تقوم شريحة Multiorgan بقياس التأثير البيولوجي للجسيمات النانوية بشكل مباشر

تقوم شريحة Multiorgan بقياس التأثير البيولوجي للجسيمات النانوية بشكل مباشر

على سبيل المثال، ماذا يحدث إذا تنفسنا الجسيمات النانوية المنبعثة من طابعة الليزر؟ هل يمكن لهذه الجسيمات النانوية أن تلحق الضرر بالجهاز التنفسي أو ربما حتى الأعضاء الأخرى؟ للإجابة على هذه الأسئلة، يقوم باحثو فراونهوفر بتطوير جهاز التعرض “NanoCube”. تسجل شريحة Nanocube المدمجة متعددة الأعضاء، والتي تم تصنيعها في مختبر جامعة برلين التقنية (TU Berlin) و"TissUse" المنفصلة عنها، التفاعل بين الجسيمات النانوية وخلايا الرئة، وامتصاص الجسيمات النانوية في مجرى الدم والتأثيرات المحتملة على الكبد.

من المؤكد أن وجود طابعة ليزر بجوار محطة العمل الخاصة بك أمر عملي للغاية. ومع ذلك، هناك خطر من أن هذه الآلات، تمامًا مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد، تنبعث منها رذاذ أثناء التشغيل يحتوي، من بين أشياء أخرى، على جسيمات نانوية - أي جسيمات يتراوح حجمها بين 1 ومائة نانومتر. للمقارنة: يبلغ سمك الشعرة حوالي 60.000 إلى 80.000 نانومتر. يتم إنشاء الجسيمات النانوية أيضًا عن طريق مرور مركبات الطرق، على سبيل المثال من خلال تآكل الإطارات. ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل عن كيفية تأثير هذه الجسيمات على جسم الإنسان عند استنشاقها إلى الرئتين. حتى الآن، الطريقة الوحيدة لدراسة ذلك كانت من خلال التجارب على الحيوانات. وبالإضافة إلى ذلك، يجب جمع كميات كبيرة من عينات الهباء الجوي المعني بجهد كبير.

تأثير بيولوجي قابل للقياس مباشرة

يعمل باحثون من معهد فراونهوفر لعلم السموم والطب التجريبي ITEM ومعهد فراونهوفر للخوارزميات والحوسبة العلمية SCAI على مشروع "NanoINHAL" مع جامعة برلين التقنية وشركة TissUse GmbH التابعة لها لدراسة تأثيرات الجسيمات النانوية على جسم الإنسان. يتم تمويل المشروع من قبل الوزارة الاتحادية للتعليم والبحث (BMBF).

وباستخدام الأساليب المخبرية، يمكننا تحليل التأثيرات البيولوجية للهباء الجوي بشكل مباشر وبسهولة - دون إجراء تجارب على الحيوانات".

الدكتورة تانيا هانسن، قائدة المجموعة في Fraunhofer ITEM

أصبح هذا ممكنًا من خلال الجمع بين تقنيتين موجودتين: شريحة Humimic Chip3 متعددة الأعضاء من جامعة TU Berlin وTissUse المنفصلة عنها، بالإضافة إلى PRIT® ExpoCube® الذي طورته شركة Fraunhofer ITEM. إن Humimic Chip3 عبارة عن شريحة بحجم شريحة مختبرية قياسية بقياس 76 × 26 ملم. ويمكن وضع مزارع أنسجة مصغرة بحجم 100.000 مرة عليها، مع توفير المحاليل المغذية لمزارع الأنسجة عبر المضخات الدقيقة. وبهذه الطريقة، على سبيل المثال، يمكن إعادة إنشاء عينات الأنسجة من الرئتين والكبد وتفاعلها مع الجسيمات النانوية بشكل مصطنع.

أربع من هذه الرقائق متعددة الأعضاء تتلاءم مع PRIT® ExpoCube®. هذا هو جهاز التعرض الذي يستخدم لفحص المواد المحمولة جوا مثل الهباء الجوي في المختبر. باستخدام نظام متطور من المضخات الدقيقة وإلكترونيات التدفئة وخطوط الهباء الجوي وأجهزة الاستشعار، فإن ExpoCube® قادر على تعريض عينات الخلايا الموجودة على شريحة متعددة الأعضاء عند السطح البيني للهواء والسائل - كما هو الحال في الرئة البشرية - لمختلف الهباء الجوي أو حتى الجسيمات النانوية بطريقة يمكن التحكم فيها واستنساخها.

تتدفق الجسيمات النانوية عبر قناة صغيرة، تؤدي منها عدة فروع إلى الأسفل لتوجيه الهواء والجسيمات النانوية إلى الرقائق الأربعة متعددة الأعضاء. يوضح هانسن: "إذا تم تعريض خلايا الرئة عند السطح البيني للهواء والسائل، فإن العديد من العوامل تلعب دورًا، مثل درجة الحرارة، وتدفق وسط الاستنبات في الرقاقة وتدفق الهباء الجوي. وهذا يجعل التجارب من هذا النوع معقدة للغاية".

ويجري حاليا تحسين النظام بشكل أكبر. وفي نهاية المشروع، فإن الجمع بين NanoCube ورقاقة الأعضاء المتعددة سيمكن من إجراء دراسات تفصيلية للهباء الجوي في المختبر. عندها فقط يمكن فحص التأثيرات المباشرة للجسيمات النانوية الضارة المحتملة على الجهاز التنفسي، وفي الوقت نفسه، التأثيرات المحتملة على الأعضاء الأخرى، مثل الكبد.

تساعد المحاكاة على تحسين التطوير

ولكن كيف يمكن توجيه الهباء الجوي، وخاصة الجسيمات النانوية، إلى خلايا الرئة بحيث تترسب كمية معينة على سطح الخلية؟ وهنا يأتي دور خبرة Fraunhofer SCAI: فقد قام الباحثون بفحص هذا والجوانب المماثلة في المحاكاة. وكان عليهم التغلب على تحديات خاصة: فالنماذج الفيزيائية والعددية المطلوبة لإجراء محاكاة تفصيلية للجسيمات النانوية أكثر تعقيدًا بكثير من النماذج ذات الأقطار الأكبر. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة كبيرة في وقت الحوسبة.

لكن الجهد يستحق العناء لأن المحاكاة المكثفة حسابيًا تساعد على تحسين نظام الاختبار الحقيقي. لنأخذ مثالا: كما ذكرنا أعلاه، يجب أن يتدفق الهباء الجوي عبر خط تمتد منه عدة فروع إلى الأسفل لتوجيه الجسيمات النانوية إلى الرقائق متعددة الأعضاء، حيث يجب أن تكون الظروف عند نقاط أخذ العينات متطابقة قدر الإمكان. ومع ذلك، فإن قوى القصور الذاتي للجسيمات النانوية صغيرة، وبالتالي تكون احتمالية تحرك الجزيئات من مسار التدفق المعاد توجيهه إلى سطح الخلية أقل. الجاذبية وحدها ليست كافية في هذه الحالة. وقد قام الباحثون بحل المشكلة من خلال استغلال ظاهرة الرحلان الحراري. يوضح الدكتور كارستن برودبيك، مدير المشروع في Fraunhofer SCAI: "هذه قوة في السائل ذات تدرج في درجة الحرارة تتسبب في هجرة الجزيئات إلى الجانب الأكثر برودة". "من خلال السماح للهباء الجوي بالتدفق عبر الخط في حالة ساخنة بينما يتم زراعة الخلايا بشكل طبيعي في درجة حرارة الجسم، تتحرك الجسيمات النانوية نحو الخلايا، وهو ما تظهره المحاكاة بوضوح."

وباستخدام عمليات المحاكاة، قام الباحثون أيضًا بالتحقيق في كيفية تحقيق أعلى تدرج ممكن في درجة الحرارة دون الإضرار بالخلايا وكيفية بناء الجهاز المقابل. كما قاموا بفحص كيفية تأثير سرعات التدفق المختلفة وهندسة خطوط التغذية على الامتصاص. تم تحسين توزيع درجة الحرارة في جهاز التعريض عن طريق اختيار مواد مختلفة وضبط الشكل الهندسي وتعديل تصميم التبريد والتدفئة.

يوضح برودبيك: "من خلال عمليات المحاكاة، يمكننا تغيير الظروف الحدودية بسرعة وسهولة وفهم تأثيرات هذه التغييرات. ويمكننا أيضًا اكتشاف الأشياء التي تظل مخفية في التجارب".

لقد تم حل المشاكل التكنولوجية الأساسية. النموذج الأولي لجهاز التعرض NanoCube، بما في ذلك شريحة متعددة الأعضاء، يجب أن يكون جاهزًا الآن في الخريف، وبعد ذلك سيتم إجراء التجارب الأولى مع النظام. وبدلاً من الهباء الجوي الناتج عن الطابعات، يستخدم باحثو فراونهوفر في البداية جزيئات مرجعية، على سبيل المثال الجسيمات النانوية المصنوعة من أكسيد الزنك أو ما يسمى بـ “أسود الكربون”، أي الصبغة السوداء في حبر الطباعة. وفي التطبيقات العملية المستقبلية، ينبغي إعداد نظام القياس أينما يتم إنتاج الجسيمات النانوية، على سبيل المثال بجوار طابعة ليزر.

نظام اختبار مبتكر للتأثيرات السامة

يهدف مشروع NanoINHAL إلى إنشاء نظام اختبار مبتكر يمكن من خلاله فحص التأثيرات السامة للجسيمات النانوية المحمولة بالهواء على الخلايا في الجهاز التنفسي والرئتين وكذلك على الأعضاء النهائية مثل الكبد. ومن خلال الجمع بين جهازين عضويين في نظام ميكروفيزيولوجي واحد، سيكون من الممكن أيضًا دراسة امتصاص وتوزيع الجسيمات النانوية في الكائن الحي. وفي المستقبل، سيوفر نظام الاختبار بيانات عن التأثيرات طويلة المدى للجسيمات النانوية المستنشقة وحركيتها الحيوية. وسيلعب هذا دورًا مهمًا في تقييم التهديد الصحي المحتمل الذي تشكله هذه الجسيمات.

مصدر:

جمعية فراونهوفر

.