Multiorgani kiip mõõdab otseselt nanoosakeste bioloogilist mõju

Multiorgani kiip mõõdab otseselt nanoosakeste bioloogilist mõju

Näiteks, mis juhtub, kui hingame sisse laserprinteri kiirgavaid nanoosakesi? Kas need nanoosakesed võivad kahjustada hingamisteid või ehk isegi muid organeid? Nendele küsimustele vastamiseks töötavad Fraunhoferi teadlased välja "NanoCube" säritusseadet. Berliini Tehnikaülikooli (TÜ Berlin) laboris ehitatud Nanocube'i integreeritud mitmest elundist koosnev kiip ja selle spin-off "TissUse" salvestab nanoosakeste ja kopsurakkude vastastikust mõju, nanoosakeste imendumist vereringesse ja võimalikke mõjusid maksale.

Laserprinteri omamine otse tööjaama kõrval on kindlasti väga praktiline. Siiski on oht, et need masinad, nagu ka 3D-printerid, eraldavad töö käigus aerosoole, mis sisaldavad muuhulgas nanoosakesi – ehk osakesi, mille suurus jääb vahemikku üks kuni sada nanomeetrit. Võrdluseks: juuksekarva paksus on umbes 60 000–80 000 nanomeetrit. Nanoosakesed tekivad ka möödasõidul maanteesõidukitel, näiteks rehvide hõõrdumisel. Siiski on vähe teada, kuidas need osakesed kopsudesse sissehingamisel inimkeha mõjutavad. Seni on ainus viis selle uurimiseks olnud loomkatsed. Lisaks tuleks suure vaevaga koguda kõnealusest aerosoolist suuri proove.

Otseselt mõõdetav bioloogiline mõju

Fraunhoferi toksikoloogia ja eksperimentaalmeditsiini instituudi ITEM ja Fraunhoferi algoritmide ja teadusliku andmetöötluse instituudi SCAI teadlased töötavad koos Berliini TU ja selle kõrvalettevõttega TissUse GmbH projektiga "NanoINHAL", et uurida nanoosakeste mõju inimkehale. Projekti rahastab föderaalne haridus- ja teadusministeerium (BMBF).

In vitro meetodeid kasutades saame aerosoolide bioloogilisi mõjusid analüüsida otse ja lihtsalt – ilma loomkatseteta.

Dr Tanja Hansen, Fraunhofer ITEMi rühmajuht

See sai võimalikuks, ühendades kaks olemasolevat tehnoloogiat: mitmest elundist koosnev kiip Humimic Chip3 TU Berlinist ja selle kõrvaline TissUse, samuti PRIT® ExpoCube®, mille on välja töötanud Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 on standardse laboriklaasi suurune kiip, mille mõõtmed on 76 x 26 mm. Sellele saab asetada 100 000-kordselt miniatuurseid koekultuure, mille toitainelahused viiakse koekultuuridesse mikropumpade kaudu. Nii saab kunstlikult taasluua näiteks kopsudest ja maksast võetud koeproovid ning nende koostoime nanoosakestega.

Neli neist mitme elundi kiibidest sobivad PRIT® ExpoCube®-i. See on kokkupuuteseade, mida kasutatakse õhus levivate ainete, näiteks aerosoolide in vitro uurimiseks. Kasutades keerulist mikropumpade, kütteelektroonika, aerosoolitorude ja andurite süsteemi, suudab ExpoCube® mitme elundi kiibil olevad rakuproovid õhu-vedeliku liidesel – nagu inimese kopsudes – erinevatele aerosoolidele või isegi nanoosakestele kontrollitaval ja reprodutseeritaval viisil kokku puutuda.

Nanoosakesed voolavad läbi mikrokanali, millest mitmed harud viivad allapoole, et suunata õhku ja nanoosakesi neljale multiorgankiibile. "Kui kopsurakud tuleb õhu-vedeliku liidesel kokku puutuda, mängivad rolli paljud parameetrid, nagu temperatuur, söötme vool kiibis ja aerosooli vool. See muudab seda tüüpi katsed väga keeruliseks," selgitab Hansen.

Süsteemi optimeeritakse praegu veelgi. Projekti lõpus võimaldab NanoCube'i ja multiorgani kiibi kombinatsioon aerosoolide üksikasjalikke uuringuid in vitro. Alles seejärel saab uurida potentsiaalselt kahjulike nanoosakeste otsest mõju hingamisteedele ja samal ajal ka võimalikke mõjusid teistele organitele, näiteks maksale.

Simulatsioonid aitavad arengut optimeerida

Kuidas saab aga aerosoole, eriti nanoosakesi, suunata kopsurakkudele nii, et teatud kogus sadestub raku pinnale? Siin tulevad mängu Fraunhofer SCAI teadmised: teadlased uurisid seda ja sarnaseid aspekte simulatsioonis. Nad pidid ületama erilisi väljakutseid: nanoosakeste üksikasjalikuks simuleerimiseks vajalikud füüsikalised ja numbrilised mudelid on oluliselt keerukamad kui suurema läbimõõduga osakeste puhul. See omakorda toob kaasa arvutusaja märkimisväärse pikenemise.

Kuid pingutus on seda väärt, sest arvutuslikult intensiivne simulatsioon aitab optimeerida tegelikku testimissüsteemi. Võtame näite: Nagu eespool mainitud, peab aerosool voolama läbi joone, millest mitu haru ulatub allapoole, et suunata nanoosakesed mitmest elundist koosnevatele kiipidele, kusjuures tingimused proovivõtukohtades peaksid olema võimalikult identsed. Nanoosakeste inertsiaaljõud on aga väikesed, mistõttu on osakesed väiksema tõenäosusega ümbersuunatud vooluteelt rakupinnale liikuma hakanud. Gravitatsioonist üksi sel juhul ei piisa. Teadlased lahendavad probleemi termoforeesi fenomeni ära kasutades. "See on temperatuurigradiendiga vedelikus jõud, mis põhjustab osakeste migreerumist jahedama poole," selgitab Fraunhofer SCAI projektijuht dr Carsten Brodbeck. "Lubades aerosoolil voolata läbi liini kuumutatud olekus, samal ajal kui rakke kasvatatakse loomulikult kehatemperatuuril, liiguvad nanoosakesed rakkude poole, mida simulatsioon selgelt näitab."

Simulatsioonide abil uurisid teadlased ka seda, kuidas oleks võimalik saavutada kõrgeim võimalik temperatuurigradient ilma rakke kahjustamata ja kuidas peaks vastav seade olema konstrueeritud. Samuti uurisid nad, kuidas erinevad voolukiirused ja toiteliini geomeetria mõjutaksid omastamist. Säritusseadme temperatuurijaotust optimeeriti, valides erinevaid materjale, kohandades geomeetriat ning muutes jahutus- ja küttekujundust.

"Simulatsioonide abil saame kiiresti ja lihtsalt muuta piirtingimusi ning mõista nende muutuste mõju. Samuti saame avastada asju, mis katsetes varjatuks jäävad," selgitab Brodbeck.

Põhilised tehnoloogilised probleemid on lahendatud. NanoCube'i säritusseadme esimene prototüüp koos mitme elundi kiibiga peaks nüüd valmis saama sügisel, misjärel tehakse süsteemiga esimesed katsetused. Printeritest pärit aerosoolide asemel kasutavad Fraunhoferi teadlased esialgu võrdlusosakesi, näiteks tsinkoksiidist valmistatud nanoosakesi ehk nn tahma ehk trükivärvi musta pigmenti. Edaspidistes praktilistes rakendustes tuleks mõõtesüsteem üles seada kõikjal, kus nanoosakesi toodetakse, näiteks laserprinteri kõrvale.

Uuenduslik toksiliste mõjude testimissüsteem

Projekti NanoINHAL eesmärk on luua uuenduslik katsesüsteem, mille abil saab uurida õhus lendlevate nanoosakeste toksilisi mõjusid nii hingamisteede ja kopsude rakkudele kui ka allavoolu organitele, nagu maks. Kombineerides kaks organsüsteemi ühte mikrofüsioloogilisse süsteemi, on võimalik uurida ka nanoosakeste omastamist ja jaotumist organismis. Edaspidi hakkab katsesüsteem andma andmeid sissehingatavate nanoosakeste pikaajaliste mõjude ja nende biokineetika kohta. See mängib olulist rolli selliste osakeste võimaliku terviseohu hindamisel.

Allikas:

Fraunhoferi selts

.