Prof. Roberto Rallo, coordinatore del progetto MODERN, discute il nuovo approccio dell'iniziativa alla valutazione della nanotossicità, che potrebbe aiutarci a orientarci verso una più ampia adozione dei metodi in silico.

Il progetto MODERN si è proposto di comprendere meglio come le nanoparticelle influiscano sull'ambiente e sulla salute umana. Il loro nuovo approccio, che si basa su nuovi metodi computazionali per caratterizzare la struttura delle nanoparticelle e modelli in silico per valutarne gli effetti, promette inoltre di ridurre la necessità di test in vivo.

Storicamente, la pressione del mercato ha spesso portato l'innovazione scientifica a disposizione dei consumatori ancor prima che ne fossimo pienamente consapevoli. Questo è stato in particolare il caso dell'amianto, e lo stesso scenario potrebbe benissimo ripetersi con la nanotecnologia se non vengono condotti adeguati studi di valutazione della sicurezza e adottate misure politiche di conseguenza:secondo alcune delle ultime previsioni, il mercato delle nanotecnologie crescerà fino a raggiungere 75,8 (65,8) miliardi di euro entro il 2020. E mentre le nanoparticelle ingegnerizzate (eNP) sono già diffuse in prodotti come i cosmetici, vernice ed elettronica, non sappiamo ancora molto sui loro possibili effetti a lungo termine sui sistemi biologici.

Per avere una migliore comprensione, gli scienziati fanno ancora molto affidamento sui test sugli animali, nonostante gli sforzi degli attivisti per la protezione degli animali, scienziati e decisori politici a focalizzare l'attenzione su metodi di prova alternativi. In linea con gli sforzi dell'UE per attuare strategie di sperimentazione adeguate e al fine di superare gli attuali ostacoli a una più ampia adozione dei metodi in silico, Prof. Roberto Rallo, coordinatore di MODERN, ha avviato il progetto MODERN nel gennaio 2013.

Un paio di mesi prima della fine del progetto, ci parla dei suoi risultati e dell'impatto previsto sui metodi di valutazione della tossicità eNP.

Diresti che in Europa si sta facendo abbastanza per misurare la tossicità degli eNP, prima di essere immessi sul mercato?

Negli ultimi anni l'UE ha avviato uno sforzo significativo volto a definire i principi scientifici e metodologici per i test in vitro e in vivo dei nanomateriali. Sebbene manchino ancora normative specifiche sull'uso dei prodotti abilitati alle nanotecnologie, l'UE è sulla buona strada per fornire una base per l'attuazione di strategie di test appropriate che supporteranno la valutazione del rischio e il processo decisionale normativo.

La diversità dei nanomateriali (ad es. diverse combinazioni di composizione chimica, struttura nucleo-guscio, forma, funzionalizzazione) rende il test esaustivo dei nanomateriali un compito arduo. In tale contesto, lo sviluppo e la convalida di metodi di screening ad alto rendimento insieme all'implementazione di strumenti in silico (come quelli sviluppati in MODERN e in altri progetti di modellazione NMP del 7° PQ) contribuiranno nel prossimo futuro a fornire metodi di test alternativi adatti alla valutazione di un ampio numero di nanomateriali in modo efficiente ed economico.

Perché la valutazione della tossicità eNP si basa così tanto sui test sugli animali?

Il motivo principale è che gli attuali saggi in vitro e gli strumenti in silico non sono ancora accettati come sistemi modello affidabili per la tossicità dei nanomateriali. Affrontare il "rumore biologico" (cioè, variabilità dei dati) nei saggi in vitro ad alto rendimento è una delle sfide più urgenti da affrontare. Inoltre c'è un bisogno altrettanto urgente di sviluppare grandi database di dati sperimentali di alta qualità per lo sviluppo e la validazione di strumenti di previsione della tossicità in silico.

Come intende colmare questa lacuna?

In MODERN stiamo sviluppando strumenti in silico per la valutazione della nanotossicità utilizzando diversi tipi di informazioni sulle nanoparticelle. Il progetto segue un approccio integrato che combina diversi tipi di informazioni nell'ambito di specifici Adverse Outcome Pathways. In particolare ci concentriamo sugli effetti della nanotossicità guidati dalle risposte allo stress ossidativo. Abbiamo sviluppato nuove metodologie per il calcolo di nanodescrittori dipendenti dalle dimensioni utilizzando la chimica quantistica e approcci di modellazione molecolare, nonché nano-(Q)SAR basato sui descrittori sviluppati per una serie di endpoint di ecotossicità in diverse specie, compresi i protozoi, alghe e batteri.

Un altro risultato è lo sviluppo di una nuova metodologia di normalizzazione per i dati omici che è utile per svelare l'attività del gene e del percorso a bassa concentrazione (cioè, in condizioni di esposizione ambientale realistiche). Sono stati inoltre sviluppati e convalidati modelli per prevedere le interazioni cellulari delle nanoparticelle basati sulla composizione della corona proteica della nanoparticella. Finalmente, stiamo cercando di aumentare l'accuratezza dei modelli attuali identificando categorie omogenee di nanoparticelle e sviluppando nuovi modelli locali per ogni specifica categoria.

I modelli che hai sviluppato soddisfano le tue aspettative iniziali?

Abbiamo dimostrato che l'integrazione di diversi tipi di informazioni (ad es. proprietà fisico-chimiche, caratteristiche strutturali e profili di bioattività a diversi livelli di organizzazione biologica) riguardanti gli effetti delle nanoparticelle è fondamentale per lo sviluppo di strumenti in silico adatti alla valutazione del rischio dei nanomateriali e al processo decisionale.

Poiché i modelli computazionali possono guidare la progettazione di nuove nanoparticelle con tossicità controllata, gli strumenti in silico possono essere applicati anche per nanomateriali sicuri. Tuttavia, vi è ancora una significativa mancanza di informazioni (pubbliche) sulla tossicità delle nanoparticelle che consentano di valutare adeguatamente i modelli e di ampliare il loro campo di applicabilità. Come conseguenza, i modelli attuali possono essere utilizzati solo come strumenti di screening preliminare che forniscono un'indicazione dei potenziali effetti negativi di un nanomateriale. Saranno necessari ulteriori test in vitro (e possibilmente in vivo) per confermare se una determinata nanoparticella ha o meno implicazioni di tossicità.

Tendereste ad essere d'accordo con gli scienziati che dicono che è impossibile smettere completamente di usare i test sugli animali quando si tratta di valutazione della tossicità ENP?

Attualmente la risposta è sì. Saranno necessari test in vivo per garantire la sicurezza dei prodotti abilitati alle nanotecnologie, specialmente per quelle nanoparticelle utilizzate nelle applicazioni mediche. Però, lo sviluppo di saggi in vitro più robusti combinati con strumenti predittivi in ​​silico avrà il potenziale di contribuire a una significativa riduzione del numero di animali utilizzati per i test.

Nel futuro prossimo, con il continuo aumento della potenza di calcolo e con una migliore comprensione dei meccanismi di interazione nano-bio, Sono fiducioso che saremo in grado di eseguire simulazioni accurate delle interazioni tra nanoparticelle e sistemi biologici che avranno il potenziale per sostituire completamente i test sugli animali.

Quali diresti che sono le cose più importanti che hai imparato dalla tua ricerca finora?

La prima e più importante lezione è che la nostra capacità di comprensione e modellizzazione della nanotossicità è ancora lontana da quella che abbiamo per la tossicità chimica. C'è ancora una significativa mancanza di conoscenza riguardo ai meccanismi e alle modalità di azione della nanotossicità. Anche, la quantità di dati disponibili per lo sviluppo del modello e, cosa più importante, per la convalida del modello, è molto limitato rispetto ai dati disponibili per le sostanze chimiche.

Ci sono ancora molte sfide che ostacolano lo sviluppo di strumenti di screening della nanotossicità in silico, e la quantità limitata di dati è solo uno dei fattori limitanti. Tra gli altri, le attuali importanti esigenze includono lo sviluppo di una nomenclatura per descrivere i nanomateriali in modo univoco; protocolli standardizzati per test di nanotossicità; protocolli per saggi di screening ad alto rendimento e relative metodologie di pre-elaborazione dei dati al fine di generare dati sufficienti per arricchire e migliorare gli attuali modelli in silico; e metodi per la classificazione dei pericoli, valutazione del rischio e processo decisionale.

Cosa devi ancora ottenere prima che il progetto termini a dicembre?

Attualmente stiamo valutando la capacità predittiva della chimica quantistica e dei descrittori di modellistica molecolare per le nanoparticelle di ossido di metallo che abbiamo sviluppato finora. Anche i metodi computazionali per generare i nanodescrittori sono in fase di perfezionamento per incorporare cambiamenti strutturali come il drogaggio dei metalli. Parallelamente stiamo utilizzando le informazioni ottenute dalla categorizzazione delle nanoparticelle per sviluppare modelli di nanotossicità d'insieme basati su una raccolta di nano-QSAR sintonizzati localmente. Le informazioni fornite da questi modelli verranno quindi utilizzate in una fase finale per fornire una classificazione dei pericoli e strumenti preliminari di valutazione del rischio per i nanomateriali.