Diervrije methode voorspelt de toxiciteit van nanodeeltjes voor veiligere industriële materialen

Onze longen worden dagelijks blootgesteld aan een groot aantal gevaarlijke deeltjes in de lucht. Nanodeeltjes kunnen, vanwege hun kleine formaat, het gevoelige alveolaire gebied van de menselijke long bereiken en zelfs na een enkele inademing een ontsteking veroorzaken, wat leidt tot ernstige ziekten zoals hartaandoeningen, hersenbeschadiging en longkanker bij langdurige blootstelling. Bij de fabricage kunnen giftige nanodeeltjes in het milieu terechtkomen tijdens de productie, verwerking, afbraak of verbranding van materialen. Ondanks vooruitgang in modellen voor nanotoxicologie, kunnen momenteel noch in vitro noch in silico testtools op betrouwbare wijze ongunstige resultaten voorspellen of in vivo testen vervangen. Om de introductie van veiligere materialen in ons leven te vergemakkelijken, zijn nieuwe teststrategieën nodig om de potentiële toxiciteit van industriële nanodeeltjes vóór en tijdens het productieproces te voorspellen.

De cellulaire mechanismen ontgrendelen

Bij Helmholtz Zentrum München richt de onderzoeksgroep van Dr. Tobias Stöger zich op een verbeterd mechanistisch begrip van de interacties tussen nanodeeltjes en longcellen, vooral met het oog op de ontstane ontsteking. In samenwerking met partners van het SmartNanoTox EU-project ontdekte de onderzoeksgroep dat voor bepaalde materialen de langdurige ontstekingsreactie op een eenmalige blootstelling aan een nanodeeltje afkomstig kan zijn van twee cellulaire sleutelgebeurtenissen die tot dusver onbekend waren: ten eerste, het quarantaineproces dat is de afzetting van uitgescheiden immobiele composieten van de nanodeeltjes omwikkeld met biologische moleculen op het celoppervlak. Ten tweede, de zogenaamde nanomaterialencycli die de beweging van de nanodeeltjes tussen verschillende alveolaire longceltypen met zich meebrengt.

“Met deze nieuwe inzichten hebben we een diepere, allesomvattende benadering ontwikkeld over hoe een ontstekingsreactie in de longen voortkomt uit interacties tussen deeltjes en cellen. De oorsprong van deze twee belangrijke gebeurtenissen kunnen achterhalen en deze kwantitatief kunnen beschrijven, was een doorbraak, aangezien het ons hielp bij het bouwen van onze voorspellingsmethode “, zegt Stöger.

Een stap dichter bij materiaalontwikkeling met een veilig ontwerp

Gebruikmakend van slechts een kleine set gegevens van in vitro metingen en door deze te combineren met in silico-modellering, verzamelden de onderzoekers inzichten over de toxiciteit van nanodeeltjes en slaagden ze erin het spectrum van longontsteking (van acuut tot chronisch) geassocieerd met een bereik van 15 geselecteerde materialen. Stöger voegt eraan toe: “Door zo’n voorspelling te kunnen doen, kunnen we een stap dichter bij een materiaalontwikkeling die veilig is door ontwerp. Dit zal ingrijpende gevolgen hebben voor de veiligheid, snelheid en kosteneffectiviteit van nieuwe materialen.”

Bijkomend voordeel: diervrij testen

Momenteel zijn veiligheidstests sterk afhankelijk van dierstudies. Hoewel dierproeven nog steeds onmisbaar zijn voor mechanistische en chronische toxicologische studies, zijn ze minder geschikt voor voorspellende tests binnen een safe-by-design-productie van nieuwe materialen. Deze studie introduceert een alternatieve diervrije teststrategie, geschikt voor high-throughput testen en koppelbaar met in silico-modellering.