako takie dołączają do olbrzymich zbiorów danych wygenerowanych na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Problemem pozostaje jednak fakt, że takie dane pozostają w dużej mierze rozproszone. Rozwiązanie NanoInformaTIX, czyli zrównoważone internetowe ramy nanoinformatyczne, łączy istniejące i nowe zbiory danych, prezentując je w ramach szybkich i przyjaznych dla użytkowników końcowych interfejsów, aby zwiększyć dostępność i użyteczność modeli nanoinformatycznych dla przemysłu, organów regulacyjnych i społeczeństwa. „Wykorzystaliśmy najnowocześniejsze narzędzia obliczeniowe wywodzące się z różnych dziedzin nauki, aby wyodrębnić informacje, które mogą być związane z nanotoksykologią”, wyjaśnia Bañares. Opracowana w ramach projektu platforma udostępnia między innymi eNanoMapper, czyli jedno z największych źródeł danych o właściwościach toksykologicznych nanomateriałów.
Kompleksowy obraz toksyczności nanocząsteczek
„Wiedza na temat tego, w jaki sposób nanocząsteczki oddziałują na siebie nawzajem, na środowisko, a także na komórki i tkanki w naszych organizmach byłaby ograniczona, gdyby nasza platforma obejmowała jedynie dane i modele (eko)toksykologiczne – nawet gdybyśmy uwzględnili najnowsze osiągnięcia nauki. Musimy też poznać zasady, które wpływają na ich zachowanie”, podkreśla Bañares. W tym celu część prac skupiła się na opracowaniu nowych modeli opisujących same nanocząsteczki, a w szczególności sposób, w jaki ich struktura, kształt oraz defekty mogą wpływać na ich oddziaływania ze środowiskiem i naszymi komórkami. Co ważne, modele te zostały sprawdzone dzięki specjalnie zaprojektowanym doświadczeniom, które w znacznej mierze przyczyniły się do otrzymania stosownych deskryptorów toksyczności. Nowe modele i deskryptory toksyczności są kluczowe dla rozwoju modeli narażenia, rozprzestrzeniania w środowisku oraz reakcji na dawkę. Platforma NanoInformaTIX obejmuje także modele bezpieczeństwa na etapie projektowania, dzięki czemu pomaga zminimalizować zagrożenia związane z toksycznością na najwcześniejszych etapach produkcji nanomateriałów. Narzędzie wykorzystuje także dane doświadczalne do badania reaktywności powierzchni oraz podejścia omiczne w celu określania niekorzystnych efektów biologicznych wynikających z oddziaływań między nanocząsteczkami i komórkami. „W ramach prac z jednej strony udało nam się uzyskać dane, których otrzymanie w drodze doświadczeń byłoby albo bardzo trudne, albo niezwykle kosztowne. Z drugiej strony, połączone wykorzystanie narzędzi i nowych modeli pomaga zwiększyć nasze zrozumienie najbardziej fundamentalnych mechanizmów odpowiadających za toksyczność zaawansowanych technicznie nanomateriałów”, zauważa Bañares.
Słowa kluczowe
NanoInformaTIX, platforma, nanoinformatyka, nanocząsteczki, toksyczność nanocząsteczek, nanotoksykologia, losy środowiskowe, oddziaływania nanocząsteczka-komórka