DOI: https://doi.org/10.3389/ftox.2025.1719447
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602274
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Laura Escorihuela وآخرون
الموضوع الرئيسي: آثار ومخاطر المواد الكيميائية المسببة لاضطراب الغدد الصماء
نظرة عامة
تسلط هذه المراجعة الضوء على أهمية فهم الآليات السمية للملوثات الغذائية لتقييم مخاطر الصحة العامة. وتؤكد على التحول نحو الأساليب الحاسوبية كبدائل أخلاقية للاختبارات التقليدية على الحيوانات، موضحة نهج متعدد المقاييس يتضمن تفاعلات على المستوى الذري تم تحليلها من خلال ربط الجزيئات باستخدام دالة الكثافة الضيقة والمحاكاة الديناميكية الجزيئية (MD). تناقش المراجعة دمج هذه الأساليب الحاسوبية مع البيانات التجريبية لتطوير نماذج تنبؤية، مثل علاقة الهيكل-النشاط الكمية (QSAR) ونمذجة الديناميكا الدوائية القائمة على الفسيولوجيا (PBPK)، بهدف تقليل مخاطر الملوثات ودعم مبادئ الاستبدال والتقليل والتحسين (3Rs) في العلوم السمية.
في الختام، تؤكد المراجعة على الدور المحوري للتقنيات الحاسوبية المتقدمة في الفحص التنظيمي وتحديد أولويات الملوثات الغذائية. على الرغم من الوعود، لا تزال هناك تحديات، خاصة فيما يتعلق بالجزيئات النانوية، حيث يوجد نقص في بيانات المرجع عالية الجودة والنماذج المحددة. تم تحديد دمج التعلم الآلي مع النماذج الميكانيكية كحدود رئيسية لتطوير أطر هجينة تعزز القدرات التنبؤية. يدعو المؤلفون إلى التنسيق الدولي لمعايير التنظيم للاستفادة الكاملة من هذه الأدوات المتقدمة، مما يضمن حماية الصحة العامة تتماشى مع التقدم التكنولوجي وتعزيز الابتكار المسؤول في سلسلة الإمداد الغذائي.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية المخاطر الصحية الكبيرة التي تشكلها الملوثات الكيميائية في سلسلة الغذاء، والتي تشمل الملوثات البيئية ومنتجات المعالجة. يتم بشكل متزايد دعم التقييمات السمية التقليدية، التي تعتمد أساسًا على نماذج الحيوانات، بأساليب حاسوبية متقدمة نظرًا للاعتبارات الأخلاقية والحاجة إلى الكفاءة. تسلط المراجعة الضوء على تطور سمية الغذاء نحو استراتيجيات مبتكرة “في المختبر” و”في الحاسوب”، مع التأكيد على أهمية فهم الآليات السمية لإبلاغ تطوير مسارات النتائج السلبية (AOPs) وتحسين سلامة الغذاء.
تناقش الورقة التقدم في الأدوات الحاسوبية، وخاصة المحاكاة الديناميكية الجزيئية (MD)، التي أصبحت ضرورية في التنبؤ بتفاعلات واستقرار البروتينات وغيرها من الجزيئات الحيوية في علوم الغذاء. تسهل هذه الأساليب استكشاف الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد النانوية المصنعة (ENMs) وتأثيراتها الصحية المحتملة، بما يتماشى مع إرشادات منظمة التعاون والتنمية الاقتصادية (OECD) لتقييم السمية النانوية. علاوة على ذلك، يتم اقتراح دمج المحاكاة الديناميكية الجزيئية مع نماذج علاقة الهيكل-النشاط الكمية (QSAR) ونماذج الديناميكا الدوائية القائمة على الفسيولوجيا (PBPK) لتعزيز فهم سلوك المواد الكيميائية في الأنظمة البيولوجية، مما يساهم في النهاية في تقليل وتحسين اختبارات الحيوانات في السمية.
الطرق
تناقش هذه الفقرة دمج الأساليب الحاسوبية والتجريبية لتقييم السمية للملوثات الغذائية. تعتبر التنبؤات الحاسوبية، التي تشمل تقنيات مثل ربط الجزيئات، والمحاكاة الديناميكية الجزيئية، وحسابات طاقة الربط، ضرورية لتحديد أولويات الملوثات الخطرة وفهم آليات سمومها. ومع ذلك، تتطلب هذه التنبؤات تحققًا تجريبيًا صارمًا من خلال تقنيات مثل نقل الطاقة بالتحفيز الضوئي (BRET) والاختبارات الغربية. على سبيل المثال، أظهرت دراسات جيونغ وآخرون (2025a، 2025b) فعالية هذه الأساليب من خلال التحقق من التنبؤات الحاسوبية بشأن تفاعلات البنزوفيونات والمثيوكارب مع مستقبلات الإنسان، على التوالي.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم دوآن وآخرون (2025a) سمية الشبكات وربط الجزيئات لربط التعرض للأكرلاميد بسرطان الثدي، مع تحديد الجينات الرئيسية التي تم التحقق منها لاحقًا من خلال المحاكاة الديناميكية الجزيئية والتلوين المناعي. يبرز التحقق من نماذج الديناميكا الدوائية القائمة على الفسيولوجيا (PBPK)، كما هو موضح في عمل فابريغا وآخرون (2014)، أهمية مواءمة التنبؤات الحاسوبية مع البيانات التجريبية لتقييم المخاطر في العالم الحقيقي. بشكل عام، تعزز العلاقة القوية بين النتائج الحاسوبية والتجريبية مصداقية هذه النماذج وتوفر أساسًا قويًا لتطوير استراتيجيات مستهدفة لتقليل المخاطر الصحية المرتبطة بالملوثات الغذائية.
المناقشة
تناقش فقرة المناقشة في الورقة البحثية تداعيات الجزيئات النانوية المصنعة (ENPs) وغيرها من الملوثات في الغذاء، مع تسليط الضوء على خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة والمخاطر المحتملة على صحة الإنسان والبيئة. وفقًا للهيئة الأوروبية لسلامة الغذاء (EFSA)، يتم تعريف الجزيئات النانوية على أنها مواد بأبعاد 100 نانومتر أو أقل، والتي يمكن أن تظهر سلوكيات مميزة مقارنة بنظيراتها الأكبر. تؤكد الورقة على الحاجة إلى توصيف شامل لهذه المواد، حيث يمكن أن تؤثر عوامل مثل الحجم، ومساحة السطح، والتجمع بشكل كبير على سمومها وتفاعلاتها البيئية. من الجدير بالذكر أن الجزيئات النانوية الأصغر، وخاصة تلك التي تقل عن 5 نانومتر، يمكن أن تخترق الأنظمة البيولوجية بسهولة أكبر وقد تطلق أيونات سامة، وهو ظاهرة تُعرف بتأثير “الحصان الطروادة”.
تناقش الورقة أيضًا تطبيقات الجزيئات النانوية المصنعة في صناعة الغذاء، بما في ذلك استخدامها كمواد مضافة، ومواد تعبئة، وعوامل مضادة للميكروبات. بينما يمكن أن تعزز هذه التطبيقات جودة وسلامة الغذاء، فإنها تثير مخاوف بشأن هجرة الجزيئات النانوية إلى الغذاء وإمكانية تعرض الإنسان لها. تشير التقرير إلى أمثلة متنوعة، مثل جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وجزيئات أكسيد الزنك (ZnO)، التي تُستخدم لخصائصها المضادة للميكروبات ولكن قد تشكل أيضًا مخاطر صحية. علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على أهمية فهم آليات السمية المرتبطة بالجزيئات النانوية المصنعة، بما في ذلك الإجهاد التأكسدي، والسمية الجينية، واضطراب الغدد الصماء، والتي يمكن أن تؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة. يدعو المؤلفون إلى تحسين الأطر التنظيمية ومواد المرجع لضمان الاستخدام الآمن للمواد النانوية في المنتجات الغذائية، مع التأكيد على الحاجة إلى البحث المستمر لمعالجة الفجوات في المعرفة بشأن آثارها على المدى الطويل.
DOI: https://doi.org/10.3389/ftox.2025.1719447
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602274
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Laura Escorihuela et al.
Primary Topic: Effects and risks of endocrine disrupting chemicals
Overview
This review highlights the importance of understanding the toxicological mechanisms of food contaminants for human health risk assessment. It emphasizes the shift towards computational methods as ethical alternatives to traditional animal testing, detailing a multi-scale approach that includes atomic-level interactions analyzed through Density Functional Tight Binding molecular docking and Molecular Dynamics (MD) simulations. The review discusses the integration of these in silico methods with experimental data to develop predictive models, such as Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) and Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) modeling, aimed at mitigating contaminant risks and supporting the principles of Replacement, Reduction, and Refinement (3Rs) in toxicological science.
In conclusion, the review underscores the pivotal role of advanced computational techniques in regulatory screening and prioritization of food contaminants. While promising, challenges remain, particularly regarding nanoparticles, where there is a lack of high-quality reference data and specific models. The integration of machine learning with mechanistic models is identified as a key frontier for developing hybrid frameworks that enhance predictive capabilities. The authors advocate for international harmonization of regulatory standards to fully leverage these advanced tools, thereby ensuring public health protection aligns with technological advancements and fostering responsible innovation in the food supply chain.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the significant health risks posed by chemical contaminants in the food chain, which include environmental pollutants and processing by-products. Traditional toxicity assessments, primarily reliant on animal models, are increasingly being supplemented by advanced in silico methods due to ethical considerations and the need for efficiency. The review highlights the evolution of food toxicology towards innovative “in vitro” and “in silico” strategies, emphasizing the importance of understanding toxicological mechanisms to inform the development of adverse outcome pathways (AOPs) and improve food safety.
The paper discusses the advancements in computational tools, particularly Molecular Dynamics (MD) simulations, which have become essential in predicting the interactions and stability of proteins and other biomolecules in food science. These methods facilitate the exploration of the physicochemical properties of engineered nanomaterials (ENMs) and their potential health effects, aligning with the OECD’s guidelines for assessing nanotoxicity. Furthermore, the integration of MD simulations with Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) models and Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) models is proposed to enhance the understanding of chemical behavior in biological systems, ultimately contributing to the reduction and refinement of animal testing in toxicology.
Methods
The section discusses the integration of computational and experimental methodologies for the toxicological evaluation of food contaminants. Computational predictions, which include techniques such as molecular docking, molecular dynamics simulations, and binding energy calculations, are essential for prioritizing hazardous contaminants and understanding their toxic mechanisms. However, these predictions require rigorous experimental validation through techniques like bioluminescence resonance energy transfer (BRET)-based assays and Western blotting. For instance, studies by Jeong et al. (2025a, 2025b) demonstrated the effectiveness of these methods by validating computational predictions regarding the interactions of benzophenones and methiocarb with human receptors, respectively.
Additionally, Duan et al. (2025a) employed network toxicology and molecular docking to link acrylamide exposure to breast cancer, identifying key genes that were further validated through molecular dynamics simulations and immunohistochemistry. The validation of physiologically based pharmacokinetic (PBPK) models, as shown in the work of Fàbrega et al. (2014), underscores the importance of aligning computational predictions with experimental data for real-world risk assessments. Overall, the strong correlation between computational and experimental findings enhances the credibility of these models and provides a solid foundation for developing targeted strategies to mitigate health risks associated with food contaminants.
Discussion
The discussion section of the research paper addresses the implications of engineered nanoparticles (ENPs) and other contaminants in food, highlighting their unique physicochemical properties and potential risks to human health and the environment. According to the European Food Safety Authority (EFSA), nanoparticles are defined as materials with dimensions of 100 nm or less, which can exhibit distinct behaviors compared to their bulk counterparts. The paper emphasizes the need for thorough characterization of these materials, as factors such as size, surface area, and aggregation can significantly influence their toxicity and environmental interactions. Notably, smaller nanoparticles, particularly those under 5 nm, can penetrate biological systems more readily and may release toxic ions, a phenomenon referred to as the “Trojan horse” effect.
The paper also discusses the applications of ENPs in the food industry, including their use as additives, packaging materials, and antimicrobial agents. While these applications can enhance food quality and safety, they raise concerns about the migration of nanoparticles into food and the potential for human exposure. The report cites various examples, such as titanium dioxide (TiO₂) and zinc oxide (ZnO) nanoparticles, which are used for their antimicrobial properties but may also pose health risks. Furthermore, the discussion highlights the importance of understanding the mechanisms of toxicity associated with ENPs, including oxidative stress, genotoxicity, and endocrine disruption, which can lead to serious health issues. The authors call for improved regulatory frameworks and reference materials to ensure the safe use of nanomaterials in food products, emphasizing the need for ongoing research to address the gaps in knowledge regarding their long-term effects.