Sustituir los ensayos in vivo por otros in silico: un nuevo método para evaluar la nanotoxicidad
El proyecto MODERN se propuso conocer mejor la forma en la que las nanopartículas afectan a la salud humana y medioambiental. Su sistema nuevo, basado en métodos informáticos innovadores para caracterizar la estructura de las nanopartículas y modelos in silico para evaluar sus efectos, también podría reducir la necesidad de realizar ensayos in vivo. Históricamente, la presión de los mercados ha hecho que las innovaciones científicas se pusieran a la venta incluso antes de conocer todas sus facetas, tanto positivas como negativas. Este fue el caso del amianto, y lo mismo podría ocurrir con la nanotecnología si no se ejecutan estudios de evaluación de la seguridad y se toman las medidas políticas necesarias. Según las últimas predicciones, el mercado de la nanotecnología crecerá hasta alcanzar en 2020 los 75 800 millones de dólares estadounidenses (65 800 millones de euros). Y si bien las nanopartículas artificiales (ENP) son comunes en cosméticos, pinturas y la electrónica, aún no se conoce con precisión sus posibles efectos a largo plazo en los sistemas biológicos. Para eliminar estas dudas, la comunidad científica se sirve en gran medida de ensayos con animales, a pesar de la labor de activistas en favor de la protección de animales, científicos y políticos para que se empleen métodos de ensayo distintos. En consonancia con los esfuerzos de la Unión Europea por poner en práctica estrategias de ensayo adecuadas y para superar los obstáculos que se interponen a una mayor popularización de los métodos de ensayo in silico, el profesor Robert Rallo, coordinador de MODERN, puso en marcha en enero de 2013 el proyecto MODERN. A pocos meses de la finalización del proyecto, nos informa sobre los logros del proyecto y el impacto esperado de los métodos de evaluación de la toxicidad de las ENP desarrolladas. ¿Considera que es suficiente el trabajo realizado en Europa para medir la toxicidad de las ENP antes de su comercialización? La UE ha puesto en marcha en los últimos años muchas iniciativas destinadas a definir los principios científicos y metodológicos que permitan realizar ensayos in vivo e in vitro con nanomateriales, pero las normativas específicas relativas al uso de los productos basados en la nanotecnología aún no son las ideales. Aun así, la UE está sentando los cimientos de unas estrategias de ensayo adecuadas que permitan realizar labores de evaluación de riesgos y toma de decisiones. La diversidad de los nanomateriales (diversas combinaciones de composiciones químicas, estructuras de núcleo y vaina, forma, funcionalización, etc.) hace que esta tarea sea colosal. En este contexto, el desarrollo y la validación de métodos de selección de alto rendimiento y la implementación de herramientas in silico (como las desarrolladas en MODERN y otros proyectos de modelización sobre NMP pertenecientes al 7PM) contribuirán a aportar a corto plazo métodos de ensayo alternativos adecuados para evaluar una gran cantidad de nanomateriales de un modo eficaz y rentable. ¿Por qué se basa en tanta medida la evaluación de la toxicidad de las ENP en ensayos con animales? La razón principal reside en que las herramientas modernas de ensayo in vitro e in silico no se aceptan todavía como sistemas modelo para evaluar la toxicidad de los nanomateriales. Uno de los retos más urgentes a abordar en los ensayos in vitro de alto rendimiento es el «ruido biológico», esto es, la variabilidad de los datos. Igual de urgente es el desarrollo de bases de datos de gran tamaño con datos experimentales de alta calidad que sirvan para el desarrollo y la validación de herramientas in silico de predicción de la toxicidad. ¿Cómo pretende subsanar estas deficiencias? En MODERN trabajamos en el desarrollo de herramientas in silico para evaluar la nanotoxicidad a partir de distintos tipos de información sobre nanopartículas. El proyecto adopta un método integrado en el que se combinan distintos tipos de información en el marco de «vías metabólicas de resultados adversos» (Adverse Outcome Pathways) específicas. En concreto nos dedicamos a los efectos de la nanotoxicidad generados por respuestas al estrés oxidativo. Creamos metodologías con las que calcular nanodescriptores dependientes del tamaño a partir de química cuántica y métodos de modelización molecular, pero también empleamos nano-(Q)SAR basados en los descriptores generados para múltiples puntos finales de ecotoxicidad en distintas especies como protozoos, algas y bacterias. Otro de nuestros logros es el desarrollo de una metodología de normalización de datos ómicos útil para desvelar la actividad génica y de vía metabólica a concentraciones bajas (en condiciones realistas de exposición medioambiental). También se han desarrollado y validado modelos para predecir las interacciones entre células y nanopartículas en función de la composición de la corona proteica de la nanopartícula. Por último, tratamos de aumentar la precisión de los modelos actuales identificando categorías homogéneas de nanopartículas y desarrollando nuevos modelos locales para cada categoría. ¿Cumplen los modelos desarrollados sus expectativas originales? Hemos mostrado que la integración de los distintos tipos de información (propiedades fisioquímicas, características estructurales y perfiles de bioactividad a distintos niveles de organización biológica) relativos a los efectos de las nanopartículas es fundamental para el desarrollo de herramientas in silico adecuadas a fin de evaluar el riesgo de los nanomateriales y tomar decisiones sobre estos. Dada la capacidad de los modelos computacionales para dirigir el diseño de nanopartículas nuevas con toxicidad controlada, las herramientas in silico también pueden utilizarse para diseñar nanomateriales seguros. No obstante, existe todavía una falta notable de información (pública) sobre la toxicidad de las nanopartículas, por lo que los modelos podrían evaluarse mejor y su dominio de aplicabilidad ampliarse. Como consecuencia de esta carencia, los modelos actuales solo pueden utilizarse como herramientas de selección preliminar que aporten un indicio de los posibles efectos negativos de un nanomaterial. Es necesario realizar más ensayos in vitro (e incluso in vivo) que confirmen si una nanopartícula concreta presenta o no toxicidad. ¿Estaría de acuerdo con aquellos, dentro de la comunidad científica, que afirman que resulta imposible prescindir de los ensayos con animales para evaluar la toxicidad de las ENP? Hoy en día sí. Los ensayos in vivo serán necesarios para garantizar la seguridad de los productos nanotecnológicos, sobre todo en el caso de las nanopartículas utilizadas en el entorno médico. No obstante, el desarrollo de ensayos in vitro en combinación con herramientas de predicción in silico podría ayudar a reducir considerablemente la cantidad de animales utilizados en los ensayos. A medio plazo y gracias al aumento continuo de la potencia de computación y a un mayor conocimiento de los mecanismos de interacción entre los nanomateriales y los organismos biológicos, estoy seguro de que será posible realizar simulaciones precisas de este tipo de interacciones que sustituyan por completo los ensayos con animales. ¿Qué destacaría de su investigación hasta la fecha como el conocimiento más importante extraído? La lección más importante es que el conocimiento y la capacidad de modelización de la nanotoxicidad están muy lejos aún de la que poseemos con respecto a la toxicidad química. Hay todavía una laguna importante en cuanto a los mecanismos y los modos de acción de la nanotoxicidad. Además, la cantidad de datos disponibles para crear modelos, y más importante, validarlos, es muy limitada cuando se compara con los datos disponibles relativos a los compuestos químicos. Existen aún muchos retos que frenan el desarrollo de herramientas de selección in silico sobre nanotoxicidad, y esta escasez de datos es solo uno de los factores limitantes. Otras necesidades importantes hoy por hoy son: el desarrollo de una nomenclatura con la que distinguir sin ambigüedades los nanomateriales; protocolos estandarizados para evaluar la nanotoxicidad; protocolos para ensayos de selección de alto rendimiento y sus metodologías de preprocesamiento de datos asociadas para generar datos suficientes como para reforzar y mejorar los modelos in silico actuales; y métodos para calificar peligros, evaluar riesgos y tomar decisiones. ¿Qué deben lograr antes de que su proyecto finalice en diciembre? En estos momentos evaluamos la capacidad predictiva de la química cuántica y los descriptores de modelización molecular para las nanopartículas de óxido metálico desarrolladas en el proyecto. Los métodos computacionales destinados a generar nanodescriptores también se están perfeccionando para que incluyan cambios estructurales como el dopaje con metales. En paralelo estamos utilizando información obtenida a partir de una categorización de nanopartículas para crear conjuntos de modelos de nanotoxicidad basados en una colección de nano-QSAR ajustados a nivel local. La información aportada por estos modelos se empleará en la fase final del proyecto para establecer calificaciones de peligros y herramientas de evaluación preliminar de riesgos para nanomateriales. Para más información, consulte: sitio web del proyecto MODERN
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