La puce multiorganique mesure directement l’effet biologique des nanoparticules

La puce multiorganique mesure directement l’effet biologique des nanoparticules

Par exemple, que se passe-t-il si nous respirons des nanoparticules émises par une imprimante laser ? Ces nanoparticules pourraient-elles endommager les voies respiratoires, voire d’autres organes ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs du Fraunhofer développent le dispositif d'exposition « NanoCube ». La puce multi-organes intégrée du Nanocube, construite dans le laboratoire de l'Université technique de Berlin (TU Berlin) et de sa spin-off « TissUse », enregistre l'interaction entre les nanoparticules et les cellules pulmonaires, l'absorption des nanoparticules dans la circulation sanguine et les effets possibles sur le foie.

Avoir une imprimante laser juste à côté de son poste de travail est certainement très pratique. Cependant, il existe un risque que ces machines, tout comme les imprimantes 3D, émettent pendant leur fonctionnement des aérosols contenant, entre autres, des nanoparticules, c'est-à-dire des particules d'une taille comprise entre un et cent nanomètres. A titre de comparaison : un cheveu a une épaisseur d’environ 60 000 à 80 000 nanomètres. Des nanoparticules sont également créées lors du passage des véhicules routiers, par exemple par l'abrasion des pneus. Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont ces particules affectent le corps humain lorsqu’elles sont inhalées dans les poumons. Jusqu’à présent, la seule façon d’étudier cela était l’expérimentation animale. De plus, de grandes quantités d’échantillons de l’aérosol en question devraient être collectées avec beaucoup d’efforts.

Effet biologique directement mesurable

Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer de toxicologie et de médecine expérimentale ITEM et de l’Institut Fraunhofer d’algorithmes et de calcul scientifique SCAI travaillent sur le projet « NanoINHAL » avec la TU Berlin et sa spin-off TissUse GmbH pour étudier les effets des nanoparticules sur le corps humain. Le projet est financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF).

Grâce à des méthodes in vitro, nous pouvons analyser les effets biologiques des aérosols directement et facilement, sans expérimentation animale.

Dr Tanja Hansen, chef de groupe chez Fraunhofer ITEM

Cela a été rendu possible en combinant deux technologies existantes : la puce multi-organes Humimic Chip3 de TU Berlin et son spin-off TissUse, ainsi que le PRIT® ExpoCube® développé par Fraunhofer ITEM. L'Humimic Chip3 est une puce de la taille d'une lame de laboratoire standard mesurant 76 x 26 mm. Des cultures de tissus miniaturisées 100 000 fois peuvent y être placées, des solutions nutritives étant fournies aux cultures de tissus via des micropompes. De cette manière, par exemple, des échantillons de tissus provenant des poumons et du foie et leur interaction avec des nanoparticules peuvent être recréés artificiellement.

Quatre de ces puces multi-organes s'intègrent dans le PRIT® ExpoCube®. Il s'agit d'un appareil d'exposition utilisé pour examiner in vitro les substances en suspension dans l'air telles que les aérosols. Grâce à un système sophistiqué de micropompes, d'électronique de chauffage, de lignes d'aérosols et de capteurs, l'ExpoCube® est capable d'exposer les échantillons cellulaires sur la puce multi-organes à l'interface air-liquide - comme dans le poumon humain - à divers aérosols ou même nanoparticules de manière contrôlable et reproductible.

Les nanoparticules circulent à travers un microcanal, à partir duquel plusieurs branches descendent pour diriger l'air et les nanoparticules vers les quatre puces multi-organes. "Si les cellules pulmonaires doivent être exposées à l'interface air-liquide, de nombreux paramètres jouent un rôle, comme la température, le débit du milieu de culture dans la puce et le débit d'aérosol. Cela rend les expériences de ce type très compliquées", explique Hansen.

Le système est actuellement encore optimisé. A la fin du projet, la combinaison du NanoCube et de la puce multiorgane permettra des études détaillées des aérosols in vitro. Ce n’est qu’alors que les effets directs des nanoparticules potentiellement nocives sur les voies respiratoires et, en même temps, les effets possibles sur d’autres organes, comme le foie, pourront être examinés.

Les simulations aident à optimiser le développement

Mais comment les aérosols, en particulier les nanoparticules, peuvent-ils être dirigés vers les cellules pulmonaires de manière à ce qu'une certaine quantité se dépose à la surface des cellules ? C'est ici qu'intervient l'expertise du Fraunhofer SCAI : les chercheurs ont examiné cet aspect et d'autres aspects similaires dans une simulation. Ils ont dû surmonter des défis particuliers : les modèles physiques et numériques requis pour une simulation détaillée des nanoparticules sont nettement plus complexes que pour les particules de plus grand diamètre. Cela entraîne à son tour une augmentation significative du temps de calcul.

Mais l’effort en vaut la peine, car la simulation à forte intensité de calcul contribue à optimiser le système de test réel. Prenons un exemple : comme mentionné ci-dessus, l'aérosol doit s'écouler par une ligne à partir de laquelle plusieurs branches s'étendent vers le bas afin de diriger les nanoparticules vers les puces multi-organes, les conditions aux points de prélèvement devant être aussi identiques que possible. Cependant, les forces d'inertie des nanoparticules sont faibles, de sorte que les particules sont moins susceptibles de se déplacer du chemin d'écoulement redirigé vers la surface de la cellule. La gravité seule ne suffit pas dans ce cas. Les chercheurs résolvent le problème en exploitant le phénomène de thermophorèse. "Il s'agit d'une force dans un fluide avec un gradient de température qui fait migrer les particules vers le côté le plus froid", explique le Dr Carsten Brodbeck, chef de projet chez Fraunhofer SCAI. "En permettant à l'aérosol de circuler à travers la ligne dans un état chauffé pendant que les cellules sont naturellement cultivées à température corporelle, les nanoparticules se déplacent vers les cellules, ce que la simulation montre clairement."

À l’aide de simulations, les chercheurs ont également étudié comment obtenir le gradient de température le plus élevé possible sans endommager les cellules et comment construire le dispositif correspondant. Ils ont également examiné comment différentes vitesses d'écoulement et géométries de conduites d'alimentation affecteraient l'absorption. La répartition de la température dans le dispositif d'exposition a été optimisée en sélectionnant différents matériaux, en ajustant la géométrie et en modifiant la conception de refroidissement et de chauffage.

"Grâce aux simulations, nous pouvons modifier les conditions aux limites rapidement et facilement et comprendre les effets de ces changements. Nous pouvons également détecter des éléments qui restent cachés dans les expériences", explique Brodbeck.

Les problèmes technologiques fondamentaux ont été résolus. Le premier prototype du dispositif d'exposition NanoCube, comprenant une puce multi-organes, devrait être prêt à l'automne, après quoi les premières expériences avec le système seront réalisées. Au lieu des aérosols des imprimantes, les chercheurs du Fraunhofer utilisent dans un premier temps des particules de référence, par exemple des nanoparticules d'oxyde de zinc ou ce qu'on appelle le « noir de carbone », c'est-à-dire le pigment noir présent dans l'encre d'imprimerie. Dans les futures applications pratiques, le système de mesure devrait être installé là où les nanoparticules sont produites, par exemple à côté d'une imprimante laser.

Système de test innovant pour les effets toxiques

Le projet NanoINHAL vise à créer un système de test innovant permettant d'examiner les effets toxiques des nanoparticules en suspension dans l'air sur les cellules des voies respiratoires et des poumons ainsi que sur les organes en aval tels que le foie. En combinant deux systèmes organiques en un seul système microphysiologique, il sera également possible d'étudier l'absorption et la distribution des nanoparticules dans l'organisme. À l’avenir, le système de test fournira des données sur les effets à long terme des nanoparticules inhalées et leur biocinétique. Cela jouera un rôle important dans l’évaluation de la menace potentielle pour la santé posée par ces particules.

Source:

Société Fraunhofer

.