Prof. Robert Rallo, coordenador do projeto MODERN, discute a nova abordagem da iniciativa para avaliação de nanotoxicidade, o que pode nos ajudar a adotar métodos in silico mais amplos.

O projeto MODERN tem como objetivo entender melhor como as nanopartículas afetam a saúde humana e ambiental. Sua nova abordagem, que se baseia em novos métodos computacionais para caracterizar a estrutura de nanopartículas e modelos in silico para avaliar seus efeitos, também promete reduzir a necessidade de testes in vivo.

Historicamente, a pressão do mercado frequentemente resultou na disponibilização de inovações científicas aos consumidores antes mesmo de estarmos totalmente cientes de seus prós e contras. Esse foi principalmente o caso do amianto, e o mesmo cenário poderia muito bem estar se repetindo com a nanotecnologia se não fossem realizados estudos de avaliação de segurança adequados e medidas políticas tomadas em conformidade:de acordo com algumas das últimas previsões, o mercado de nanotecnologia crescerá para chegar a US $ 75,8 (EUR 65,8) bilhões em 2020. E embora as nanopartículas projetadas (eNPs) já estejam difundidas em produtos como cosméticos, pintura e eletrônica, ainda não sabemos muito sobre seus possíveis efeitos de longo prazo nos sistemas biológicos.

Para obter uma melhor compreensão, os cientistas ainda dependem fortemente de testes em animais - apesar dos esforços de ativistas de proteção animal, cientistas e decisores políticos para colocar o foco em métodos de teste alternativos. Em consonância com os esforços da UE para implementar estratégias de ensaio adequadas e com vista a superar os atuais obstáculos a uma adoção mais ampla de métodos in silico, Prof. Robert Rallo, coordenador do MODERN, iniciou o projeto MODERNO em janeiro de 2013.

Alguns meses antes do final do projeto, ele nos fala sobre suas realizações e impacto esperado nos métodos de avaliação de toxicidade eNP.

Você diria que o suficiente está sendo feito na Europa para medir a toxicidade dos eNPs, antes de serem colocados no mercado?

Nos últimos anos, a UE iniciou um esforço significativo com o objetivo de definir os princípios científicos e metodológicos para os testes in vitro e in vivo de nanomateriais. Embora ainda faltem regulamentos específicos sobre o uso de produtos habilitados para nanotecnologia, a UE está a caminho de fornecer uma base para a implementação de estratégias de teste adequadas que irão apoiar a avaliação de risco e a tomada de decisões regulatórias.

A diversidade de nanomateriais (por exemplo, diversas combinações de composição química, estrutura core-shell, forma, funcionalização) torna o teste exaustivo de nanomateriais uma tarefa assustadora. Nesse contexto, o desenvolvimento e validação de métodos de triagem de alto rendimento juntamente com a implementação de ferramentas in silico (como as desenvolvidas em MODERN e em outros projetos de modelagem FP7 NMP) irão contribuir em um futuro próximo para fornecer métodos de teste alternativos adequados para a avaliação de um grande número de nanomateriais de maneira eficiente e econômica.

Por que a avaliação de toxicidade eNP depende tanto de testes em animais?

A principal razão é que os atuais ensaios in vitro e ferramentas in silico ainda não são aceitos como sistemas modelo confiáveis ​​para toxicidade de nanomateriais. Lidar com "ruído biológico" (ou seja, variabilidade de dados) em ensaios in vitro de alto rendimento é um dos desafios mais urgentes a serem enfrentados. Além disso, há uma necessidade igualmente urgente de desenvolver grandes bancos de dados de dados experimentais de alta qualidade para o desenvolvimento e validação de ferramentas de previsão de toxicidade in silico.

Como você pretende preencher essa lacuna?

Na MODERN estamos desenvolvendo ferramentas in silico para avaliação de nanotoxicidade utilizando diferentes tipos de informações sobre nanopartículas. O projeto segue uma abordagem integrada que combina diferentes tipos de informação dentro da estrutura de Vias de Resultado Adversas específicas. Especificamente, nos concentramos nos efeitos da nanotoxicidade impulsionados por respostas ao estresse oxidativo. Desenvolvemos novas metodologias para o cálculo de nanodescriptores dependentes do tamanho usando química quântica e abordagens de modelagem molecular, bem como nano- (Q) SAR com base nos descritores desenvolvidos para uma série de endpoints de ecotoxicidade em diferentes espécies, incluindo protozoários, algas e bactérias.

Outra conquista é o desenvolvimento de uma nova metodologia de normalização para dados ômicos que é útil para revelar o gene e a atividade da via em baixa concentração (ou seja, em condições de exposição ambiental realistas). Modelos para prever as interações celulares das nanopartículas com base na composição da corona da proteína das nanopartículas também foram desenvolvidos e validados. Finalmente, estamos tentando aumentar a precisão dos modelos atuais, identificando categorias homogêneas de nanopartículas e desenvolvendo novos modelos locais para cada categoria específica.

Os modelos que você desenvolveu atendem às suas expectativas iniciais?

Mostramos que a integração de diferentes tipos de informações (por exemplo, propriedades físico-químicas, características estruturais e perfis de bioatividade em diferentes níveis de organização biológica) em relação aos efeitos das nanopartículas é fundamental para o desenvolvimento de ferramentas in silico adequadas para avaliação de risco de nanomateriais e tomada de decisão.

Uma vez que os modelos computacionais podem orientar o projeto de novas nanopartículas com toxicidade controlada, As ferramentas in silico também podem ser aplicadas para nanomateriais com design seguro. No entanto, ainda há uma falta significativa de informações (públicas) sobre a toxicidade das nanopartículas, permitindo que os modelos sejam avaliados adequadamente e seu domínio de aplicabilidade expandido. Como consequência, os modelos atuais só podem ser usados ​​como ferramentas de triagem preliminar que fornecem uma indicação dos potenciais efeitos adversos de um nanomaterial. Mais testes in vitro (e possivelmente in vivo) serão necessários para confirmar se uma determinada nanopartícula tem ou não implicações de toxicidade.

Você tenderia a concordar com os cientistas que dizem que é impossível parar completamente de usar testes em animais quando se trata de avaliação de toxicidade de ENP?

Atualmente, a resposta é sim. Os testes in vivo serão necessários para garantir a segurança dos produtos habilitados para nanotecnologia, especialmente para aquelas nanopartículas usadas em aplicações médicas. Contudo, o desenvolvimento de ensaios in vitro mais robustos combinados com ferramentas preditivas in silico terá o potencial de contribuir para uma redução significativa no número de animais usados ​​para os testes.

No futuro próximo, com o aumento contínuo do poder de computação e com uma melhor compreensão dos mecanismos de interação nanobio, Estou confiante de que seremos capazes de realizar simulações precisas das interações entre nanopartículas e sistemas biológicos que terão o potencial de substituir completamente os testes em animais.

O que você diria que são as coisas mais importantes que aprendeu com sua pesquisa até agora?

A primeira e mais importante lição é que nossa compreensão e capacidade de modelagem para nanotoxicidade ainda está longe do que temos para toxicidade química. Ainda existe um grande desconhecimento sobre os mecanismos e modos de ação da nanotoxicidade. Também, a quantidade de dados disponíveis para o desenvolvimento do modelo - e mais importante, para validação de modelo - é muito limitado quando comparado com os dados disponíveis para produtos químicos.

Ainda existem muitos desafios que dificultam o desenvolvimento de ferramentas de triagem de nanotoxicidade in silico, e a quantidade limitada de dados é apenas um dos fatores limitantes. Entre outros, as necessidades atuais importantes incluem o desenvolvimento de uma nomenclatura para descrever os nanomateriais de forma inequívoca; protocolos padronizados para testes de nanotoxicidade; protocolos para ensaios de triagem de alto rendimento e suas metodologias de pré-processamento de dados associadas, a fim de gerar dados suficientes para enriquecer e melhorar os atuais modelos in silico; e métodos para classificação de perigo, avaliação de risco e tomada de decisão.

O que você ainda precisa alcançar antes que o projeto termine em dezembro?

Atualmente, estamos avaliando a capacidade preditiva da química quântica e dos descritores de modelagem molecular para as nanopartículas de óxido metálico que desenvolvemos até agora. Os métodos computacionais para gerar os nanodescriptores também estão sendo refinados para incorporar mudanças estruturais, como dopagem de metal. Paralelamente, estamos usando informações obtidas a partir da categorização de nanopartículas para desenvolver modelos de nanotoxicidade de conjuntos baseados em uma coleção de nano-QSARs sintonizados localmente. As informações fornecidas por esses modelos serão usadas em um estágio final para fornecer classificação de risco e ferramentas de avaliação de risco preliminar para nanomateriais.