Мултиорганен чип директно измерва биологичния ефект на наночастиците

Мултиорганен чип директно измерва биологичния ефект на наночастиците

Например, какво се случва, ако вдишваме наночастици, излъчвани от лазерен принтер? Могат ли тези наночастици да увредят дихателните пътища или може би дори други органи? За да отговорят на тези въпроси, изследователите на Fraunhofer разработват устройството за експозиция „NanoCube“. Интегрираният многоорганен чип на Nanocube, изграден в лабораторията на Техническия университет в Берлин (TU Berlin) и неговия спин-оф „TissUse“, записва взаимодействието между наночастиците и белодробните клетки, абсорбцията на наночастиците в кръвния поток и възможните ефекти върху черния дроб.

Наличието на лазерен принтер точно до вашата работна станция със сигурност е много практично. Съществува обаче риск тези машини, подобно на 3D принтерите, да излъчват аерозоли по време на работа, които съдържат, наред с други неща, наночастици - т.е. частици с размер между един и сто нанометра. За сравнение: един косъм е с дебелина около 60 000 до 80 000 нанометра. Наночастиците се създават и при преминаване на пътни превозни средства, например чрез абразия от гуми. Малко се знае обаче как тези частици влияят на човешкото тяло при вдишване в белите дробове. Досега единственият начин да се изследва това беше чрез тестване върху животни. В допълнение, големи количества проби от въпросния аерозол ще трябва да бъдат събрани с големи усилия.

Директно измерим биологичен ефект

Изследователи от Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM и Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI работят по проекта „NanoINHAL“ с TU Berlin и неговия спин-оф TissUse GmbH, за да изследват ефектите на наночастиците върху човешкото тяло. Проектът се финансира от Федералното министерство на образованието и научните изследвания (BMBF).

Използвайки in vitro методи, можем да анализираме биологичните ефекти на аерозолите директно и лесно – без тестове върху животни.“

Д-р Таня Хансен, ръководител на група във Fraunhofer ITEM

Това стана възможно чрез комбинирането на две съществуващи технологии: мултиорганния чип Humimic Chip3 от TU Berlin и неговия спин-оф TissUse, както и PRIT® ExpoCube®, разработен от Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 е чип с размер на стандартно лабораторно предметно стъкло с размери 76 x 26 mm. Върху него могат да се поставят 100 000-кратно миниатюризирани тъканни култури, като хранителните разтвори се подават към тъканните култури чрез микропомпи. По този начин могат да бъдат изкуствено пресъздадени например тъканни проби от белите дробове и черния дроб и взаимодействието им с наночастици.

Четири от тези многоорганни чипове се побират в PRIT® ExpoCube®. Това е устройство за експозиция, което се използва за изследване на вещества във въздуха, като аерозоли in vitro. Използвайки усъвършенствана система от микропомпи, нагревателна електроника, аерозолни линии и сензори, ExpoCube® е в състояние да изложи клетъчните проби на многоорганния чип на интерфейса въздух-течност – като в човешкия бял дроб – на различни аерозоли или дори наночастици по контролируем и възпроизводим начин.

Наночастиците протичат през микроканал, от който няколко разклонения водят надолу, за да насочат въздуха и наночастиците към четирите мултиорганни чипа. "Ако белодробните клетки трябва да бъдат изложени на интерфейса въздух-течност, многобройни параметри играят роля, като температура, поток на културалната среда в чипа и аерозолния поток. Това прави експерименти от този тип много сложни", обяснява Хансен.

В момента системата се оптимизира допълнително. В края на проекта комбинацията от NanoCube и мултиорганен чип ще даде възможност за подробни изследвания на аерозоли in vitro. Едва тогава могат да бъдат изследвани преките ефекти на потенциално вредните наночастици върху дихателните пътища и в същото време възможните ефекти върху други органи, като черния дроб.

Симулациите помагат за оптимизиране на развитието

Но как могат аерозолите, особено наночастиците, да бъдат насочени към белодробните клетки по такъв начин, че определено количество да се отложи върху клетъчната повърхност? Това е мястото, където експертният опит на Fraunhofer SCAI влиза в действие: Изследователите изследваха този и подобни аспекти в симулация. Те трябваше да преодолеят специални предизвикателства: физическите и числените модели, необходими за детайлна симулация на наночастици, са значително по-сложни, отколкото за частици с по-големи диаметри. Това от своя страна води до значително увеличаване на изчислителното време.

Но усилията си заслужават, защото симулацията с интензивни изчисления помага да се оптимизира реалната тестова система. Нека вземем пример: както бе споменато по-горе, аерозолът трябва да тече през линия, от която няколко клона се простират надолу, за да насочат наночастиците към многоорганните чипове, при което условията в точките за вземане на проби трябва да бъдат възможно най-идентични. Инерционните сили на наночастиците обаче са малки, така че е по-малко вероятно частиците да се преместят от пътя на пренасочения поток към клетъчната повърхност. Само гравитацията в този случай не е достатъчна. Изследователите решават проблема, като използват феномена на термофорезата. „Това е сила във течност с температурен градиент, която кара частиците да мигрират към по-хладната страна“, обяснява д-р Карстен Бродбек, ръководител на проекта във Fraunhofer SCAI. „Позволявайки на аерозола да тече през линията в нагрято състояние, докато клетките се култивират естествено при телесна температура, наночастиците се придвижват към клетките, което симулацията ясно показва.“

Използвайки симулации, изследователите също така изследваха как може да се постигне възможно най-висок температурен градиент, без да се увреждат клетките и как трябва да бъде конструирано съответното устройство. Те също така изследваха как различните скорости на потока и геометрията на захранващата линия биха повлияли на поемането. Разпределението на температурата в устройството за експониране беше оптимизирано чрез избор на различни материали, регулиране на геометрията и модифициране на дизайна на охлаждане и отопление.

„Чрез симулации можем бързо и лесно да променим граничните условия и да разберем ефектите от тези промени. Можем също да открием неща, които остават скрити в експериментите“, обяснява Бродбек.

Основните технологични проблеми са решени. Първият прототип на устройството за експозиция NanoCube, включително мултиорганен чип, трябва да бъде готов през есента, след което ще бъдат извършени първите експерименти със системата. Вместо аерозоли от принтери, изследователите на Fraunhofer първоначално използват еталонни частици, например наночастици, направени от цинков оксид или така наречените „сажди“, т.е. черният пигмент в печатарското мастило. В бъдещите практически приложения измервателната система трябва да бъде инсталирана навсякъде, където се произвеждат наночастиците, например до лазерен принтер.

Иновативна тестова система за токсични ефекти

Проектът NanoINHAL има за цел да създаде иновативна система за тестване, с която могат да бъдат изследвани токсичните ефекти на наночастиците във въздуха върху клетките на дихателните пътища и белите дробове, както и върху органи надолу по веригата, като черния дроб. Чрез комбинирането на две системи от органи в една микрофизиологична система ще бъде възможно също така да се изследва усвояването и разпределението на наночастиците в организма. В бъдеще тестовата система ще предоставя данни за дългосрочните ефекти на вдишаните наночастици и тяхната биокинетика. Това ще играе важна роля при оценката на потенциалната заплаха за здравето, породена от такива частици.

източник:

Общество Фраунхофер

.