به منظور کاهش تعداد آزمایشات حیوانات در تحقیقات ، روشهای جایگزین مورد نظر است. اگر ایمنی موادی که به سختی مورد مطالعه قرار گرفته اند ، به عنوان مثال ، کلاس کاملاً جدید نانومواد تضمین شود ، این یک چالش خاص است. محققان Empa برای دستیابی به همین هدف ، اکنون آزمایش های لوله آزمایش را با مدل سازی ریاضی ترکیب می کنند.

آنها قبلاً در صنایع آرایشی و صنایع نساجی مورد استفاده قرار می گیرند: نانوذرات موجود در مسدود کننده های آفتاب ما را از آفتاب سوختگی محافظت می کنند ، و لباس هایی با نانوذرات نقره رشد باکتری ها را کند می کند. اما استفاده از این ترکیبات ریز نیز با مسئولیت قادر به حذف اثرات منفی برای سلامتی و محیط زیست در ارتباط است. نانوذرات متعلق به طبقه نانومواد است که هنوز هم مشخص نیستند ، اندازه آنها بین یک تا 100 نانومتر است و کاربردهای گسترده ای دارند ، به عنوان مثال در مبدل های کاتالیزوری گازهای اگزوز ، نقاشی دیواری ، پلاستیک و در nanomedicine. به همان اندازه نانومواد جدید و غیرمعمول ، هنوز مشخص نیست که آیا خطرات آنها برای انسان یا محیط زیست وجود دارد یا خیر.

این جایی است که تجزیه و تحلیل خطر و ارزیابی چرخه زندگی (LCA) به مرحله اجرا گذاشته می شود ، که وقتی به تعیین اثرات مضر یک ماده جدید از جمله سمیت وابسته بود ، به آزمایشات حیوانی تکیه می کرد. امروزه تحقیقات لازم برای کاهش و جایگزینی آزمایش های حیوانات در هر کجا امکان پذیر است. در طول 30 سال گذشته ، این رویکرد منجر به افت قابل توجهی در آزمایش حیوانات ، به ویژه در آزمایشات سم شناسی شده است. تجربه به دست آمده با مواد شیمیایی معمولی نمی تواند به سادگی به مواد جدید مانند نانوذرات منتقل شود. دانشمندان Empa اکنون در حال توسعه رویکردهای جدیدی هستند که می تواند یک کاهش قابل توجهی دیگر در آزمایش حیوانات را فراهم کند و در عین حال امکان استفاده ایمن از نانومواد را نیز فراهم آورد.

بیتریس سالیری از آزمایشگاه فناوری و جامعه Empa در سنت گالن می گوید: "ما در حال حاضر یک رویکرد جدید و یکپارچه برای تجزیه و تحلیل خطرات نانوذرات و انجام ارزیابی های چرخه زندگی تولید می کنیم." یکی از ویژگی های جدید و دیگری که با آنالیزهای متداول تفاوت دارد ، این است که علاوه بر نحوه عملکرد ماده تحت بررسی ، داده های بعدی از جمله قرار گرفتن در معرض و سرنوشت یک ذره در بدن انسان گنجانده می شود ، به گونه ای که دیدگاه جامع تر در ارزیابی ریسک گنجانیده شده است.

این تجزیه و تحلیل های خطر بر اساس خصوصیات بیوشیمیایی نانوذرات به منظور ایجاد آزمایشگاه های آزمایشگاهی مناسب ، به عنوان مثال با کشت سلولی انجام شده است. محققان برای اطمینان از نتایج حاصل از لوله آزمایش ("in vitro") در مورد شرایط موجود در بدن انسان ("in vivo") از مدلهای ریاضی ("به صورت سیلیکو") استفاده می کنند که به عنوان مثال به آنها اعتماد می کنند. مضر بودن ماده مرجع. سالیری می گوید: "اگر دو ماده مانند نانوذرات نقره و یون های نقره به همان روش عمل کنند ، خطر احتمالی نانوذرات از این طریق قابل محاسبه است."

اما برای اینکه نتایج آزمایشگاهی روی نانوذرات قطعی باشد ، ابتدا باید یک مدل مدل مناسب برای هر نوع نانوذرات توسعه یابد. پیتر ویک ، محقق Empa ، که مدیر آزمایشگاه "ذرات- زیست شناسی تعامل" در سنت گالن است ، توضیح می دهد: "موادی که استنشاق می شوند در آزمایشات با سلولهای ریه انسان بررسی می شوند." از طرف دیگر سلول های روده یا کبد برای شبیه سازی هضم در بدن استفاده می شود.

این نه تنها دوز آسیب پذیر نانوذرات را در آزمایش های کشت سلولی تعیین می کند ، بلکه شامل تمام خصوصیات بیوشیمیایی در تجزیه و تحلیل ریسک مانند شکل ، اندازه ، الگوهای حمل و نقل و اتصال - در صورت وجود - به مولکول های دیگر است. به عنوان مثال ، نانوذرات نقره آزاد در محیط کشت سلولی تقریباً 100 برابر بیشتر از نانوذرات نقره متصل به پروتئین هستند. چنین تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی جامع در مدل های به اصطلاح جنبشی گنجانیده شده است ، که به جای عکس فوری از یک وضعیت در لوله آزمایش ، می توانند فرایند کامل عملکرد ذرات را به تصویر بکشند.

سرانجام ، با کمک الگوریتم های پیچیده ، می توان پدیده های بیولوژیکی مورد انتظار را از این داده ها محاسبه کرد. ماتیاس روسلین ، محقق Empa می گوید: "به جای" مخلوط کردن "در آزمایش آزمایش حیوانات ، هر زمان دیگری ، می توان خطرات احتمالی نانوذرات را بر اساس موازی سازی با مواد شناخته شده ، داده های جدید از آزمایشگاه ها و مدل های ریاضی تعیین کرد. این دانشمند می افزاید: در آینده ، این همچنین ممکن است ما را قادر سازد واقع بینانه از تعامل بین نانوذرات مختلف در بدن انسان و همچنین خصوصیات برخی از گروه های بیمار مانند افراد سالخورده یا بیماران مبتلا به چندین بیماری استفاده کنیم.

به منظور کاهش تعداد آزمایشات حیوانات در تحقیقات ، روشهای جایگزین مورد نظر است. اگر ایمنی موادی که به سختی مورد مطالعه قرار گرفته اند ، به عنوان مثال ، کلاس کاملاً جدید نانومواد تضمین شود ، این یک چالش خاص است. محققان Empa برای دستیابی به همین هدف ، اکنون آزمایش های لوله آزمایش را با مدل سازی ریاضی ترکیب می کنند.

آنها قبلاً در صنایع آرایشی و صنایع نساجی مورد استفاده قرار می گیرند: نانوذرات موجود در مسدود کننده های آفتاب ما را از آفتاب سوختگی محافظت می کنند ، و لباس هایی با نانوذرات نقره رشد باکتری ها را کند می کند. اما استفاده از این ترکیبات ریز نیز با مسئولیت قادر به حذف اثرات منفی برای سلامتی و محیط زیست در ارتباط است. نانوذرات متعلق به طبقه نانومواد است که هنوز هم مشخص نیستند ، اندازه آنها بین یک تا 100 نانومتر است و کاربردهای گسترده ای دارند ، به عنوان مثال در مبدل های کاتالیزوری گازهای اگزوز ، نقاشی دیواری ، پلاستیک و در nanomedicine. به همان اندازه نانومواد جدید و غیرمعمول ، هنوز مشخص نیست که آیا خطرات آنها برای انسان یا محیط زیست وجود دارد یا خیر.

این جایی است که تجزیه و تحلیل خطر و ارزیابی چرخه زندگی (LCA) به مرحله اجرا گذاشته می شود ، که وقتی به تعیین اثرات مضر یک ماده جدید از جمله سمیت وابسته بود ، به آزمایشات حیوانی تکیه می کرد. امروزه تحقیقات لازم برای کاهش و جایگزینی آزمایش های حیوانات در هر کجا امکان پذیر است. در طول 30 سال گذشته ، این رویکرد منجر به افت قابل توجهی در آزمایش حیوانات ، به ویژه در آزمایشات سم شناسی شده است. تجربه به دست آمده با مواد شیمیایی معمولی نمی تواند به سادگی به مواد جدید مانند نانوذرات منتقل شود. دانشمندان Empa اکنون در حال توسعه رویکردهای جدیدی هستند که می تواند یک کاهش قابل توجهی دیگر در آزمایش حیوانات را فراهم کند و در عین حال امکان استفاده ایمن از نانومواد را نیز فراهم آورد.

بیتریس سالیری از آزمایشگاه فناوری و جامعه Empa در سنت گالن می گوید: "ما در حال حاضر یک رویکرد جدید و یکپارچه برای تجزیه و تحلیل خطرات نانوذرات و انجام ارزیابی های چرخه زندگی تولید می کنیم." یکی از ویژگی های جدید و دیگری که با آنالیزهای متداول تفاوت دارد ، این است که علاوه بر نحوه عملکرد ماده تحت بررسی ، داده های بعدی از جمله قرار گرفتن در معرض و سرنوشت یک ذره در بدن انسان گنجانده می شود ، به گونه ای که دیدگاه جامع تر در ارزیابی ریسک گنجانیده شده است.

این تجزیه و تحلیل های خطر بر اساس خصوصیات بیوشیمیایی نانوذرات به منظور ایجاد آزمایشگاه های آزمایشگاهی مناسب ، به عنوان مثال با کشت سلولی انجام شده است. محققان برای اطمینان از نتایج حاصل از لوله آزمایش ("in vitro") در مورد شرایط موجود در بدن انسان ("in vivo") از مدلهای ریاضی ("به صورت سیلیکو") استفاده می کنند که به عنوان مثال به آنها اعتماد می کنند. مضر بودن ماده مرجع. سالیری می گوید: "اگر دو ماده مانند نانوذرات نقره و یون های نقره به همان روش عمل کنند ، خطر احتمالی نانوذرات از این طریق قابل محاسبه است."

اما برای اینکه نتایج آزمایشگاهی روی نانوذرات قطعی باشد ، ابتدا باید یک مدل مدل مناسب برای هر نوع نانوذرات توسعه یابد. پیتر ویک ، محقق Empa ، که مدیر آزمایشگاه "ذرات- زیست شناسی تعامل" در سنت گالن است ، توضیح می دهد: "موادی که استنشاق می شوند در آزمایشات با سلولهای ریه انسان بررسی می شوند." از طرف دیگر سلول های روده یا کبد برای شبیه سازی هضم در بدن استفاده می شود.

این نه تنها دوز آسیب پذیر نانوذرات را در آزمایش های کشت سلولی تعیین می کند ، بلکه شامل تمام خصوصیات بیوشیمیایی در تجزیه و تحلیل ریسک مانند شکل ، اندازه ، الگوهای حمل و نقل و اتصال - در صورت وجود - به مولکول های دیگر است. به عنوان مثال ، نانوذرات نقره آزاد در محیط کشت سلولی تقریباً 100 برابر بیشتر از نانوذرات نقره متصل به پروتئین هستند. چنین تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی جامع در مدل های به اصطلاح جنبشی گنجانیده شده است ، که به جای عکس فوری از یک وضعیت در لوله آزمایش ، می توانند فرایند کامل عملکرد ذرات را به تصویر بکشند.

سرانجام ، با کمک الگوریتم های پیچیده ، می توان پدیده های بیولوژیکی مورد انتظار را از این داده ها محاسبه کرد. ماتیاس روسلین ، محقق Empa می گوید: "به جای" مخلوط کردن "در آزمایش آزمایش حیوانات ، هر زمان دیگری ، می توان خطرات احتمالی نانوذرات را بر اساس موازی سازی با مواد شناخته شده ، داده های جدید از آزمایشگاه ها و مدل های ریاضی تعیین کرد. این دانشمند می افزاید: در آینده ، این همچنین ممکن است ما را قادر سازد واقع بینانه از تعامل بین نانوذرات مختلف در بدن انسان و همچنین خصوصیات برخی از گروه های بیمار مانند افراد سالخورده یا بیماران مبتلا به چندین بیماری استفاده کنیم.