La nanotecnologia è in piena espansione, ma la valutazione del rischio per queste minuscole particelle è un processo laborioso che presenta sfide significative all'Istituto federale tedesco per la valutazione dei rischi (BfR). Per trovare metodi di prova più efficienti, i ricercatori del Centro Helmholtz per la ricerca ambientale (UFZ) in collaborazione con gli scienziati del BfR hanno esaminato più da vicino gli effetti biologici. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Particle and Fiber Toxicology.

Dalle tinture ai materiali da costruzione, e dai prodotti cosmetici all'elettronica e alla medicina, i nanomateriali si trovano in molte applicazioni diverse. Ma quali sono questi materiali?

"I nanomateriali sono definiti esclusivamente dalle loro dimensioni, " spiega la dott.ssa Kristin Schubert del Dipartimento di biologia dei sistemi molecolari dell'UFZ. "I materiali di dimensioni comprese tra uno e 100 nanometri sono indicati come nanomateriali." Per aiutare a prevedere le loro dimensioni ridotte:un nanometro è solo un milionesimo di millimetro. Poiché i nanomateriali sono così piccoli, possono facilmente entrare nel corpo, per esempio attraverso i polmoni, pelle o tratto gastrointestinale, dove possono causare effetti negativi. Proprio come i prodotti chimici convenzionali, i nanomateriali devono quindi essere testati per i potenziali rischi per la salute prima di poter essere prodotti industrialmente, usato e commercializzato.

Attualmente, i test vengono eseguiti singolarmente per ciascun nanomateriale. E poiché anche i più piccoli cambiamenti, ad esempio, in termini di dimensioni o caratteristiche della superficie, possono influenzare la tossicità, sono inoltre necessarie prove separate per ciascuna variante di un nanomateriale. "La valutazione del rischio per i nanomateriali a volte è difficile e richiede molto tempo, " afferma il Dr. Andrea Haase del BfR. "E l'elenco delle sostanze da testare si allunga di giorno in giorno, perché la nanotecnologia sta crescendo fino a diventare una tecnologia chiave con un'ampia gamma di applicazioni. Abbiamo quindi urgente bisogno di trovare soluzioni per una valutazione del rischio più efficiente".

In che modo i nanomateriali possono essere adeguatamente classificati in gruppi? Ci sono somiglianze nei loro effetti? E quali proprietà dei materiali sono associate a questi effetti? Nel loro recente studio, i ricercatori dell'UFZ e del BfR ei rappresentanti dell'industria si sono messi a rispondere a queste domande. "Ci siamo concentrati sugli effetti biologici e abbiamo esaminato quali molecole e percorsi di segnalazione nella cellula sono influenzati da quali tipi di nanomateriali, "dice Schubert.

Attraverso esperimenti in vitro, i ricercatori hanno esposto le cellule epiteliali dei polmoni dei ratti a diversi nanomateriali e hanno cercato cambiamenti all'interno delle cellule. Per fare questo, hanno usato i cosiddetti metodi multi-omici:hanno identificato diverse migliaia di proteine ​​cellulari, vari lipidi e amminoacidi, e studiato importanti vie di segnalazione all'interno della cellula. Utilizzando una nuova tecnica di analisi bioinformatica, hanno valutato enormi volumi di dati e sono giunti ad alcuni risultati interessanti.

"Siamo stati in grado di dimostrare che i nanomateriali con effetti tossici inizialmente innescano lo stress ossidativo e che nel processo alcune proteine ​​sono up- o down-regolate nella cellula, " spiega Schubert. "In futuro, queste molecole chiave potrebbero fungere da biomarcatori per rilevare e fornire prove dei potenziali effetti tossici dei nanomateriali in modo rapido ed efficace." Se la tossicità del nanomateriale è elevata, aumenta lo stress ossidativo, si sviluppano processi infiammatori e dopo un certo punto, la cellula muore.

"Ora abbiamo una migliore comprensione di come i nanomateriali influenzano la cellula, ", afferma Haase. "E con l'aiuto dei biomarcatori ora possiamo anche rilevare effetti tossici molto più bassi di quelli possibili in precedenza". I ricercatori hanno anche identificato chiari legami tra alcune proprietà dei nanomateriali e i cambiamenti nel metabolismo cellulare. "Ad esempio, siamo stati in grado di dimostrare che i nanomateriali con un'ampia area superficiale influiscono sulla cellula in modo molto diverso da quelli con una piccola area superficiale, " dice Schubert. Sapere quali parametri giocano un ruolo chiave negli effetti tossici è molto utile. Significa che i nanomateriali possono essere ottimizzati durante il processo di fabbricazione, ad esempio attraverso piccole modifiche, e quindi effetti tossici ridotti.

"Il nostro studio ci ha fatto diversi grandi passi avanti, "dice Schubert. "Per la prima volta, abbiamo ampiamente analizzato i meccanismi biologici alla base degli effetti tossici, ha classificato i nanomateriali in gruppi in base ai loro effetti biologici e ha identificato biomarcatori chiave per nuovi metodi di test." Andrea Haase di BfR è più che soddisfatto:"I risultati sono importanti per il lavoro futuro. Contribuiranno a nuovi concetti per l'efficienza, una valutazione affidabile del rischio dei nanomateriali e stabilire la direzione in cui dobbiamo andare."