Modelli completi contribuiscono alla progettazione di nanoparticelle sicure
La notevole complessità dei nanomateriali rende la modellizzazione un’opzione molto più rapida, meno costosa e probabilmente più accurata per valutare l’attività biologica e la tossicità, rispetto all’esecuzione di test. Gli scienziati che lavorano al progetto NANOTRANSKINETICS (Modelling basis and kinetics of nanoparticle interaction with membranes, uptake into cells, and sub-cellular and inter-compartmental transport), finanziato dall’UE, hanno sviluppato modelli matematici focalizzati su quattro livelli chiave di trasporto e cinetica delle nanoparticelle (NP) all’interno di sistemi biologici. Il primo livello è l’effetto delle interazioni con i liquidi biologici sulle proprietà fisico-chimiche delle NP. Ad esempio, dopo l’inserimento di fluidi biologici, una NP sviluppa una cosiddetta corona biomolecolare, dovuta all’adesione di proteine e lipidi derivati dall’ambiente biologico. La corona biomolecolare successivamente altera l’interazione di NP con cellule e tessuti. Il livello successivo è l’interazine con la matrice extracellulare e le membrane che circondano le cellule, a cui fa seguito la cinetica dell’assorbimento cellulare, il trasporto entro le cellule e la finale distribuzione sub-cellulare. Infine, gli scienziati creano modelli di cinetica delle NP mentre attraversano le barriere biologiche, ad esempio tra sangue e cervello. Sono stati compiuti notevoli progressi sullo sviluppo di modelli a tutti e quattro i livelli. Molti esperimenti maggiormente dedicati, che coinvolgono dati microscopici sull’interazione NP-cellule, in parallelo con l’applicazione di modelli in fase di sviluppo, hanno prodotto una massiccia quantità di dati di alta qualità. È stata incoraggiata la collaborazione a stretto contatto tra ricercatori ed esperti del settore. I fattori critici riguardanti i dati sono stati identificati per l’inserimento all’interno di modelli e database. I ricercatori hanno inoltre convalidato i modelli utilizzando dati fisico-chimici mediante la mappatura degli epitopi della corona e l’uso di modelli in vitro del fegato per determinare l’interazione con i recettori cellulari. Una suite di applicazioni sviluppate dai ricercatori del progetto per prevedere la formazione di complessi NP è stata diffusa ai progetti finanziati dall’UE insieme ai fattori essenziali necessari per riprodurre insiemi di dati sperimentali. Nel caso di molte NP in uso o di imminente commercializzazione, i loro effetti sui sistemi umani e ambientali sono ampiamente sconosciuti. Gli strumenti di modellazione del progetto NANOTRANSKINETICS affronteranno l’urgenza delle valutazioni di tossicità relative a tali materiali. Inoltre, questi strumenti potrebbero contribuire a porre le basi sia per la progettazione che per la regolazione di NP futuri, ovvero il fondamento di un uso sicuro.
Parole chiave
Modelli, nanoparticelle, trasporto, cinetica, sistemi biologici
