DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04489
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41603589
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Angela Serra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء والهندسة الكيميائية
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الحالات النادرة التي قد يتم فيها تحميل مستند بشكل خاطئ أو تصنيفه على أنه حساس تجارياً. وتؤكد على أهمية معالجة مثل هذه القضايا بسرعة وتوفر بريدًا إلكترونيًا للتواصل (UBIRA@lists) للأفراد الذين يعتقدون أن مستندًا ما يقع ضمن هذه الفئات. النص يبرز الحاجة إلى اليقظة في إدارة المعلومات الحساسة داخل المستودع.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لأساليب تقييم مبتكرة في ضوء التطور السريع للمواد والمواد الكيميائية الجديدة. وتؤكد على إطار العمل الآمن والمستدام حسب التصميم (SSbD) الذي أنشأه المركز المشترك للبحوث التابع للمفوضية الأوروبية، والذي يقيم سلامة واستدامة هذه المواد من خلال النظر في آثارها على صحة الإنسان والبيئة والعوامل الاجتماعية والاقتصادية. يتكون الإطار من مرحلتين تكراريتين: (إعادة) التصميم والتقييم، حيث تشمل الأخيرة خمس خطوات حاسمة، بما في ذلك تقييم المخاطر والتحليل الاجتماعي والاقتصادي.
تناقش المراجعة أدوات النمذجة المختلفة التي تدعم إطار العمل SSbD، مثل نماذج مسارات النتائج السلبية (AOP)، ونماذج العلاقة بين الهيكل والنشاط الكمي (QSAR)، ونماذج تقييم دورة الحياة (LCA). ومع ذلك، تشير إلى أن هذه النماذج غالبًا ما تُطبق بشكل منفصل، مما يحد من التقييمات الشاملة للأثر بسبب نقص التكامل بين جوانب السلامة والاستدامة المترابطة. لمعالجة ذلك، تحدد الورقة ثلاث طرق للتكامل—التكامل بالاجماع، التجميع الموزون، وتكامل الأنابيب—التي يمكن أن توحد نماذج متنوعة لتقييم أكثر شمولية. تناقش المراجعة أيضًا أهمية انتشار عدم اليقين ومجالات التطبيق في هذه الاستراتيجيات، باستخدام أمثلة من المواد المتقدمة مثل المواد النانوية الهندسية (ENMs) والمواد الكيميائية متعددة الفلورو الكيل (PFAS). أخيرًا، تقدم مشروع INSIGHT EU كدراسة حالة لتوضيح كيفية تنفيذ هذه الاستراتيجيات التكاملية بشكل فعال ضمن إطار عمل متماسك لتحسين تقييم الأثر.
طرق
تحدد هذه الفقرة مجموعة شاملة من النماذج الضرورية لتقييم الأثر المتكامل وخصائص السلامة حسب التصميم (SSbD) للمواد والمواد الكيميائية. تبرز مجموعة متنوعة من أساليب النمذجة، بما في ذلك نماذج مسارات النتائج السلبية (AOP)، ونماذج العلاقة بين الهيكل والنشاط الكمي (QSAR)، ونماذج الديناميات الفيزيولوجية (PBK)، ونماذج التوكسوجينوميكس (TGx)، من بين أمور أخرى. تسهل هذه النماذج تقييم المخاطر من خلال مقارنة تقديرات التعرض بالقيم المرجعية وتدعم تقييمات الاستدامة الأوسع من خلال تقييم دورة الحياة (LCA) والتقييم الاجتماعي لدورة الحياة (S-LCA). تؤكد الفقرة على أهمية هذه النماذج في معالجة خصائص SSbD وقيودها.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش النص التطبيق المبتكر لتقنيات التوأم الرقمي، التي تخلق تمثيلات افتراضية ديناميكية للأنظمة الفيزيائية لمحاكاة وتوقع السلوكيات طوال دوراتها الحياتية. تعتبر هذه التوائم الرقمية مفيدة بشكل خاص في مرحلة (إعادة) التصميم للمواد والمواد الكيميائية، مما يمكّن من تقييم المخاطر المبكرة وتحسين العمليات. تقدم الفقرة أمثلة على أدوات مثل NanoConstruct وCADRE، التي تدمج طرق حسابية متقدمة لتعزيز تصميم الأدوية وتقييمات السمية. ومن الجدير بالذكر أن نموذج CADRE يظهر دقة كبيرة في توقع قوة التحسس الجلدي من خلال دمج ميكانيكا الكم مع المحاكاة الكلاسيكية، مما يتجاوز قيود QSAR التقليدية. بشكل عام، يوفر دمج التوائم الرقمية وLCA إطارًا قويًا لتقييمات الأثر الآلي ويدعم تصميم مواد كيميائية أكثر أمانًا واستدامة.
نتائج
تناقش هذه الفقرة المنهجية لتجميع نتائج تقييم الأثر لدورة الحياة (LCIA)، مع التأكيد على التمييز بين مؤشرات المستوى الوسيط ومؤشرات الأضرار. تبرز أن الانبعاثات يمكن أن تؤثر على مجالات حماية متعددة (AoP)—صحة الإنسان، جودة النظام البيئي، والموارد—من خلال مسارات تأثير متنوعة. بينما تقدم مؤشرات الأضرار نظرة شاملة على مستوى AoP، فإن تعقيدها وعدم اليقين يحد من فائدتها في اتخاذ القرار. وبالتالي، يحدث التجميع عادةً على المستوى الوسيط، حيث ترتبط المؤشرات بشكل مباشر أكثر بالآليات البيئية.
تشمل عملية التجميع خطوتين رئيسيتين: التطبيع والتوزين. يقوم التطبيع بتوحيد درجات الأثر من خلال تحويلها إلى مقياس مرجعي مشترك، والذي يمكن أن يستند إلى معايير خارجية (مثل الانبعاثات العالمية) أو بدائل داخلية. من ناحية أخرى، يخصص التوزين أهمية نسبية لفئات الأثر المختلفة، مما يسمح بتوحيدها في درجة واحدة تعكس القيم والتفضيلات المجتمعية. تفرض طريقة البصمة البيئية للمنتجات (PEF) التابعة للمفوضية الأوروبية هذه الخطوات، على الرغم من أنه يُنصح بالحذر في تفسير النتائج المعيارية بسبب التحيزات المحتملة من القيم المرجعية واكتمال الجرد. يدعو المركز المشترك للبحوث (JRC) إلى نهج وزني هجين يجمع بين حكم الخبراء وتفضيلات الجمهور، مع التأكيد على الحاجة إلى الشفافية والتطبيق المتسق عبر مجموعات المنتجات. بالإضافة إلى ذلك، تشير الفقرة إلى التحديات في دمج التقييمات الاجتماعية والبيئية والاقتصادية بسبب اختلاف المنهجيات، حيث تركز الجهود الحالية بشكل أساسي على تجميع النتائج لدعم اتخاذ القرار بدلاً من استكشاف الروابط بين النماذج الأساسية.
مناقشة
تؤكد فقرة المناقشة في الورقة البحثية على أهمية نماذج مسارات النتائج السلبية (AOP) ونماذج العلاقة بين الهيكل والنشاط الكمي (QSAR) في تعزيز تقييم المخاطر السمية. غالبًا ما تتجاهل الأساليب التقليدية، المعتمدة على الدراسات الحية، الفهم الميكانيكي للسمية، وهو ما تعالجه AOPs من خلال توفير إطار عمل منظم يربط الأحداث الجزيئية المبدئية بالنتائج السلبية عبر مستويات بيولوجية متنوعة. من خلال دمج مخرجات منهجيات جديدة (NAMs)، تسهل AOPs التعرف المبكر على المخاطر وتدعم مبادرة الصحة الواحدة، التي تعترف بترابط صحة الإنسان والحيوان والبيئة. يعزز دمج بيانات الأوميكس في AOPs من الدقة الميكانيكية، مما يسمح بتحديد أفضل للأحداث البيولوجية الرئيسية والنتائج السلبية المحتملة.
بالتوازي، تعمل نماذج QSAR كأدوات تنبؤية تقيم المخاطر الكيميائية بناءً على الخصائص الجزيئية، مما يقلل من الاعتماد على اختبار الحيوانات. تعتبر هذه النماذج ذات قيمة خاصة في فحص المواد الكيميائية الجديدة، بما في ذلك المواد الكيميائية الدائمة والسامة من المواد متعددة الفلورو الكيل (PFAS). ومع ذلك، فإن التحديات مثل ندرة البيانات والحاجة إلى رؤى ميكانيكية تحد من فعاليتها. تقترح التقدم في الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي الآلي كحلول لتعزيز جودة البيانات ودقة التنبؤ. تختتم الفقرة بالتأكيد على أهمية دمج الرؤى الميكانيكية من AOPs في نماذج QSAR لتحسين صلتها التنظيمية وقوة التنبؤ، مع معالجة قيود الأساليب الحالية لنمذجة الجرعة والاستجابة ونمذجة السمية في سياق تقييم المخاطر المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04489
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41603589
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Angela Serra et al.
Primary Topic: Chemistry and Chemical Engineering
Overview
The section discusses the infrequent instances in which a document may be uploaded erroneously or classified as commercially sensitive. It emphasizes the importance of addressing such issues promptly and provides a contact email (UBIRA@lists) for individuals who believe a document falls into these categories. The text underscores the need for vigilance in managing sensitive information within the repository.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for innovative assessment methods in light of the rapid development of new chemicals and materials. It emphasizes the Safe and Sustainable-by-Design (SSbD) framework established by the European Commission’s Joint Research Centre, which evaluates the safety and sustainability of these substances by considering their impacts on human health, the environment, and socioeconomic factors. The framework consists of two iterative phases: (re)design and assessment, with the latter encompassing five critical steps, including hazard assessment and socioeconomic analysis.
The review discusses various modeling tools that support the SSbD framework, such as Adverse Outcome Pathways (AOP) models, quantitative structure-activity relationship (QSAR) models, and life cycle assessment (LCA) models. However, it notes that these models are often applied in isolation, which limits comprehensive impact assessments due to the lack of integration of interrelated safety and sustainability aspects. To address this, the paper identifies three integration approaches—consensus integration, weighted aggregation, and pipeline integration—that can unify diverse models for a more holistic evaluation. The review also discusses the importance of uncertainty propagation and applicability domains in these strategies, using examples from advanced materials like engineered nanomaterials (ENMs) and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Finally, it presents the INSIGHT EU project as a case study to illustrate how these integration strategies can be effectively operationalized within a cohesive framework for enhanced impact assessment.
Methods
The section outlines a comprehensive suite of models essential for integrated impact assessment and safer-by-design (SSbD) of chemicals and materials. It highlights various modeling approaches, including Adverse Outcome Pathways (AOP), quantitative structure-activity relationship (QSAR) models, Physiologically Based Kinetics (PBK) models, and toxicogenomics (TGx)-based models, among others. These models facilitate risk assessment by comparing exposure estimates with reference values and support broader sustainability assessments through life cycle assessment (LCA) and social-LCA (S-LCA). The section emphasizes the importance of these models in addressing SSbD characteristics and their limitations.
Additionally, the text discusses the innovative application of digital twin technologies, which create dynamic virtual representations of physical systems to simulate and predict behaviors throughout their life cycles. These digital twins are particularly useful in the (re)design phase of materials and chemicals, enabling early hazard assessments and process optimizations. The section provides examples of tools like NanoConstruct and CADRE, which integrate advanced computational methods to enhance drug design and toxicological assessments. Notably, the CADRE model demonstrates significant accuracy in predicting skin sensitization potency by combining quantum mechanics with classical simulations, thereby overcoming traditional QSAR limitations. Overall, the integration of digital twins and LCA offers a robust framework for automated impact assessments and supports the design of safer, more sustainable chemicals.
Results
The section discusses the methodology for aggregating Life Cycle Impact Assessment (LCIA) results, emphasizing the distinction between midpoint-level indicators and damage-oriented indicators. It highlights that emissions can affect multiple areas of protection (AoP)—human health, ecosystem quality, and resources—through various impact pathways. While damage indicators offer a comprehensive overview at the AoP level, their complexity and uncertainty limit their utility in decision-making. Consequently, aggregation typically occurs at the midpoint level, where indicators are more directly linked to environmental mechanisms.
The aggregation process involves two key steps: normalization and weighting. Normalization standardizes impact scores by converting them into a common reference scale, which can be based on external benchmarks (e.g., global emissions) or internal alternatives. Weighting, on the other hand, assigns relative importance to different impact categories, allowing for their consolidation into a single score that reflects societal values and preferences. The European Commission’s Product Environmental Footprint (PEF) method mandates these steps, although caution is advised in interpreting normalized results due to potential biases from reference values and inventory completeness. The Joint Research Centre (JRC) advocates for a hybrid weighting approach that combines expert judgment and public preferences, emphasizing the need for transparency and consistent application across product groups. Additionally, the section notes challenges in integrating social, environmental, and economic assessments due to differing methodologies, with current efforts primarily focused on results aggregation for decision support rather than exploring interconnections among underlying models.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of Adverse Outcome Pathway (AOP)-based models and Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) models in enhancing toxicological risk assessment. Traditional methods, reliant on in vivo studies, often overlook the mechanistic understanding of toxicity, which AOPs address by providing a structured framework that connects molecular initiating events to adverse outcomes across various biological levels. By integrating outputs from new approach methodologies (NAMs), AOPs facilitate early hazard identification and support the One Health initiative, which recognizes the interconnectedness of human, animal, and environmental health. The incorporation of omics data into AOPs enhances mechanistic resolution, allowing for better identification of key biological events and potential adverse outcomes.
In parallel, QSAR models serve as predictive tools that assess chemical hazards based on molecular characteristics, thereby reducing the reliance on animal testing. These models are particularly valuable for screening new chemicals, including persistent and toxic per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS). However, challenges such as data scarcity and the need for mechanistic insights limit their effectiveness. Advances in artificial intelligence and automated machine learning are proposed as solutions to enhance data quality and predictive accuracy. The section concludes by highlighting the importance of integrating mechanistic insights from AOPs into QSAR models to improve their regulatory relevance and predictive power, while also addressing the limitations of current dose-response and toxicokinetic modeling approaches in the context of sustainable risk assessment.