Rozhovor: Mária Dušinská / Umelá inteligencia spája výskum

Mária Dušinská pracuje desiatky rokov vo výskume problematiky životného prostredia a zdravia, hodnotenia rizík, molekulárnej, bunkovej a genetickej toxikológie, molekulárnej epidemiológie, biomonitoringu, biomarkerov a poškodenia a opravy DNA. Pôsobila v Ústave experimentálnej onkológie SAV, neskôr v Ústave preventívnej a klinickej medicíny (teraz Slovenská zdravotnícka univerzita). Bola hosťujúcou profesorkou na Univerzite v Oslo a takmer 20 rokov pracovala v Nórskom inštitúte pre výskum ovzdušia (NILU).

V poslednom čase sa veľa hovorí o nano a mikročasticiach plastov v životnom prostredí a v živých organizmoch. Aký je mechanizmus ich pôsobenia vnútri organizmov? Čím im škodia?

Mária Dušinská: Nanomateriály vrátane nanoplastov sa líšia od svojich chemických prekurzorov (prekurzor je východisková látka, častica, z ktorej vzniká chemickou premenou výsledný produkt). Majú unikátne vlastnosti charakterizované ich rozmermi (od 1 do 100 nanometrov), nábojom, povrchovým zložením (obalom), tvarom... Čím menší je rozmer častice, tým je pomer povrchu k objemu väčší a tým sú nanočastice reaktívnejšie. Reagujú s látkami v prostredí, nabaľujú ich a vytvárajú tzv. koronu. Samotné nanočastice nemusia vždy predstavovať chemické riziko, ale tým, že môžu na seba naviazať škodlivé látky a transportovať ich do buniek a živých organizmov, sa stávajú nebezpečnými. Je to však jedna strana mince. Táto vlastnosť, ktorá môže predstavovať riziko, keď ide o škodlivé látky v ovzduší, môže byť na druhej strane veľmi prospešná, napríklad v medicíne. Nanomateriály sa používajú ako nosiče liečiv a vedia ich transportovať na presne určené miesto. Tým sa umožňuje nielen efektívnejšia liečba, ale aj minimalizovanie vedľajších efektov užívania liekov.

Aké sú najčastejšie sa vyskytujúce nano a mikročastice v životnom prostredí (vzduchu, vode, pôde), ktoré ohrozujú zdravie organizmov?

Mária Dušinská: V ovzduší sú najčastejšie prirodzené prachové nano a mikročastice. Je známe, že dlhodobá expozícia týmto tzv. PM (partikulárnym materiálom) má vplyv na vznik kardiovaskulárnych a pľúcnych ochorení a spôsobuje rakovinu pľúc či iné závažné ochorenia. Prachové častice, najmä v nanorozmeroch, sa z pľúc môžu dostať do krvného riečiska a prejsť biologickými membránami a dostať sa tak napríklad aj do mozgu. Je tiež dokázané, že môžu výrazne prispieť k neurodegeneratívnym ochoreniam, ako je Alzheimerova či Parkinsonova choroba a pod.

3D model pečene: v kvapkách visiacich z opačnej strany Petriho misky, sa bunky vplyvom gravitácie začnú zhlukovať a vytvoria štruktúru podobnú tkanivu v pečeni

Ako reaguje bunková membrána, ako obal bunky, na kontakt s nanočasticami? Zosilnie alebo degraduje?

Mária Dušinská: Nanočastice tým, že majú špecifické vlastnosti, malý rozmer a veľký povrch v porovnaní so svojou hmotnosťou, sú veľmi reaktívne a ľahko prechádzajú bunkovými membránami. Mnohé ďalšie vlastnosti, ako povrchový náboj alebo hydrofóbnosť, takisto ovplyvňujú spôsob a rýchlosť, akými sa dostávajú nanomateriály do buniek. Napríklad nanočastice s kladným nábojom reagujú so záporne nabitou bunkovou membránou, čo vedie k zvýšenej internalizácii čiže procesu ich prijímania do bunky. Deje sa to prostredníctvom endocytózy, keď bunky obklopia nanočastice svojou membránou a vytvoria okolo nich vačok. Nanomateriály odpudzujúce vodu, najmä malé nanočastice, sa môžu takisto pasívne rozptýliť cez membránu do bunky. V zriedkavých prípadoch môžu určité typy nanomateriálov ako lipozómy priamo fúzovať s plazmatickou membránou bunky a uvoľniť svoj obsah do cytoplazmy bez potreby endocytózy. Tento mechanizmus je častejší pre lipidové nanomateriály alebo častice podobné vírusom.

Existujú teda rôzne mechanizmy, ktorými sa nanočastice dostávajú do buniek. Závisí to od ich veľkosti, povrchových vlastností a typu bunky. Hlavné mechanizmy vstupu nanočastíc do buniek sú prostredníctvom endocytózy. Tento proces zahŕňa pohlcovanie nanočastíc bunkovou membránou, t. j. bunková membrána sa preliači dovnútra bunky a vytvorí okolo nanočastice akoby obruč, keď sa tá spojí, vytvorí vačok. Keď sa vačok s nanočasticou vnútri odpojí od bunkovej membrány, dostane sa do cytoplazmy. Bunka má však limitovanú kapacitu, koľko nanočastíc môže prepustiť do svojho vnútra. Treba na to potom myslieť pri testovaní toxicity nanomateriálov. Napríklad maximálna koncentrácia je oveľa nižšia ako pri testovaní klasických chemických látok.

Existujú nanočastice neutrálne pre organizmus?

Mária Dušinská: Nanočastice so svojimi jedinečnými vlastnosťami, teda veľkosťou do 100 nm, rôznymi tvarmi, možnosťou viazať na seba rôzne látky a vytvárať rôzne povrchy, sú predurčené na využitie prakticky v každej oblasti. V závislosti od materiálu ich môžeme rozdeliť na organické, anorganické a nanočastice na báze uhlíka. To znamená, že škála nanomateriálov je prakticky neobmedzená. Patria sem proteíny, lipidy, polyméry, nanomateriály kovov, magnetické minerály, uhlíkové nanorúrky a pod. Každý materiál má jedinečné špecifické vlastnosti, ktoré ovplyvňujú ich funkciu a použitie. Existujú prírodné nanočastice, ako napríklad vírusy, prachové častice a podobne, alebo priemyselne vyrobené nanočastice.  Samozrejme, väčšina z nich je bezpečná pre organizmy. Je však dôležité vylúčiť z nich tie, ktoré môžu byť škodlivé pre organizmus, najmä tie, čo môžu byť mutagénne, karcinogénne alebo spôsobovať reprodukčnú toxicitu či neurotoxicitu.

Môže súvisieť recyklácia plastov s opätovným návratom mikro a nanočastíc plastov do životného prostredia?

Mária Dušinská: Naším cieľom je minimalizovať návrat mikro a nanoplastov do prostredia a recyklovanie plastov tomu pomáha. Ich opätovné využitie znižuje výrobu nových materiálov. Ale nesprávna recyklácia plastov môže súvisieť s ich opätovným návratom do životného prostredia. Potenciálne riziká sú spojené s uvoľňovaním mikro a nanoplastov do prostredia, napríklad pri mechanickom spracovaní plastov, keď môžu vzniknúť maličké častice, ktoré sa môžu uvoľniť napríklad do vody, pôdy alebo do ovzdušia. Sú to buď mikroplasty, teda častice menšie ako 5 mm, alebo nanoplasty, teda veľkostne v rozsahu nanočastíc. Ďalší problém môže byť v tom, že plastové materiály môžu obsahovať nečistoty, napríklad farbivá alebo rôzne toxické látky, ktoré sa pri procese recyklácie môžu uvoľniť do ekosystémov a spôsobiť znečistenie životného prostredia. Pri zlých recyklačných procesoch, kde môže dôjsť k neúplnej recyklácii, sa zvyškové plasty môžu dostať opätovne do prírody.

V malej kvapke sa množia bunky pečeňového tkaniva. Unikátne zábery sú z nórskeho laboratória v NILU

Čo je genotoxicita a mutagenéza? Čo najviac ovplyvňuje gény pri ich zmene?

Mária Dušinská: Genotoxicita a mutagenéza sú pojmy, ktoré sa týkajú poškodenia genetického materiálu v bunkách, čo môže viesť k rôznym zdravotným problémom vrátane rakoviny.

Genotoxicita je širší pojem. Vyjadruje schopnosť chemických látok alebo fyzikálnych faktorov (ako je napríklad ionizujúce žiarenie), prípadne aj biologických faktorov (napr. vírusy) spôsobovať poškodenie v genetickom materiáli, v deoxyribonukleovej kyseline (DNA). Tieto zmeny môžu byť opravené pomocou opravných mechanizmov. V prípade, že sú opravné mechanizmy nefunkčné alebo poškodenia DNA také veľké, že ich obranné mechanizmy nestihnú všetky opraviť, zafixujú sa v DNA a vzniknú mutácie. Mutácie v pohlavných bunkách môžu viesť k dedičným zmenám. Mutácie v somatických bunkách zas často vedú k vzniku ochorení, ako je rakovina. Mutagenéza je teda špecifický proces, pri ktorom dochádza k trvalým zmenám v genetickom materiáli (DNA) organizmu, k tvorbe mutácií v génoch. Mutácie sú trvalé zmeny v sekvencii DNA, ktoré môžu ovplyvniť funkciu génov a môžu mať rôzne dôsledky. Niektoré môžu byť neškodné alebo sa nemusia prejaviť, ale iné môžu viesť k závažným ochoreniam. Mutácie v pohlavných bunkách môžu mať za následok genetické choroby alebo iné závažné zdravotné problémy.

Genotoxicita a mutagenéza sú pojmy, ktoré sa často zamieňajú a považujú za identické, ale genotoxicita je širší pojem, ktorý ­zahŕňa akékoľvek poškodenie genetického materiálu vrátane mutácií, ale aj iné formy poškodenia, ktoré nemusia nevyhnutne viesť k mutácii. Obidva tieto procesy sú dôležité pri hodnotení poten­ciálnych rizík pri strete organizmu s chemickými látkami alebo inými ­faktormi, ktoré môžu mať vplyv na zdravie, najmä v súvislosti s výskytom rakoviny alebo genetických porúch.

Najznámejšie genotoxické látky alebo mutagény sú napríklad rôzne pesticídy, látky v cigaretovom dyme, ako je benzoapyrén, látky vznikajúce pri údení, alkylačné látky, niektoré kovy a z fyzikálnych látok napríklad ionizujúce žiarenie, ale aj ultrafialové svetlo. (Alkylačné látky sú súčasťou onkologických liekov pri liečbe rôznych typov rakoviny vrátane leukémie, lymfómov a niektorých pevných nádorov. Môžu mať však vedľajšie účinky, ako je poškodenie kostnej drene, čo môže viesť k zníženiu počtu krvných buniek a zvýšeniu rizika infekcií.)

Ako sa pozeráme na nanoroboty nesúce liečivo na presne určené miesto v tele vo svetle súčasných vedomostí? Veď táto myšlienka je tu už vyše 15 rokov. Kto hodnotí riziko ich použitia?

Mária Dušinská: Nanoroboty, ktoré nesú liečivo na presne určené miesto v tele, sú stále predmetom intenzívneho výskumu v oblasti nanomedicíny. Majú veľký potenciál najmä v oblasti presnej a cielenej liečby rakoviny, ale aj zápalových ochorení, infekcií či genetických porúch. Umožňujú cielené doručenie liečiva priamo do konkrétneho miesta v tele, napríklad do nádorov, čím sa zvyšuje jeho účinnosť, minimalizuje poškodenie zdravých tkanív a znižujú sa vedľajšie účinky. Nanoroboty môžu byť navrhnuté tak, aby uvoľňovali liečivo postupne počas dlhého obdobia, čím sa zabezpečí stabilná koncentrácia liečiva na príslušnom mieste a zníži sa potreba častých dávok.

Jedna z hlavných výziev je zaistiť bezpečnosť a biokompatibilitu nanorobotov, aby neboli toxické, nepoškodili zdravé tkanivá a nevyvolali imunitnú reakciu. V súčasnosti sú nanoroboty stále v počiatočných fázach výskumu a vývoja. Za ich bezpečnosť je v Európe zodpovedná Európska lieková agentúra (EMA), ktorá hodnotí, či sú vyvinuté lieky bezpečné. Naša skupina participovala na niekoľkých nanomedicínsky orientovaných projektoch zameraných na vývoj liečiv a nanorobotov na liečbu rakoviny. Na našich in vitro modeloch sme sledovali bezpečnosť nanorobotov a kombinovaných liečiv zabalených v rôznych typoch nanočastíc, napríklad v lipozómoch, v magnetických nanočasticiach či nanomateriáloch na báze uhlíka.

Vylúči takéto nanoroboty ľudské telo? Ak áno, nemôžu potom ohrozovať vodné zdroje?

Mária Dušinská: Nanoroboty by po skončení liečby nemali ostať v ľudskom tele trvalo. Správne navrhnuté nanoroboty, ktoré sú biokompatibilné, biologicky odbúrateľné alebo odstrániteľné prostredníctvom prirodzených procesov v tele, by nemali spôsobovať problémy. Osud nanorobotov v tele však závisí od ich dizajnu a typu materiálov. V súčasnosti sa výskum zameriava na to, aby nanoroboty po dokončení liečby buď prirodzene zmizli z tela, alebo sa odstránili bezpečne, aby sa predišlo akumulácii v orgánoch alebo iným nežiaducim účinkom. Môže to byť biologickou degradáciou, teda tým, že sa rozložia v tele prirodzenými biologickými procesmi. Takto sa napríklad rozkladajú nanoroboty vyrobené z organických materiálov. Riziko, že sa lieky, a to nielen na báze nanomateriálov, ale aj drogy, dostanú do odpadových vôd, je značné, pretože to potom spôsobuje veľké problémy. Názorným príkladom sú drogy ako kokaín, nikotín, cannabis, amfetamíny a podobne, ktoré sa hojne vyskytujú v odpadových vodách v mnohých európskych mestách.

Na čom zaujímavom momentálne pracujete?

Mária Dušinská: Momentálne pracujeme na viacerých projektoch týkajúcich sa bezpečnosti chemických látok vrátane nanomateriálov a ich testovaní. Sledujeme ich cytotoxicitu a genotoxicitu viacerými štandardnými metódami odporúčanými OECD. Zaoberáme sa takisto štúdiom mechanizmov účinku toxických látok a procesmi, ktoré môžu viesť k patologickým zmenám.

Nosnou témou je aj vývoj, štandardizácia a validácia nových biologických modelov a metód, pomocou ktorých chceme odhaľovať mechanizmy vedúce k poškodeniu buniek čiže ku genotoxicite, mutagenite a karcinogenite a v konečnom dôsledku k vzniku ochorení, ako je napríklad rakovina. Modely, ktoré vyvíjame, sú predovšetkým z ľudských tkanív a sú to tzv. 3D (trojdimenzionálne) viacbunkové modely, ktoré pripomínajú mikrotkanivá alebo miniorgány. Ide o proces patriaci medzi tzv. NAMs (new approach methods), ktoré by mali zredukovať a časom aj úplne nahradiť experimenty na zvieratách. Spolu s inými vedeckými skupinami sme vyvinuli pľúcny model, model pečene a pracujeme na ďalších, ako model prsníka, gastrointestinálny model a pod. Takisto spolupracujeme na tzv. organ on chip, teda modeloch miniorgánov prepojených spolu tekutinou nahradzujúcou krv a pripomínajúcich miniorganizmus. Tieto modely sú stále vo vývoji, štandardizujeme ich a validujeme.

Spolupracujeme na projektoch z oblasti nanomedicíny, teda pri vývoji liečiv, ale aj napríklad pri vývoji povrchových materiálov, ktoré by mali byť účinné a bezpečné v extrémnych podmienkach, ako sú napríklad potery na povrchu lodí alebo áut a podobne.

Ako vyrábate 3D modely (tkanivá pečene, pľúc) na testovanie chemických látok vrátane nanočastíc?

Mária Dušinská: V prvom rade, keď chceme testovať nanočastice alebo iné materiály, prípadne chemické látky, vychádzame z toho, v akom prostredí sa nachádzajú a ako môžu pôsobiť na ľudí. Rozlišujeme, či sa šíria vzduchom, vtedy aplikujeme pľúcny model alebo vodou a potravou, vtedy použijeme gastrointestinálny model. Ak prenikajú skúmané látky cez kožu (napríklad v prípade látok, ktoré majú byť súčasťou kozmetických prípravkov a krémov), vtedy po­užijeme kožný model a podobne. Máme rozsiahlu biobanku. Bunky máme hlboko zmrazené v tekutom dusíku. Pred začiatkom štúdie pripravíme modely tkanív tak, že začneme kultivovať vybrané typy buniek v špeciálnych podmienkach. Stimulujeme ich, aby vytvorili štruktúru podobnú štruktúre daného tkaniva alebo orgánu. Trvá to niekoľko dní až týždňov. Napríklad pri pľúcnom modeli napodobňujeme pľúca tým, že bunky kultivujeme na membráne. To znamená, že z hornej časti sú vystavené vzduchu a zo spodnej (bazálnej časti) sú v tekutine simulujúcej krv. Je to fascinujúce, ako sa bunky inak správajú, keď sú orga­nizované v tzv. mikrotkanive, v porovnaní s klasickým dvojdimenzionálnym rastom prichyteným na Petriho miske.

Ako využívate umelú inteligenciu a digitálne technológie pri svojej práci?

Mária Dušinská: Digitálne technológie využívame už veľmi dlho. Sú súčasťou našej práce a ani si to neuvedomujeme. Ja si bez nich výskum už ani neviem predstaviť. Umelá inteligencia má nesmierny potenciál urýchliť a skvalitniť vedecký výskum, toxikologický výskum nevynímajúc. V nových prístupoch k hodnoteniu bezpečnosti chemických látok vrátane nanomateriálov, ktoré sa nespoliehajú na pokusy na zvieratách, sa budú digitálne technológie využívať čoraz viac. Nové modely, ktoré vyvíjame, môžu byť rýchlejšie, presnejšie a etickejšie než tradičné prístupy. V súčasnosti využívame umelú inteligenciu v tvorbe rozsiahlych databáz, na ich prepojenie, takisto pri analýze zložitých biologických informácií a veľkého množstva dát z rôznych experimentov na rôznych modeloch, na selekciu dát, ako aj na tzv. retrospektívnu analýzu. Využívame ich aj pri výbere referenčných chemikálií či pri simulácii experimentov a hodnotení kvality a presnosti modelov. Plánujeme ich využiť pri validácii nových modelov. Zasadenie umelej inteligencie do nových modelov a efektívna integrácia rozsiahleho množstva dát môže nesmierne zvýšiť prediktívne schopnosti týchto modelov pre toxikológiu, čo predstavuje úplne nový prístup alebo spôsob myslenia (paradigmu) v posudzovaní bezpečnosti chemických látok. Je však veľmi dôležité ich využívať zodpovedne a validovať ich, aby tak v konečnom dôsledku pomohli zlepšiť bezpečnosť chemických látok, nanomateriálov a nanoplastov.               

Ďakujeme za rozhovor.

Za Nextech sa zhovárala Jana Matejíčková.

Zdroj foto: M. Dušinská

 

Zobrazit Galériu