Eine Kristallkugel für die Toxikologie von Nanopartikeln
Das zunehmende Auftreten von künstlich hergestellten Nanopartikeln (Engineered Nanoparticles, NPs) wirft für die Allgemeinheit und für Regulierungsbehörden bezüglich der Auswirkungen auf den Menschen und die Umwelt bei einer Exposition Bedenken auf. Da für experimentelle toxikologische Tests Tiere benötigt werden, sind diese teuer und zeitraubend. Um Tierversuche zu reduzieren, werden In-silico-Verfahren bevorzugt. Ein europäisches Konsortium arbeitete im Rahmen des EU-finanzierten Projekts PRENANOTOX (Predictive toxicology of engineered nanoparticles) daran, die Hindernisse zu überwinden, welche der Entwicklung von präzisen und effektiven Rechenmodellen im Wege stehen. Im Fokus stand der Aufbau einer Plattform für prädiktive Nanotoxikologie. Die Forscher wendeten modernste Instrumente zur Informationsextraktion auf eine umfangreiche Reihe von wissenschaftlichen Fachartikeln an, die von Experten begutachtet worden waren. Beeindruckenderweise erwiesen sich 85 % der herausgefilterten Informationen als relevant. Eine automatische Abbildungsanalyse von Balkendiagrammen demonstrierte eine gute Erkennung von Ergebnissen. Eine vollständige Validierung war allerdings nicht möglich, da in diesem Bereich noch Benchmarks festzulegen sind. Das PRENANOTOX-Team untersuchte Nanomaterialien mit unterschiedlichen Größen, Formen, Orientierungen sowie Membraneigenschaften. Unter Anwendung eines Modells für kontinuierliche Membranen zur Bestimmung der Faktoren, die Zellschäden verursachen, wurde ebenfalls die Nanopartikeladsorption und -umhüllung durch die Zellmembran untersucht. Dies ermöglichte die systematische Beschreibung von NPs und NP-Membran-Adhäsionsmechanismen. Die Untersuchungsergebnisse führten zu zahlreichen neuen Erkenntnissen über die Eigenschaften von NPs, die bei der Entwicklung quantitativer Struktur-Aktivitäten-, Struktur-Eigenschaften- und Nanostruktur-Aktivitäten-Verhältnismodelle (jeweils QSAR, QSPR und QNAR) behilflich sein werden. Es wurde bspw. festgestellt, dass Silica-NPs von weniger als 45 nm im Gegensatz zu solchen Partikeln mit einer Größe zwischen 45 und 500 nm zytotoxisch sind. Mit Ausnahme von Makrophagen waren die positiv geladenen NPs zytotoxischer als die negativ geladenen. Der Erfolg des Projekts zeigt sich anhand von 19 Peer-Review-Fachartikeln sowie 45 Präsentationen auf Konferenzen und Veranstaltungen. PRENANOTOX leistete mit der zelllinienorientierten Datenbank zu Nanomaterialien, die mit ihrem Zytotoxizitätsprofil und neuen QSAR/QSPR- sowie QNAR-basierten Toxizitätsmodellen gekoppelt sind, einen wesentlichen Beitrag im Bereich der Nanotoxikologie. Für die zukünftige QSPR/QSAR-Modellerstellung wurde zudem die frei verfügbare CORAL Software angewandt und empfohlen. Diese Entwicklungen sollen bei der Herstellung sicher gestalteter Nanopartikel behilflich sein, die in zahlreichen Anwendungsbereichen wie unter anderem der Biomedizin eingesetzt werden.
Schlüsselbegriffe
Nanopartikel, Toxikologie, PRENANOTOX, QSAR, QSPR, QNAR, Datenbank
