Multiorganski čip izravno mjeri biološki učinak nanočestica

Multiorganski čip izravno mjeri biološki učinak nanočestica

Na primjer, što se događa ako udišemo nanočestice koje emitira laserski pisač? Mogu li te nanočestice oštetiti dišne ​​putove ili možda čak i druge organe? Kako bi odgovorili na ova pitanja, Fraunhoferovi istraživači razvijaju uređaj za izlaganje "NanoCube". Integrirani višeorganski čip Nanocube, izgrađen u laboratoriju Tehničkog sveučilišta u Berlinu (TU Berlin) i njegovom spin-offu "TissUse", bilježi interakciju između nanočestica i plućnih stanica, apsorpciju nanočestica u krvotok i moguće učinke na jetru.

Imati laserski pisač tik do svoje radne stanice svakako je vrlo praktično. No, postoji rizik da ovi strojevi, baš kao i 3D printeri, tijekom rada ispuštaju aerosole koji između ostalog sadrže i nanočestice, odnosno čestice veličine između jednog i stotinu nanometara. Za usporedbu: kosa je debela oko 60.000 do 80.000 nanometara. Nanočestice također nastaju prolaskom cestovnih vozila, primjerice abrazijom od guma. Međutim, malo se zna o tome kako te čestice utječu na ljudsko tijelo kada udahnu u pluća. Do sada je jedini način da se to prouči bilo testiranje na životinjama. Osim toga, velike količine uzorka dotičnog aerosola morale bi se prikupiti uz veliki napor.

Izravno mjerljiv biološki učinak

Istraživači s Fraunhofer Instituta za toksikologiju i eksperimentalnu medicinu ITEM i Fraunhofer Instituta za algoritme i znanstveno računalstvo SCAI rade na projektu “NanoINHAL” s TU Berlin i njegovim spin-offom TissUse GmbH kako bi istražili učinke nanočestica na ljudsko tijelo. Projekt financira Federalno ministarstvo obrazovanja i istraživanja (BMBF).

Koristeći in vitro metode, možemo izravno i jednostavno analizirati biološke učinke aerosola – bez testiranja na životinjama.”

dr. Tanja Hansen, voditeljica grupe u Fraunhofer ITEM

To je omogućeno kombinacijom dviju postojećih tehnologija: višeorganskog čipa Humimic Chip3 s TU Berlin i njegovog spin-offa TissUse, kao i PRIT® ExpoCube® koji je razvio Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 je čip veličine standardnog laboratorijskog stakalca dimenzija 76 x 26 mm. Na njega se mogu staviti 100 000 puta minijaturizirane kulture tkiva, s hranjivim otopinama koje se opskrbljuju kulturama tkiva putem mikropumpi. Na taj se način, primjerice, mogu umjetno rekreirati uzorci tkiva iz pluća i jetre i njihova interakcija s nanočesticama.

Četiri od ovih višeorganskih čipova stanu u PRIT® ExpoCube®. Ovo je uređaj za izlaganje koji se koristi za ispitivanje tvari u zraku kao što su aerosoli in vitro. Koristeći sofisticirani sustav mikropumpi, grijaće elektronike, aerosolnih linija i senzora, ExpoCube® može izložiti stanične uzorke na višeorganskom čipu na sučelju zrak-tekućina - kao u ljudskim plućima - različitim aerosolima ili čak nanočesticama na kontroliran i ponovljiv način.

Nanočestice teku kroz mikrokanal iz kojeg nekoliko grana vodi prema dolje kako bi usmjerili zrak i nanočestice do četiri multiorganska čipa. "Ako se plućne stanice izlažu na granici zrak-tekućina, brojni parametri igraju ulogu, poput temperature, protoka medija kulture u čipu i protoka aerosola. To eksperimente ove vrste čini vrlo kompliciranima", objašnjava Hansen.

Sustav se trenutno dodatno optimizira. Na kraju projekta, kombinacija NanoCube i multiorganskog čipa omogućit će detaljna istraživanja aerosola in vitro. Tek tada se mogu ispitati izravni učinci potencijalno štetnih nanočestica na dišne ​​putove, a istovremeno i mogući učinci na druge organe, poput jetre.

Simulacije pomažu optimizirati razvoj

Ali kako se aerosoli, posebice nanočestice, mogu usmjeriti na stanice pluća na način da se određena količina taloži na površini stanice? Ovdje dolazi do izražaja stručnost Fraunhofer SCAI: istraživači su ispitali ovaj i slične aspekte u simulaciji. Morali su svladati posebne izazove: fizički i numerički modeli potrebni za detaljnu simulaciju nanočestica znatno su složeniji nego za čestice većeg promjera. To zauzvrat dovodi do značajnog povećanja vremena računanja.

Ali trud se isplati jer računalno intenzivna simulacija pomaže u optimizaciji stvarnog ispitnog sustava. Uzmimo primjer: Kao što je gore spomenuto, aerosol mora teći kroz liniju iz koje se nekoliko ogranaka proteže prema dolje kako bi se nanočestice usmjerile na višeorganske čipove, pri čemu bi uvjeti na mjestima uzorkovanja trebali biti što identičniji. Međutim, inercijske sile nanočestica su male, pa je manja vjerojatnost da će se čestice pomaknuti s preusmjerene staze protoka na površinu stanice. Sama gravitacija u ovom slučaju nije dovoljna. Istraživači problem rješavaju iskorištavanjem fenomena termoforeze. "Ovo je sila u tekućini s temperaturnim gradijentom koja uzrokuje migriranje čestica na hladniju stranu", objašnjava dr. Carsten Brodbeck, voditelj projekta Fraunhofer SCAI. "Dopuštajući aerosolu da teče kroz liniju u zagrijanom stanju dok se stanice prirodno uzgajaju na tjelesnoj temperaturi, nanočestice se kreću prema stanicama, što simulacija jasno pokazuje."

Koristeći simulacije, istraživači su također istraživali kako se može postići najveći mogući temperaturni gradijent bez oštećenja stanica i kako bi odgovarajući uređaj trebao biti konstruiran. Također su ispitali kako bi različite brzine protoka i geometrije dovoda utjecale na upijanje. Raspodjela temperature u uređaju za izlaganje optimizirana je odabirom različitih materijala, podešavanjem geometrije i modificiranjem dizajna hlađenja i grijanja.

"Kroz simulacije možemo brzo i jednostavno promijeniti granične uvjete i razumjeti učinke tih promjena. Također možemo otkriti stvari koje ostaju skrivene u eksperimentima", objašnjava Brodbeck.

Temeljni tehnološki problemi su riješeni. Prvi prototip uređaja za izlaganje NanoCube, uključujući čip za više organa, trebao bi biti spreman na jesen, nakon čega će se provesti prvi eksperimenti sa sustavom. Umjesto aerosola iz pisača, Fraunhoferovi istraživači u početku koriste referentne čestice, primjerice nanočestice napravljene od cinkovog oksida ili takozvane "čađe", tj. crnog pigmenta u tiskarskoj tinti. U budućim praktičnim primjenama, mjerni sustav trebao bi biti postavljen gdje god se nanočestice proizvode, na primjer pored laserskog pisača.

Inovativni sustav ispitivanja toksičnih učinaka

Projekt NanoINHAL ima za cilj stvoriti inovativni testni sustav s kojim se mogu ispitati toksični učinci nanočestica u zraku na stanice dišnog trakta i pluća kao i na nizvodne organe poput jetre. Spajanjem dva organska sustava u jedan mikrofiziološki sustav također će biti moguće istraživati ​​unos i distribuciju nanočestica u organizmu. U budućnosti će testni sustav dati podatke o dugoročnim učincima inhaliranih nanočestica i njihovoj biokinetici. To će igrati važnu ulogu u procjeni potencijalne prijetnje zdravlju koju takve čestice predstavljaju.

Izvor:

Fraunhoferovo društvo

.