Projekti / Programi
Analiza možnih škodljivih učinkov nanodelcev in spremljajočih mehanizmov - od fizikalno-kemijske ter in vitro karakterizacije do aktivacije prirojenega imunskega sistema
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
nanodelci, imunotoksičnost, prirojeni imunski sistem, proteinska korona, fizikalno-kemijska karakterizacija
Raziskovalci (23)
Organizacije (3)
Povzetek
Kljub vse širši uporabi in izpostavljenosti nanodelcem (ND), ostajajo odprta mnoga vprašanja, ki zadevajo varnost le teh. Nedavno sta se pojavili dve novi temi v zvezi z različnimi tipi ND, imunogenost in imunotoksičnost. Vprašanji sta še posebej aktualni za različne industrijsko pridobljene ND in tveganja za enkrat še niso dobro poznana oziroma raziskana. Interakcije med ND in imunskim sistemom (IS) so slabo poznane tudi zaradi zapletenosti in znotraj vrstne variabilnosti IS ter velikega nabora poznanih ND.
Številne študije so pokazale pomembnost natančne karakterizacije ND v fiziološko pomembnih medijih in pomembnost razumevanja proteinske korone za razumevanje toksičnosti ND. Novejše študije poudarjajo tudi pomen razumevanja vpliva ND na IS, še posebej omejeno je razumevanje povezave med fizikalno-kemijsko karakterizacijo in IS; samo nekaj študij je povezalo analizo proteinske korone z aktivacijo IS.
V sklopu tega projekta bomo izvedli temeljito fizikalno-kemijsko karakterizacijo lastnih biomedicinskih ND (oplaščenih s PAA in PEI) in izbranih industrijsko uporabljanih ND (TiO2, SiO2, Ag). Pred in vitro testiranji, bomo ND testirali na prisotnost nečistot in endotoksinov, ki bi lahko aktivirali IS neodvisno od ND. Nadaljevali bomo z analizo proteinske korone, ki nastane na površini ND pri različnih fiziološko pomembnih pogojih (različne koncentracije govejega seruma, primerjava govejega in človeškega seruma). Posebej se bomo usmerili v analizo proteinov, ki so povezani z IS, kot so na primer komponente sistema komplementa in različni imunoglobulini (npr. protitelesa). Preverili bomo, če so izbrani ND sposobni aktivirati sistem komplementa, kar je do sedaj dobro definirano samo za nekaj biomedicinskih ND. Adsorpcija molekul na površino ND kritično določa kako bodo ND vplivali na celice IS in sprožali le tega. Interakcijo ND s celicami prirojenega IS (celične linije makrofagov in nevtrofilcev, primarni humani makrofagi) bomo opazovali na morfološkem nivoju (privzem, znotraj celična pot) in na fiziološkem nivoju (aktivacija in zorenje celic, izločanje citokinov, aktivacija izbranih prepisovalnih dejavnikov). Preučili bomo tudi vpliv ND na funkcionalnost celic IS po izpostavitvi ND.
Sodelovanje med vodilnimi slovenskimi skupinami iz vsakega izmed področij nam bo omogočilo povezati rezultate v obširno analizo interakcij med ND in prirojenim IS: od natančne fizikalno-kemijske karakterizacije in sestave proteinske korone do interakcij med ND in prirojenim IS in njihovih posledic. Pridobljeno znanje bo nam in drugim omogočilo oceno morebitnih škodljivih učinkov ND na celice prirojenega IS, prav tako bo znanje doprineslo k izvajanju načela »safer by design« pri sintezi novih ND.
Pomen za razvoj znanosti
V tem projektnem predlogu želimo uveljaviti interdisciplinarni pristop, ki bi vključeval fizikalno-kemijsko karakterizacijo, in vitro teste toksičnosti, napredno kemijsko analizo materialov, biokemijsko karakterizacijo proteinske korone in analizo aktivacije prirojenega IS. Področje je kot zanimivo prepoznala tudi Evropska komisija, ki spodbuja raziskovanje imunogenosti in imunotoksičnosti ND. Študij, ki bi raziskovale efekt ND na IS ni veliko, tudi mehanizmi preko katerih ND vplivajo na ID so slabo poznani.
Interakcija ND s fiziološko pomembnimi mediji vpliva na njihovo stabilnost (velikost) in zeta potencial (naboj) ter posledično na njihovo toksičnost in imunogenost. Karakterizacija v fizioloških medijih je torej ključna. Zelo pomembna je tudi analiza proteinske korone, saj lahko interakcija ND s proteini privede do konformacijskih sprememb le teh, kar lahko posledično vodi v aktivacijo receptorjev IS. Aktivacija sistema komplementa, ključnega dela prirojenega IS, bo analizirana v povezavi z DS2 in DS3. ND lahko spremenijo delovanje celic IS oziroma na njih delujejo toksično, zato bomo izvedli nabor eksperimentov, ki bodo ocenili morfološke spremembe, viabilnost, proliferacijo in sproščanje citokinov pri različnih celicah IS.
Obstaja veliko študij, ki so preučevale fizikalno-kemijsko karakterizacijo, in vitro toksičnost, kemijsko analizo, biokemijsko karakterizacijo proteinske korone ali aktivacijo IS, študij, ki bi povezale fizikalno-kemijsko karakterizacijo, analizo proteinske korone in aktivacijo IS pa je izredno malo. Naš cilj je povezati vsa ta področja znotraj ene študije za vsako posamezno vrsto ND. To nam bo omogočilo boljše razumevanje mehanizmov, ki so odgovorni za imunotoksičnost ND.
Da bi se izognili artefaktom, morajo biti vsi testirani ND brez nečistot in endotoksinov. Z določanjem le teh, bomo poudarili pomen takšnih raziskav pred določanjem imunotoksičnosti ND.
Izpeljava tega projekta nam bo omogočila da:
i) prispevamo k oceni potencialnih škodljivih učinkov ND in s tem povezano aktivacijo IS,
ii) povežemo fizikalno-kemijsko karakterizacijo, teste toksičnosti, kemijsko analizo, biokemijsko karakterizacijo proteinske korone in analizo aktivacije prirojenega IS v smiselno celoto,
iii) analiziramo mehanizme aktivacije prirojenega IS s strani ND in
iv) uporabimo princip »safer by design« pri pripravi novih formulacij ND.
Pomen za razvoj Slovenije
Tekom tega projekta bomo pridobili nova znanja o interakcijah med nanodelci in različnimi celicami prirojenega imunskega sistema z vidika fizikalno-kemijskih lastnosti nanodelcev ter sestave proteinske korone. Analizirali bomo povezavo med lastnostmi površine nanodelcev in sestave na tej površini nastale proteinske korone, kar nam bo pomagalo boljše razumeti stabilnost in proces destabilizacije nanodelcev v različnih fizioloških medijih, kot so rastni mediji za celične kulture ali kri. Poznavanje destabilizacije v fizioloških razmerah je ključno, s, vse to pa vpliva tudi na njihovo toksičnost. Poleg tega bomo rezultate, pridobljene na trajnih celičnih linijah, primerjali z odzivi primarnih človeških celic, ter vpliv prisotnosti humanega ali telečjega seruma, kar nam bo omogočilo ovrednotiti relevanco rezultatov pridobljenih v standardnih in vitro razmerah za prenos v in vivo. Znanje, pridobljeno v tem projektu, je uporabno za razvoj novih, varnejših nanodelcev, nanonosilcev in drugih nano-materialov, ki ne aktivirajo imunskega sistema oz ga aktivirajo na željen in kontroliran način. To znanje lahko v praksi uporabijo predvsem biotehnološka in farmacevtska podjetja, pa tudi industrija, ki uporablja nanodelce v industrijskih izdelkih.
V sodelovanju s skupinami iz komplementarnih raziskovalnih področij (nanotehnolgija, imunologija, celična biologija, kemija, biotehnologija) bomo razvili nabor protokolov za celovito analizo in testiranje nanodelcev: od fizikalno-kemijske karakterizacije, analize nečistot, analize proteinske korone in analize interakcij med nanodelci in celicami. Takšna celovita analiza do sedaj v Sloveniji ni bila izvedena in mi, kot tudi druge zainteresirane raziskovalne skupine in industrija, bodo lahko to znanje in protokole koristile za analizo novih formulacij nanodelcev. Takšne temeljite analize, testiranja nanotoksičnosti in še posebej imunotoksičnosti so nujne pri uvedbi katerihkoli novih formulacij nanodelcev in na nanodelcih osnovanih aplikacij in so lahko pomembne smernice za testiranja v industriji. Boljše razumevanje mehanizmov v kombinaciji s tehnikami in protokoli bo izboljšalo analizo novih nanomaterialov v industrijskih aplikacijah že v razvojni fazi in povečalo varnost industrijskih nanomaterialov še preden pridejo na tržišče.
Evropska komisija je toksičnost nanodelcev in z njimi povezana tveganja prepoznala kot problem in spodbuja testiranja imunotoksičnosti in imunogenosti nanodelcev. Ta projekt predstavlja močno osnovo za morebitni evropski projekt, saj bomo pridobili potrebno znanje in razvili protokole za temeljito testiranje odziva celic prirojene imunosti na prisotnost nanodelcev. To znanje se lahko uporabi za testiranje novih formulacij nanodelcev preden pridejo na tržišče ali v okolje, s čimer bomo vplivali tako na boljše javno zdravje kot tudi na zaščito okolja. Novo znanje bo tudi omogočilo razvoj protokolov za hitrejše testiranje imunotoksičnosti in imunogenosti nanodelcev.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
