È ancora vero che i dati provenienti da studi sugli animali sono necessari per valutare la sicurezza di una sostanza per l'uomo. Però, l'Istituto Fraunhofer per la tossicologia e la medicina sperimentale ITEM ha collaborato con 39 partner di 13 paesi su una serie di progetti, tutte hanno un obiettivo comune:portare un cambiamento di paradigma, lontano dalla sperimentazione animale e verso una comprensione più profonda di come funzionano le sostanze chimiche.

In Germania, il numero di animali sperimentali è rimasto sostanzialmente lo stesso da diversi anni. Secondo il ministero federale tedesco dell'alimentazione e dell'agricoltura (BMEL), un totale di 2, 825, 066 animali sono stati utilizzati in esperimenti su animali nel 2018. Dr. Sylvia Escher, capo del Dipartimento di Tossicologia In-silico al Fraunhofer ITEM di Hannover, sta cercando di sviluppare alternative alla sperimentazione animale. "Nel nostro istituto, lavoriamo con vari gruppi su nuovi concetti per la valutazione del rischio chimico, " spiega la chimica. I due esempi che lei nomina sono i progetti EXITOX e EU-ToxRisk. Entrambi mirano a sviluppare strategie di test basate su linee cellulari e sezioni di organi umani, che hanno lo scopo di ridurre e, a lungo termine, sostituire gli esperimenti sugli animali.

Un'alternativa migliore e più conservatrice

L'obiettivo è sviluppare un'alternativa che non sia solo più conservatrice ma anche migliore. Nella sperimentazione animale convenzionale, gli scienziati osservano per l'insorgenza di effetti tossici, come infiammazione o cambiamenti tissutali nell'organo interessato, dopo la somministrazione della sostanza in esame. In particolare, cercano di determinare se l'esposizione continua a una sostanza danneggia l'organismo o se una bassa concentrazione, come quella assorbita quotidianamente dall'aria, rimane acritico. "In EU-ToxRisk e EXITOX, stiamo studiando la modalità d'azione che porta all'effetto tossico osservato. E dato che stiamo usando sistemi di test umani piuttosto che test sugli animali, speriamo vivamente che i risultati siano più rilevanti per gli esseri umani, "dice Escher, sottolineando i vantaggi di questo approccio.

Diversi gruppi di lavoro di Fraunhofer ITEM sono coinvolti in tre dei nove casi di studio condotti nell'ambito del progetto EU-ToxRisk. Dott.ssa Tanja Hansen, capo del gruppo di lavoro sui sistemi di prova in vitro, sta attualmente studiando la tossicologia dei composti volatili, usando i dichetoni come esempio. Il rappresentante più noto di questo gruppo di sostanze è il diacetile, un composto chimico naturalmente presente nel burro. Una versione prodotta industrialmente viene utilizzata per dare un sapore di burro ai popcorn, Per esempio.

Simulazioni con tessuto umano

Cosa succede quando le persone inalano il diacetile? Può danneggiare i polmoni? Per rispondere a queste domande, Escher e Hansen utilizzano un apparato sviluppato presso Fraunhofer ITEM:il P.R.I.T. ExpoCube. Ciò consente loro di simulare l'effetto di sostanze volatili su cellule e tessuti.

Per simulare la situazione nel polmone, gli scienziati utilizzano cellule epiteliali bronchiali umane che vengono coltivate su membrane all'interfaccia aria-liquido. Il diacetile gassoso viene fatto passare sulla superficie di queste cellule mediante il P.R.I.T. ExpoCube. Vengono quindi impiegati metodi biochimici per esaminare l'effetto sulle cellule. Dopo un'analisi completa dell'espressione genica, i ricercatori possono identificare quali geni le cellule hanno attivato o disattivato. Quindi usano questi dati per determinare quali percorsi di segnale sono stati attivati ​​all'interno della cellula. Questi potrebbero essere percorsi di segnale che portano alla produzione di sostanze messaggere che causano infiammazione.

Nel passaggio successivo, l'indagine procede al livello dell'organo. Qui, i ricercatori utilizzano sezioni di tessuto vivente coltivate da polmoni umani, che possiedono molte funzioni dell'organo reale. Come per le colture cellulari, le sezioni polmonari sono ora esposte al diacetile nel P.R.I.T. ExpoCube e poi analizzato.

Per simulare il comportamento delle sostanze inalate nel corpo, i partner del progetto utilizzano modelli di calcolo complessi noti come "metodi in silico". Questi modelli computerizzati sono in grado di riprodurre con un alto grado di precisione come un organismo assorbe, distribuisce ed espelle una sostanza inalata. "In combinazione, i dati in vitro e in silico forniscono un quadro più accurato di come sostanze come il diacetile danneggiano i polmoni, "Spiega Escher.

Utilizzo di dati da sostanze simili

Un primo passo verso l'integrazione di metodi alternativi nella valutazione del rischio è l'approccio read-across. Se una nuova sostanza chimica deve essere approvata secondo questo metodo, il primo compito è quello di cercare sostanze simili per le quali esistono già dati tossicologici dalla sperimentazione animale. Nell'approccio read-across, questi dati vengono poi applicati alla nuova sostanza chimica. "Questo approccio è già in uso. In pratica, però, è ancora difficile dimostrare che due sostanze chimiche sono così simili da avere effettivamente la stessa tossicità, " dice Escher. "Questo è il motivo per cui gli approcci read-across spesso non sono accettati dalle autorità di regolamentazione".

Negli studi di caso, I team del progetto hanno studiato gruppi di sostanze strettamente correlate e hanno raccolto dati completi in vitro e in silico. Sulla base di queste indagini, sono stati in grado di dimostrare che i metodi alternativi sono perfettamente in grado di determinare la tossicità di materiali strutturalmente correlati.

Consultazione con le autorità di regolamentazione

Il progetto EU-ToxRisk coinvolge non solo le università, istituti di ricerca e aziende ma anche autorità di regolamentazione. Una stretta consultazione con i tossicologi che lavorano per gli organismi di regolamentazione è vitale se queste nuove strategie di test integrate devono avere successo. Perché è solo se le autorità nazionali e dell'UE approvano questi processi di nuova concezione per la valutazione della tossicità che i test sugli animali possono essere sostituiti.