Multiorgan-chip måler direkte den biologiske effekt af nanopartikler

Multiorgan-chip måler direkte den biologiske effekt af nanopartikler

Hvad sker der for eksempel, hvis vi indånder nanopartikler, der udsendes af en laserprinter? Kan disse nanopartikler beskadige luftvejene eller måske endda andre organer? For at besvare disse spørgsmål er Fraunhofer-forskere ved at udvikle eksponeringsenheden "NanoCube". Den integrerede multiorgan-chip af Nanocube, bygget i laboratoriet på det tekniske universitet i Berlin (TU Berlin) og dens spin-off "TissUse", registrerer interaktionen mellem nanopartikler og lungeceller, absorptionen af ​​nanopartikler i blodbanen og mulige effekter på leveren.

At have en laserprinter lige ved siden af ​​din arbejdsstation er bestemt meget praktisk. Der er dog en risiko for, at disse maskiner, ligesom 3D-printere, under drift udsender aerosoler, der blandt andet indeholder nanopartikler - altså partikler med en størrelse mellem et og hundrede nanometer. Til sammenligning: et hår er omkring 60.000 til 80.000 nanometer tykt. Nanopartikler skabes også ved at passere vejkøretøjer, for eksempel gennem slid fra dæk. Man ved dog lidt om, hvordan disse partikler påvirker menneskekroppen, når de indåndes i lungerne. Indtil nu har den eneste måde at studere dette på været gennem dyreforsøg. Derudover skulle store prøvemængder af den pågældende aerosol indsamles med stor indsats.

Direkte målbar biologisk effekt

Forskere fra Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM og Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI arbejder på "NanoINHAL"-projektet med TU Berlin og dets spin-off TissUse GmbH for at undersøge virkningerne af nanopartikler på den menneskelige krop. Projektet er finansieret af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning (BMBF).

Ved hjælp af in vitro-metoder kan vi analysere de biologiske effekter af aerosoler direkte og nemt – uden dyreforsøg.”

Dr. Tanja Hansen, gruppeleder hos Fraunhofer ITEM

Dette blev gjort muligt ved at kombinere to eksisterende teknologier: multiorgan-chippen Humimic Chip3 fra TU Berlin og dens spin-off TissUse, samt PRIT® ExpoCube® udviklet af Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 er en chip på størrelse med et standard laboratorieglas, der måler 76 x 26 mm. 100.000 gange miniaturiserede vævskulturer kan placeres på den, hvor næringsopløsninger tilføres vævskulturerne via mikropumper. På denne måde kan for eksempel vævsprøver fra lunger og lever og deres interaktion med nanopartikler genskabes kunstigt.

Fire af disse multi-organ chips passer ind i PRIT® ExpoCube®. Dette er en eksponeringsenhed, der bruges til at undersøge luftbårne stoffer såsom aerosoler in vitro. Ved hjælp af et sofistikeret system af mikropumper, varmeelektronik, aerosolledninger og sensorer, er ExpoCube® i stand til at udsætte celleprøverne på multiorganchippen ved luft-væske-grænsefladen - som i den menneskelige lunge - for forskellige aerosoler eller endda nanopartikler på en kontrollerbar og reproducerbar måde.

Nanopartiklerne strømmer gennem en mikrokanal, hvorfra flere grene fører nedad for at lede luften og nanopartiklerne til de fire multiorganchips. "Hvis lungeceller skal eksponeres ved luft-væske-grænsefladen, spiller adskillige parametre en rolle, såsom temperatur, flowet af dyrkningsmediet i chippen og aerosolflowet. Det gør forsøg af denne type meget komplicerede," forklarer Hansen.

Systemet er i øjeblikket ved at blive yderligere optimeret. Ved afslutningen af ​​projektet vil kombinationen af ​​NanoCube og multiorgan-chip muliggøre detaljerede undersøgelser af aerosoler in vitro. Først derefter kan de potentielt skadelige nanopartiklers direkte virkninger på luftvejene og samtidig mulige effekter på andre organer, såsom leveren, undersøges.

Simuleringer er med til at optimere udviklingen

Men hvordan kan aerosoler, især nanopartikler, rettes mod lungeceller på en sådan måde, at en vis mængde aflejres på celleoverfladen? Det er her, Fraunhofer SCAI's ekspertise kommer i spil: Forskerne undersøgte dette og lignende aspekter i en simulering. De skulle overvinde særlige udfordringer: De fysiske og numeriske modeller, der kræves til en detaljeret simulering af nanopartikler, er væsentligt mere komplekse end for partikler med større diametre. Dette fører igen til en betydelig forøgelse af regnetiden.

Men indsatsen er det værd, fordi den beregningstunge simulering er med til at optimere det rigtige testsystem. Lad os tage et eksempel: Som nævnt ovenfor skal aerosolen strømme gennem en ledning, hvorfra flere grene strækker sig nedad for at lede nanopartiklerne til multiorganchipsene, hvorved forholdene ved prøvetagningsstederne skal være så identiske som muligt. Imidlertid er nanopartiklernes inertikræfter små, så partiklerne er mindre tilbøjelige til at bevæge sig fra den omdirigerede strømningsvej til celleoverfladen. Tyngdekraften alene er ikke nok i dette tilfælde. Forskerne løser problemet ved at udnytte fænomenet termoforese. "Dette er en kraft i en væske med en temperaturgradient, der får partiklerne til at migrere til den køligere side," forklarer Dr. Carsten Brodbeck, projektleder hos Fraunhofer SCAI. "Ved at lade aerosolen strømme gennem ledningen i en opvarmet tilstand, mens cellerne naturligt dyrkes ved kropstemperatur, bevæger nanopartiklerne sig mod cellerne, hvilket simuleringen tydeligt viser."

Ved hjælp af simuleringer undersøgte forskerne også, hvordan den højest mulige temperaturgradient kunne opnås uden at beskadige cellerne, og hvordan den tilsvarende enhed skulle konstrueres. De undersøgte også, hvordan forskellige strømningshastigheder og fødeledningsgeometrier ville påvirke optagelsen. Temperaturfordelingen i eksponeringsenheden blev optimeret ved at vælge forskellige materialer, justere geometrien og ændre køle- og varmedesignet.

"Gennem simuleringer kan vi ændre grænsebetingelserne hurtigt og nemt og forstå virkningerne af disse ændringer. Vi kan også opdage ting, der forbliver skjult i eksperimenter," forklarer Brodbeck.

De grundlæggende teknologiske problemer er løst. Den første prototype af NanoCube eksponeringsenheden, inklusive en multi-organ chip, skulle nu være klar til efteråret, hvorefter de første forsøg med systemet vil blive udført. I stedet for aerosoler fra printere bruger Fraunhofer-forskerne i første omgang referencepartikler, for eksempel nanopartikler lavet af zinkoxid eller såkaldt "carbon black", det vil sige det sorte pigment i trykfarve. I fremtidige praktiske anvendelser bør målesystemet opsættes overalt, hvor nanopartiklerne produceres, for eksempel ved siden af ​​en laserprinter.

Innovativt testsystem for toksiske effekter

NanoINHAL-projektet har til formål at skabe et innovativt testsystem, hvormed luftbårne nanopartiklers toksiske effekter på celler i luftveje og lunger samt nedstrømsorganer som leveren kan undersøges. Ved at kombinere to organsystemer i ét mikrofysiologisk system vil det også være muligt at undersøge optagelsen og fordelingen af ​​nanopartikler i organismen. I fremtiden vil testsystemet give data om langtidseffekterne af inhalerede nanopartikler og deres biokinetik. Dette vil spille en vigtig rolle i vurderingen af ​​den potentielle sundhedstrussel, som sådanne partikler udgør.

Kilde:

Fraunhofer Society

.