Het is nog steeds zo dat gegevens uit dierstudies nodig zijn om de veiligheid van een stof voor mensen te beoordelen. Het Fraunhofer Instituut voor Toxicologie en Experimentele Geneeskunde ITEM werkt echter samen met 39 partners uit 13 landen aan een reeks projecten, die allemaal een gemeenschappelijk doel hebben: een paradigmaverschuiving bewerkstelligen – weg van dierproeven en naar een dieper begrip van hoe chemische stoffen werken.
Ontwikkeld door Fraunhofer ITEM, maakt de P.R.I.T.® ExpoCube® blootstelling aan verschillende klassen van inhaleerbare stoffen en hun testen mogelijk met een hoge reproduceerbaarheid en met de vereiste dosiscontrole.
In Duitsland is het aantal proefdieren al een aantal jaren globaal gelijk gebleven. Volgens het Duitse federale ministerie van Voedsel en Landbouw (BMEL) werden in 2018 in totaal 2.825.066 dieren gebruikt bij dierproeven. Dr. Sylvia Escher, hoofd van de afdeling In-silico Toxicologie bij Fraunhofer ITEM in Hannover, wil alternatieven voor dierproeven ontwikkelen. “Bij ons instituut werken we met verschillende groepen aan nieuwe concepten voor chemische risicobeoordeling”, legt de chemicus uit. De twee voorbeelden die ze noemt zijn de projecten EXITOX en EU-ToxRisk. Beide zijn bedoeld om teststrategieën te ontwikkelen op basis van menselijke cellijnen en orgaandelen, die bedoeld zijn om dierproeven te verminderen en op lange termijn te vervangen.
Een beter en conservatiever alternatief
Het doel is om een alternatief te ontwikkelen dat niet alleen conservatiever maar ook beter is. Bij conventionele dierproeven observeren wetenschappers het optreden van toxische effecten, zoals ontsteking of weefselveranderingen in het relevante orgaan, na toediening van de teststof. Ze proberen in het bijzonder vast te stellen of continue blootstelling aan een stof het organisme beschadigt of dat een lage concentratie, zoals die welke dagelijks uit de lucht wordt opgenomen, onkritisch blijft. “In EU-ToxRisk en EXITOX onderzoeken we het werkingsmechanisme dat leidt tot het waargenomen toxische effect. En aangezien we menselijke testsystemen gebruiken in plaats van dierproeven, hopen we van harte dat de resultaten relevanter zullen zijn voor mensen ”, zegt Escher, wijzend op de voordelen van deze aanpak.
Een aantal werkgroepen van Fraunhofer ITEM is betrokken bij drie van de negen casestudy’s die worden uitgevoerd als onderdeel van het EU-ToxRisk-project. Dr. Tanja Hansen, hoofd van de werkgroep voor in-vitrotestsystemen, onderzoekt momenteel de toxicologie van vluchtige verbindingen, waarbij ze diketonen als voorbeeld gebruiken. De bekendste vertegenwoordiger van deze stofgroep is diacetyl, een chemische verbinding die van nature in boter voorkomt. Een industrieel geproduceerde versie wordt gebruikt om bijvoorbeeld een botersmaak aan popcorn te geven.
Simulaties met menselijk weefsel
Wat gebeurt er als mensen diacetyl inademen? Kan het de longen beschadigen? Om deze vragen te beantwoorden gebruiken Escher en Hansen een apparaat dat is ontwikkeld bij Fraunhofer ITEM: de P.R.I.T.® ExpoCube®. Hierdoor kunnen ze het effect van vluchtige stoffen op cellen en weefsels simuleren.
Om de situatie in de longen te simuleren, gebruiken de wetenschappers menselijke bronchiale epitheelcellen die worden gekweekt op membranen aan het lucht-vloeistofgrensvlak. Gasvormig diacetyl wordt over het oppervlak van deze cellen geleid door middel van de P.R.I.T.® ExpoCube®. Biochemische methoden worden vervolgens gebruikt om het effect op de cellen te onderzoeken. Na een uitgebreide analyse van genexpressie, kunnen onderzoekers bepalen welke genen de cellen hebben geactiveerd of gedeactiveerd. Ze gebruiken deze gegevens vervolgens om te bepalen welke signaalpaden binnen de cel werden geactiveerd. Dit kunnen signaalroutes zijn die leiden tot de productie van boodschappersubstanties die ontstekingen veroorzaken.
In de volgende stap vordert het onderzoek naar het orgelniveau. Hier gebruiken onderzoekers levende weefselcoupes die zijn gekweekt uit menselijke longen, die veel functies van het eigenlijke orgaan bezitten. Net als bij de celculturen worden de longcoupes nu in de P.R.I.T.® ExpoCube® blootgesteld aan diacetyl en vervolgens geanalyseerd.
Om het gedrag van ingeademde stoffen in het lichaam te simuleren, gebruiken de projectpartners complexe rekenmodellen die bekend staan als ‘in silico-methoden’. Deze computerondersteunde modellen kunnen met een hoge mate van nauwkeurigheid reproduceren hoe een organisme een ingeademde stof absorbeert, verdeelt en uitscheidt. “In combinatie geven in vitro en in silico data een nauwkeuriger beeld van hoe stoffen zoals diacetyl de longen beschadigen”, legt Escher uit.
Gebruik van gegevens van vergelijkbare stoffen
Een eerste stap om alternatieve methoden in risicobeoordeling op te nemen, is de read-across-benadering. Als een nieuwe chemische stof volgens deze methode moet worden goedgekeurd, is de eerste taak het zoeken naar vergelijkbare stoffen waarvoor al toxicologische gegevens uit dierproeven bestaan. Bij de read-across-benadering worden deze gegevens vervolgens toegepast op de nieuwe chemische stof. “Deze aanpak is al in gebruik. In de praktijk blijkt het echter nog moeilijk aan te tonen dat twee chemicaliën zo op elkaar lijken dat ze inderdaad dezelfde toxiciteit hebben ”, zegt Escher. “Dit is de reden waarom read-across-benaderingen vaak niet worden geaccepteerd door de regelgevende autoriteiten.”
In de casestudies onderzochten projectteams groepen nauw verwante stoffen en verzamelden ze uitgebreide in-vitro- en in-silico-gegevens. Op basis van deze onderzoeken konden ze aantonen dat de alternatieve methoden perfect in staat zijn om de toxiciteit van structureel verwante materialen te bepalen.
Overleg met regelgevende instanties
Bij het EU-ToxRisk-project zijn niet alleen universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven betrokken, maar ook regelgevende instanties. Nauw overleg met toxicologen die voor regelgevende instanties werken, is van essentieel belang om deze nieuwe geïntegreerde teststrategieën een succes te maken. Alleen als de nationale en EU-autoriteiten deze nieuw ontwikkelde processen voor het beoordelen van toxiciteit goedkeuren, kunnen dierproeven worden vervangen.
Links
https://www.item.fraunhofer.de/en.html
https://www.prit-systems.de/en/technology/prit-expocube.html