Un chip multiorgánico mide directamente el efecto biológico de las nanopartículas

Un chip multiorgánico mide directamente el efecto biológico de las nanopartículas

Por ejemplo, ¿qué pasa si respiramos nanopartículas emitidas por una impresora láser? ¿Podrían estas nanopartículas dañar el tracto respiratorio o quizás incluso otros órganos? Para responder a estas preguntas, los investigadores de Fraunhofer están desarrollando el dispositivo de exposición "NanoCube". El chip multiorgánico integrado del Nanocube, construido en el laboratorio de la Universidad Técnica de Berlín (TU Berlin) y su spin-off “TissUse”, registra la interacción entre las nanopartículas y las células pulmonares, la absorción de nanopartículas en el torrente sanguíneo y los posibles efectos en el hígado.

Tener una impresora láser justo al lado de tu puesto de trabajo es sin duda muy práctico. Sin embargo, existe el riesgo de que estas máquinas, al igual que las impresoras 3D, emitan durante su funcionamiento aerosoles que contienen, entre otras cosas, nanopartículas, es decir, partículas con un tamaño de entre uno y cien nanómetros. A modo de comparación: un cabello tiene entre 60.000 y 80.000 nanómetros de espesor. Las nanopartículas también se crean al pasar vehículos de carretera, por ejemplo mediante la abrasión de los neumáticos. Sin embargo, se sabe poco sobre cómo estas partículas afectan al cuerpo humano cuando se inhalan hacia los pulmones. Hasta ahora, la única forma de estudiar esto ha sido mediante pruebas con animales. Además, sería necesario recolectar con gran esfuerzo grandes cantidades de muestras del aerosol en cuestión.

Efecto biológico directamente medible

Investigadores del Instituto Fraunhofer de Toxicología y Medicina Experimental ITEM y del Instituto Fraunhofer de Algoritmos e Informática Científica SCAI están trabajando en el proyecto “NanoINHAL” con la Universidad Técnica de Berlín y su spin-off TissUse GmbH para investigar los efectos de las nanopartículas en el cuerpo humano. El proyecto está financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF).

Utilizando métodos in vitro, podemos analizar los efectos biológicos de los aerosoles directa y fácilmente, sin realizar pruebas con animales”.

Dra. Tanja Hansen, líder del grupo Fraunhofer ITEM

Esto fue posible combinando dos tecnologías existentes: el chip multiórgano Humimic Chip3 de TU Berlin y su spin-off TissUse, así como el PRIT® ExpoCube® desarrollado por Fraunhofer ITEM. El Humimic Chip3 es un chip del tamaño de un portaobjetos de laboratorio estándar que mide 76 x 26 mm. Sobre él se pueden colocar cultivos de tejidos miniaturizados 100.000 veces, y se suministran soluciones nutritivas a los cultivos de tejidos mediante microbombas. De este modo se pueden recrear artificialmente, por ejemplo, muestras de tejido de los pulmones y del hígado y su interacción con nanopartículas.

Cuatro de estos chips multiórganos encajan en el PRIT® ExpoCube®. Este es un dispositivo de exposición que se utiliza para examinar sustancias en el aire, como aerosoles, in vitro. Utilizando un sofisticado sistema de microbombas, componentes electrónicos de calefacción, líneas de aerosoles y sensores, ExpoCube® puede exponer las muestras de células en el chip multiorgánico en la interfaz aire-líquido, como en el pulmón humano, a varios aerosoles o incluso nanopartículas de una manera controlable y reproducible.

Las nanopartículas fluyen a través de un microcanal, del que parten varias ramas hacia abajo para dirigir el aire y las nanopartículas hacia los cuatro chips multiorgánicos. "Cuando las células pulmonares deben exponerse en la interfaz aire-líquido, influyen numerosos parámetros, como la temperatura, el flujo del medio de cultivo en el chip y el flujo del aerosol. Esto hace que los experimentos de este tipo sean muy complicados", explica Hansen.

Actualmente, el sistema se está optimizando aún más. Al final del proyecto, la combinación de NanoCube y un chip multiorgánico permitirá estudios detallados de aerosoles in vitro. Sólo entonces podrán examinarse los efectos directos de las nanopartículas potencialmente dañinas en el tracto respiratorio y, al mismo tiempo, los posibles efectos en otros órganos, como el hígado.

Las simulaciones ayudan a optimizar el desarrollo

Pero, ¿cómo se pueden dirigir los aerosoles, especialmente las nanopartículas, a las células pulmonares de tal manera que una determinada cantidad se deposite en la superficie celular? Aquí es donde entra en juego la competencia del Fraunhofer SCAI: los investigadores examinaron este y otros aspectos similares en una simulación. Tuvieron que superar desafíos especiales: los modelos físicos y numéricos necesarios para una simulación detallada de nanopartículas son significativamente más complejos que para partículas con diámetros mayores. Esto, a su vez, conduce a un aumento significativo del tiempo de cálculo.

Pero el esfuerzo vale la pena porque la simulación computacionalmente intensiva ayuda a optimizar el sistema de prueba real. Pongamos un ejemplo: como se mencionó anteriormente, para dirigir las nanopartículas hacia los chips multiorgánicos, el aerosol debe fluir a través de una línea de la que parten varias ramas hacia abajo, por lo que las condiciones en los puntos de muestreo deben ser lo más idénticas posible. Sin embargo, las fuerzas de inercia de las nanopartículas son pequeñas, por lo que es menos probable que las partículas se muevan desde la ruta del flujo redirigido hacia la superficie celular. En este caso la gravedad por sí sola no es suficiente. Los investigadores resuelven el problema aprovechando el fenómeno de la termoforesis. "Se trata de una fuerza en un fluido con un gradiente de temperatura que hace que las partículas migren hacia el lado más frío", explica el Dr. Carsten Brodbeck, director de proyectos de Fraunhofer SCAI. "Al permitir que el aerosol fluya a través de la línea en un estado calentado mientras las células se cultivan naturalmente a temperatura corporal, las nanopartículas se mueven hacia las células, lo que la simulación muestra claramente".

Mediante simulaciones, los investigadores también estudiaron cómo se puede lograr el gradiente de temperatura más alto posible sin dañar las células y cómo se debería construir el dispositivo correspondiente. También examinaron cómo las diferentes velocidades de flujo y las geometrías de las líneas de alimentación afectarían la absorción. La distribución de temperatura en el dispositivo de exposición se optimizó seleccionando diferentes materiales, ajustando la geometría y modificando el diseño de refrigeración y calefacción.

"A través de simulaciones podemos cambiar las condiciones límite de forma rápida y sencilla y comprender los efectos de estos cambios. También podemos detectar cosas que permanecen ocultas en los experimentos", explica Brodbeck.

Los problemas tecnológicos fundamentales han sido resueltos. El primer prototipo del dispositivo de exposición NanoCube, que incluye un chip multiorgánico, debería estar listo en otoño, tras lo cual se llevarán a cabo los primeros experimentos con el sistema. En lugar de aerosoles de impresoras, los investigadores de Fraunhofer utilizan inicialmente partículas de referencia, por ejemplo nanopartículas de óxido de zinc o el llamado "negro de humo", es decir, el pigmento negro de la tinta de impresión. En futuras aplicaciones prácticas, el sistema de medición debería instalarse allí donde se produzcan las nanopartículas, por ejemplo, al lado de una impresora láser.

Innovador sistema de prueba de efectos tóxicos.

El proyecto NanoINHAL tiene como objetivo crear un sistema de prueba innovador con el que se puedan examinar los efectos tóxicos de las nanopartículas transportadas por el aire en las células del tracto respiratorio y los pulmones, así como en órganos posteriores como el hígado. Combinando dos sistemas de órganos en un sistema microfisiológico también será posible investigar la absorción y distribución de nanopartículas en el organismo. En el futuro, el sistema de prueba proporcionará datos sobre los efectos a largo plazo de las nanopartículas inhaladas y su biocinética. Esto desempeñará un papel importante en la evaluación de la posible amenaza para la salud que plantean dichas partículas.

Fuente:

Sociedad Fraunhofer

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