Prof. Robert Rallo, coordinador del proyecto MODERN, analiza el nuevo enfoque de la iniciativa para la evaluación de la nanotoxicidad, lo que podría ayudarnos a avanzar hacia una adopción más amplia de métodos in silico.

El proyecto MODERN se ha propuesto comprender mejor cómo afectan las nanopartículas a la salud humana y ambiental. Su nuevo enfoque, que se basa en nuevos métodos computacionales para caracterizar la estructura de nanopartículas y modelos in silico para evaluar sus efectos, también promete reducir la necesidad de pruebas in vivo.

Históricamente, La presión del mercado a menudo ha dado lugar a que la innovación científica esté disponible para los consumidores incluso antes de que fuéramos plenamente conscientes de sus entresijos. Este fue especialmente el caso del amianto, y el mismo escenario podría muy bien repetirse con la nanotecnología si no se realizan los estudios de evaluación de seguridad adecuados y no se toman las medidas políticas en consecuencia:según algunas de las últimas previsiones, el mercado de la nanotecnología crecerá hasta alcanzar los 75.800 millones de dólares estadounidenses (65.800 millones de euros) en 2020. Y aunque las nanopartículas artificiales (eNP) ya están muy extendidas en la industria de los cosméticos, pintura y electrónica, todavía no sabemos mucho sobre sus posibles efectos a largo plazo en los sistemas biológicos.

Para obtener una mejor comprensión, Los científicos todavía dependen en gran medida de las pruebas con animales, a pesar de los esfuerzos de los activistas de protección animal, científicos y responsables de la formulación de políticas para centrarse en métodos de prueba alternativos. En consonancia con los esfuerzos de la UE para aplicar estrategias de prueba adecuadas y con el fin de superar los obstáculos actuales para una adopción más amplia de métodos in silico, Prof. Robert Rallo, coordinador de MODERN, inició el proyecto MODERN en enero de 2013.

Un par de meses antes del final del proyecto, nos cuenta sus logros y el impacto esperado en los métodos de evaluación de la toxicidad de eNP.

¿Diría que se está haciendo lo suficiente en Europa para medir la toxicidad de los eNP? antes de que salgan al mercado?

En los últimos años, la UE ha iniciado un esfuerzo significativo destinado a definir los principios científicos y metodológicos para las pruebas in vitro e in vivo de nanomateriales. Aunque todavía faltan regulaciones específicas sobre el uso de productos con nanotecnología, la UE está en camino de proporcionar una base para la implementación de estrategias de prueba apropiadas que respaldarán la evaluación de riesgos y la toma de decisiones regulatorias.

La diversidad de nanomateriales (p. Ej., diversas combinaciones de composición química, estructura núcleo-caparazón, forma, funcionalización) hace que la prueba exhaustiva de nanomateriales sea una tarea abrumadora. En este contexto, El desarrollo y la validación de métodos de cribado de alto rendimiento junto con la implementación de herramientas in silico (como las desarrolladas en MODERN y en otros proyectos de modelado NMP del 7PM) contribuirán en un futuro próximo a proporcionar métodos de prueba alternativos adecuados para la evaluación de un gran cantidad de nanomateriales de manera eficiente y rentable.

¿Por qué la evaluación de la toxicidad de eNP depende tanto de la experimentación con animales?

La razón principal es que los ensayos in vitro y las herramientas in silico actuales aún no se aceptan como sistemas modelo fiables para la toxicidad de los nanomateriales. Lidiar con el "ruido biológico" (es decir, variabilidad de los datos) en ensayos in vitro de alto rendimiento es uno de los desafíos más urgentes que deben abordarse. Además, existe una necesidad igualmente urgente de desarrollar grandes bases de datos de datos experimentales de alta calidad para el desarrollo y validación de herramientas de predicción de toxicidad in silico.

¿Cómo piensa llenar este vacío?

En MODERN estamos desarrollando herramientas in silico para la evaluación de la nanotoxicidad utilizando diferentes tipos de información sobre nanopartículas. El proyecto sigue un enfoque integrado que combina diferentes tipos de información en el marco de vías específicas de resultados adversos. Específicamente, nos enfocamos en los efectos de nanotoxicidad impulsados ​​por las respuestas al estrés oxidativo. Hemos desarrollado metodologías novedosas para el cálculo de nanodescriptores dependientes del tamaño utilizando métodos de modelado molecular y química cuántica. así como nano- (Q) SAR basado en los descriptores desarrollados para una serie de criterios de valoración de ecotoxicidad en diferentes especies, incluidos los protozoos, algas y bacterias.

Otro logro es el desarrollo de una metodología de normalización novedosa para datos ómicos que es útil para revelar la actividad de genes y vías a baja concentración (es decir, en condiciones de exposición ambiental realistas). También se han desarrollado y validado modelos para predecir las interacciones de las células de nanopartículas basados ​​en la composición de la corona de proteínas de las nanopartículas. Finalmente, Estamos tratando de aumentar la precisión de los modelos actuales identificando categorías homogéneas de nanopartículas y desarrollando nuevos modelos locales para cada categoría específica.

¿Los modelos que desarrolló cumplen con sus expectativas iniciales?

Hemos demostrado que la integración de diferentes tipos de información (por ejemplo, propiedades fisicoquímicas, características estructurales y perfiles de bioactividad en diferentes niveles de organización biológica) sobre los efectos de las nanopartículas es fundamental para el desarrollo de herramientas in silico adecuadas para la evaluación de riesgos de los nanomateriales y la toma de decisiones.

Dado que los modelos computacionales pueden orientar el diseño de nuevas nanopartículas con toxicidad controlada, Las herramientas in silico también se pueden aplicar para nanomateriales de diseño seguro. Sin embargo, todavía existe una falta significativa de información (pública) sobre la toxicidad de las nanopartículas, lo que permite evaluar adecuadamente los modelos y ampliar su dominio de aplicabilidad. Como consecuencia, Los modelos actuales solo se pueden utilizar como herramientas de detección preliminares que proporcionan una indicación de los posibles efectos adversos de un nanomaterial. Serán necesarias más pruebas in vitro (y posiblemente in vivo) para confirmar si una nanopartícula determinada tiene implicaciones de toxicidad.

¿Tendería a estar de acuerdo con los científicos que dicen que es imposible dejar de usar completamente las pruebas con animales cuando se trata de la evaluación de la toxicidad de ENP?

Actualmente la respuesta es sí. Será necesario realizar pruebas in vivo para garantizar la seguridad de los productos con nanotecnología. especialmente para aquellas nanopartículas utilizadas en aplicaciones médicas. Sin embargo, El desarrollo de ensayos in vitro más robustos combinados con herramientas predictivas in silico tendrá el potencial de contribuir a una reducción significativa en el número de animales utilizados para las pruebas.

En el futuro cercano, con el aumento continuo de la potencia informática y con una mejor comprensión de los mecanismos de interacción nano-bio, Estoy seguro de que seremos capaces de realizar simulaciones precisas de las interacciones entre nanopartículas y sistemas biológicos que tendrán el potencial de reemplazar completamente las pruebas con animales.

¿Cuáles diría que son las cosas más importantes que ha aprendido de su investigación hasta ahora?

La primera y más importante lección es que nuestra comprensión y capacidad de modelado de la nanotoxicidad todavía está lejos de lo que tenemos para la toxicidad química. Todavía existe una falta significativa de conocimiento sobre los mecanismos y modos de acción de la nanotoxicidad. También, la cantidad de datos disponibles para el desarrollo de modelos y, lo que es más importante, para la validación del modelo:es muy limitado en comparación con los datos disponibles para los productos químicos.

Todavía existen muchos desafíos que obstaculizan el desarrollo de herramientas de detección de nanotoxicidad in silico, y la cantidad limitada de datos es solo uno de los factores limitantes. Entre otros, Las necesidades importantes actuales incluyen el desarrollo de una nomenclatura para describir los nanomateriales sin ambigüedades; protocolos estandarizados para pruebas de nanotoxicidad; protocolos para ensayos de cribado de alto rendimiento y sus metodologías de preprocesamiento de datos asociados con el fin de generar suficientes datos para enriquecer y mejorar los modelos in silico actuales; y métodos para clasificar los peligros, evaluación de riesgos y toma de decisiones.

¿Qué es lo que aún necesita lograr antes de que finalice el proyecto en diciembre?

Actualmente estamos evaluando la capacidad predictiva de los descriptores de modelado molecular y de química cuántica para las nanopartículas de óxido metálico que hemos desarrollado hasta ahora. Los métodos computacionales para generar los nanodescriptores también se están refinando para incorporar cambios estructurales como el dopaje metálico. Paralelamente, estamos utilizando información obtenida de la categorización de nanopartículas para desarrollar modelos conjuntos de nanotoxicidad basados ​​en una colección de nano-QSAR sintonizados localmente. La información proporcionada por estos modelos se utilizará en una etapa final para proporcionar una clasificación de peligros y herramientas preliminares de evaluación de riesgos para los nanomateriales.