I nostri polmoni sono esposti quotidianamente a una moltitudine di particelle pericolose nell'aria. Nanoparticelle, per le loro piccole dimensioni, può raggiungere la regione alveolare sensibile del polmone umano e innescare l'infiammazione anche dopo una singola inalazione che porta a gravi malattie come le malattie cardiache, danno cerebrale e cancro ai polmoni per esposizione prolungata. Nella produzione, nanoparticelle tossiche possono essere rilasciate nell'ambiente durante la produzione, in lavorazione, degradazione o combustione dei materiali. Nonostante i progressi nei modelli per la nanotossicologia, attualmente né gli strumenti di test in vitro né quelli in silico possono prevedere in modo affidabile esiti avversi o sostituire i test in vivo. Al fine di facilitare l'introduzione di materiali più sicuri nelle nostre vite, sono necessarie nuove strategie di test per prevedere la potenziale tossicità delle nanoparticelle industriali prima e durante il processo di produzione.

Sbloccare i meccanismi cellulari

All'Helmholtz Zentrum München, il gruppo di ricerca del Dr. Tobias Stöger si sta concentrando su una migliore comprensione meccanicistica delle interazioni tra nanoparticelle e cellule polmonari, soprattutto in vista della conseguente infiammazione. In collaborazione con i partner del progetto SmartNanoTox EU, il gruppo di ricerca ha scoperto che per alcuni materiali la risposta infiammatoria di lunga durata a una singola esposizione a una nanoparticella può originare da due eventi chiave cellulari finora sconosciuti:primo, il processo di quarantena che è la deposizione di compositi immobili escreti delle nanoparticelle avvolte con molecole biologiche sulla superficie cellulare. Secondo, il cosiddetto ciclo dei nanomateriali che comporta il movimento delle nanoparticelle tra diversi tipi di cellule polmonari alveolari.

"Con queste nuove intuizioni, abbiamo sviluppato un approccio globale più approfondito su come una risposta infiammatoria nel polmone abbia origine dalle interazioni tra particelle e cellule. Essere in grado di individuare l'origine di questi due eventi chiave e descriverli quantitativamente è stata una svolta in quanto ci ha aiutato a costruire il nostro metodo di previsione", dice Stoger.

Un passo avanti verso lo sviluppo di materiali sicuri fin dalla progettazione

Utilizzando solo una piccola serie di dati da misurazioni in vitro e combinandoli con la modellazione in silico, i ricercatori hanno raccolto informazioni sulla tossicità delle nanoparticelle e sono riusciti a prevedere lo spettro dell'infiammazione polmonare (da acuta a cronica) associata a una gamma di 15 materiali selezionati. Stöger aggiunge:"Essere in grado di fare una previsione del genere significa che possiamo fare un passo avanti verso uno sviluppo di materiali sicuri per progettazione. Ciò avrà profonde implicazioni sulla sicurezza, velocità ed economicità dei nuovi materiali."

Vantaggio aggiuntivo:test senza animali

Attualmente, i test di sicurezza si basano in larga misura sugli studi sugli animali. Mentre la sperimentazione animale è ancora indispensabile per studi meccanicistici e tossicologici cronici, sono meno adatti per i test predittivi all'interno di una produzione sicura di nuovi materiali. Questo studio introduce una strategia di sperimentazione alternativa senza animali, in grado di eseguire test ad alta produttività e collegabile con la modellazione in silico.