La investigación en nano seguridad sin experimentos con animales
Análisis de riesgos de las nanopartículas
Para reducir el número de experimentos con animales en la investigación, se están buscando métodos alternativos. Se trata de un reto especial si se quiere garantizar la seguridad de sustancias que apenas se han estudiado, por ejemplo, la clase completamente nueva de nanomateriales. Para lograr precisamente eso, los investigadores de Empa están combinando ahora los experimentos en tubos de ensayo con la modelización matemática.
Los cultivos celulares o microorganismos ya pueden reemplazar muchos experimentos con animales. Esto es aún más exitoso si las tecnologías se integran en modelos de datos adecuados.
Empa
Ya se utilizan, por ejemplo, en la industria cosmética y textil: Las nanopartículas en los bloqueadores solares nos protegen de las quemaduras solares, y las prendas de vestir con nanopartículas de plata frenan el crecimiento bacteriano. Pero el uso de estos diminutos ingredientes también está relacionado con la responsabilidad de poder excluir los efectos negativos para la salud y el medio ambiente. Las nanopartículas pertenecen a la clase de nanomateriales todavía poco caracterizada, que tienen un tamaño de entre uno y 100 nanómetros y una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo en los convertidores catalíticos de gases de escape, pinturas murales, plásticos y en la nanomedicina. Por muy nuevos e inusuales que sean los nanomateriales, todavía no está claro si plantean o no algún riesgo para los seres humanos o el medio ambiente.
Aquí es donde entran en juego los análisis de riesgos y las evaluaciones del ciclo de vida (ACV), que solían basarse en gran medida en los experimentos con animales cuando se trataba de determinar los efectos nocivos de una nueva sustancia, incluida la toxicidad. Hoy en día, es necesario investigar para reducir y reemplazar los experimentos con animales siempre que sea posible. En los últimos 30 años, este enfoque ha dado lugar a una disminución sustancial de los experimentos con animales, en particular de los ensayos toxicológicos. Sin embargo, la experiencia adquirida con los productos químicos convencionales no puede transferirse simplemente a nuevas sustancias como las nanopartículas. Los científicos del Empa están desarrollando ahora nuevos enfoques, que deberían permitir otra reducción sustancial de los ensayos con animales y, al mismo tiempo, posibilitar el uso seguro de los nanomateriales.
"Actualmente estamos desarrollando un nuevo enfoque integrador para analizar los riesgos de las nanopartículas y realizar evaluaciones del ciclo de vida", dice Beatrice Salieri del laboratorio de Tecnología y Sociedad de Empa en St. Una novedad, que difiere de los análisis convencionales, es que, además del modo de acción de la sustancia investigada, se incluyen otros datos, como la exposición y el destino de una partícula en el cuerpo humano, de modo que se incorpora una visión más holística en la evaluación de riesgos.
Estos análisis de riesgos se basan en las propiedades bioquímicas de las nanopartículas para desarrollar experimentos de laboratorio adecuados, por ejemplo con cultivos celulares. Para asegurarse de que los resultados del tubo de ensayo ("in vitro") se aplican también a las condiciones del cuerpo humano ("in vivo"), los investigadores utilizan modelos matemáticos ("in silico") que, por ejemplo, se basan en la nocividad de una sustancia de referencia. "Si dos sustancias, como las nanopartículas de plata y los iones de plata, actúan de la misma manera, el peligro potencial de las nanopartículas puede calcularse a partir de eso", dice Salieri.
Pero para que los estudios de laboratorio sobre las nanopartículas sean concluyentes, primero debe desarrollarse un sistema modelo adecuado para cada tipo de nanopartícula. "Las sustancias que se inhalan se examinan en experimentos con células pulmonares humanas", explica el investigador de Empa Peter Wick, que dirige el laboratorio de "Interacciones entre partículas y biología" en St. Por otro lado, las células intestinales o del hígado se utilizan para simular la digestión en el cuerpo.
Esto no sólo determina la dosis perjudicial de una nanopartícula en los experimentos de cultivo celular, sino que también incluye todas las propiedades bioquímicas en el análisis de riesgos, como la forma, el tamaño, los patrones de transporte y la unión -si la hay- a otras moléculas. Por ejemplo, las nanopartículas de plata libre en un medio de cultivo celular son unas 100 veces más tóxicas que las nanopartículas de plata unidas a las proteínas. Esos análisis exhaustivos de laboratorio se incorporan a los llamados modelos cinéticos, que, en lugar de una instantánea de una situación en el tubo de ensayo, pueden representar el proceso completo de la acción de las partículas.
Finalmente, con la ayuda de complejos algoritmos, los fenómenos biológicos esperados pueden ser calculados a partir de estos datos. "En lugar de 'mezclar' de vez en cuando un experimento con animales, podemos determinar los riesgos potenciales de las nanopartículas sobre la base de paralelismos con sustancias conocidas, nuevos datos de análisis de laboratorio y modelos matemáticos", dice el investigador de Empa Mathias Rösslein. En el futuro, esto también podría permitirnos representar de forma realista las interacciones entre las diferentes nanopartículas en el cuerpo humano, así como las características de ciertos grupos de pacientes, como las personas mayores o los pacientes con varias enfermedades, añade el científico.
Como resultado de estos novedosos análisis de riesgos de las nanopartículas, los investigadores también esperan acelerar el desarrollo y la aprobación comercial de nuevos nanomateriales. Ya se están aplicando en el proyecto "Safegraph", uno de los proyectos de la iniciativa "Graphene Flagship" de la UE, en el que participa Empa como socio. Los análisis de riesgo y el ACV para el nuevo "material milagroso", el grafeno, son todavía escasos. Los investigadores del Empa han podido demostrar recientemente los análisis iniciales de seguridad del grafeno y de los materiales relacionados con el grafeno en estudios fundamentales in vitro. De esta manera, proyectos como Safegraph pueden ahora identificar mejor los posibles riesgos para la salud y las consecuencias ambientales del grafeno, y al mismo tiempo reducir el número de experimentos con animales.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
W Netkueakul, D Korejwo, T Hammer, S Chortarea, P Rupper, O Braun, M Calame, B Rothen-Rutishauser, T Buerki-Thurnherr, P Wick and J Wang; "Release of graphene-related materials from epoxy-based composites: characterization, quantification and hazard assessment in vitro"; Nanoscale; 2020.
A Milosevic, D Romeo, and P Wick; "Understanding Nanomaterial Biotransformation: An Unmet Challenge to Achieving Predictive Nanotoxicology"; Small; 2020.
D Romeo, B Salieri, R Hischier, B Nowack, P Wick; "An integrated pathway based on in vitro data for the human hazard assessment of nanomaterials"; Environment International; 2020.
B Salieri, JP Kaiser, M Rösslein, B Nowack, R Hischier, P Wick; "Relative potency factor approach enables the use of in vitro information for estimation of human effect factors for nanoparticle toxicity in life-cycle impact assessment"; Nanotoxicology; 2019.
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