Метод без животных предсказывает токсичность наночастиц для более безопасных промышленных материалов

Ежедневно наши легкие подвергаются воздействию множества опасных частиц в воздухе. Наночастицы из-за своего малого размера могут достигать чувствительной альвеолярной области легких и вызывать воспаление даже после однократного вдыхания, что при длительном воздействии приводит к тяжелым заболеваниям, таким как болезни сердца, повреждение мозга и рак легких. В промышленности токсичные наночастицы могут высвобождаться в окружающую среду при производстве, обработке, деградации или сгорании материалов. Несмотря на прогресс в моделях нанотоксикологии, ни in vitro, ни in silico методы тестирования пока не могут надежно предсказывать неблагоприятные исходы или заменять тестирование in vivo. Для облегчения внедрения более безопасных материалов необходимы новые стратегии тестирования, позволяющие предсказывать потенциальную токсичность промышленных наночастиц до и в процессе производства.

Раскрытие клеточных механизмов

Исследовательская группа доктора Тобиаса Штёгера в Helmholtz Zentrum München сосредоточена на углубленном механистическом понимании взаимодействий между наночастицами и клетками легких, особенно в контексте возникающего воспаления. В сотрудничестве с партнерами по проекту SmartNanoTox EU группа обнаружила, что для некоторых материалов длительный воспалительный ответ на однократное воздействие наночастицы может возникать из-за двух ранее неизвестных ключевых клеточных событий:

1. Процесс карантинизации — отложение на поверхности клетки выделенных неподвижных комплексов наночастиц, обернутых биологическими молекулами.
2. Циклирование наноматериала — перемещение наночастиц между различными типами альвеолярных клеток легких.

«Эти новые знания позволили нам глубже понять, как воспалительный ответ в легких возникает из взаимодействий частица-клетка. Возможность точно определить происхождение этих двух ключевых событий и количественно описать их стала прорывом, который помог нам построить наш метод прогнозирования», — говорит Штёгер.

Шаг к разработке материалов по принципу «безопасность через дизайн»

Используя лишь небольшой набор данных in vitro измерений и комбинируя их с in silico моделированием, исследователи получили представление о токсичности наночастиц и смогли предсказать спектр воспаления легких (от острого до хронического) для ряда из 15 выбранных материалов. Штёгер добавляет: «Возможность делать такой прогноз означает, что мы можем сделать шаг ближе к разработке материалов по принципу "безопасность через дизайн". Это окажет глубокое влияние на безопасность, скорость и рентабельность новых материалов».

Дополнительное преимущество: тестирование без животных

В настоящее время тестирование безопасности в значительной степени опирается на исследования на животных. Хотя эксперименты на животных по-прежнему незаменимы для механистических и хронических токсикологических исследований, они менее подходят для прогностических тестов в рамках безопасного производства новых материалов. Данное исследование представляет альтернативную стратегию тестирования без животных, пригодную для высокопроизводительного скрининга и совместимую с in silico моделированием.