A multiorgan chip közvetlenül méri a nanorészecskék biológiai hatását

A multiorgan chip közvetlenül méri a nanorészecskék biológiai hatását

Például mi történik, ha belélegzünk egy lézernyomtató által kibocsátott nanorészecskéket? Ezek a nanorészecskék károsíthatják a légutakat vagy esetleg más szerveket? E kérdések megválaszolására a Fraunhofer kutatói a „NanoCube” expozíciós eszközt fejlesztik. A Berlini Műszaki Egyetem (TU Berlin) laboratóriumában épített Nanocube integrált több szervből álló chipje és a hozzá tartozó „TissUse” a nanorészecskék és a tüdősejtek közötti kölcsönhatást, a nanorészecskék véráramba történő felszívódását és a májra gyakorolt ​​lehetséges hatásokat rögzíti.

A lézernyomtató közvetlenül a munkaállomása mellett nagyon praktikus. Fennáll azonban annak a veszélye, hogy ezek a gépek, akárcsak a 3D nyomtatók, működés közben aeroszolokat bocsátanak ki, amelyek többek között nanorészecskéket - vagyis száz nanométer közötti méretű részecskéket - tartalmaznak. Összehasonlításképpen: egy hajszál körülbelül 60 000-80 000 nanométer vastag. Nanorészecskéket az elhaladó közúti járművek is létrehoznak, például a gumiabroncsok kopása révén. Keveset tudunk azonban arról, hogy ezek a részecskék milyen hatással vannak az emberi szervezetre, amikor belélegzik a tüdőbe. Eddig ennek tanulmányozásának egyetlen módja az állatkísérletek volt. Ezenkívül a kérdéses aeroszolból nagy mennyiségű mintát kell begyűjteni nagy erőfeszítéssel.

Közvetlenül mérhető biológiai hatás

A Fraunhofer Toxikológiai és Kísérleti Orvostudományi Intézet, az ITEM és a Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI kutatói a „NanoINHAL” projekten dolgoznak a TU Berlinnel és annak melléktermékével, a TissUse GmbH-val, hogy megvizsgálják a nanorészecskék emberi szervezetre gyakorolt ​​hatását. A projektet a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) finanszírozza.

In vitro módszerekkel közvetlenül és egyszerűen – állatkísérletek nélkül – elemezhetjük az aeroszolok biológiai hatásait.”

Dr. Tanja Hansen, a Fraunhofer ITEM csoportvezetője

Ezt két létező technológia kombinálásával tette lehetővé: a TU Berlini Humimic Chip3 több szervből álló chipet és a hozzá kapcsolódó TissUse-t, valamint a Fraunhofer ITEM által kifejlesztett PRIT® ExpoCube®-t. A Humimic Chip3 egy szabványos laboratóriumi tárgylemez méretű, 76 x 26 mm-es chip. 100 000-szeres miniatürizált szövettenyészetek helyezhetők rá, a tápoldatokat mikropumpákkal juttatják a szövettenyészetekhez. Ily módon például a tüdőből és a májból származó szövetminták, valamint ezek nanorészecskékkel való kölcsönhatása mesterségesen előállíthatók.

A több szervből álló chipek közül négy illeszkedik a PRIT® ExpoCube®-ba. Ez egy expozíciós eszköz, amelyet levegőben lévő anyagok, például aeroszolok in vitro vizsgálatára használnak. A mikroszivattyúkból, fűtőelektronikából, aeroszolvezetékekből és szenzorokból álló kifinomult rendszer segítségével az ExpoCube® a levegő-folyadék határfelületen lévő több szervből álló chipen lévő sejtmintákat – akárcsak az emberi tüdőben – szabályozható és reprodukálható módon tudja kitenni különféle aeroszolok vagy akár nanorészecskék hatásának.

A nanorészecskék egy mikrocsatornán áramlanak át, ahonnan több ág lefelé vezet, hogy a levegőt és a nanorészecskéket a négy multiorgan chiphez irányítsák. "Ha a tüdősejteket a levegő-folyadék határfelületen kell kitenni, számos paraméter játszik szerepet, mint például a hőmérséklet, a táptalaj áramlása a chipben és az aeroszol áramlása. Ez nagyon bonyolulttá teszi az ilyen típusú kísérleteket" - magyarázza Hansen.

Jelenleg a rendszer további optimalizálása folyik. A projekt végén a NanoCube és a multiorgan chip kombinációja lehetővé teszi az aeroszolok részletes in vitro vizsgálatát. Csak ezután lehet vizsgálni a potenciálisan káros nanorészecskék légutakra gyakorolt ​​közvetlen hatásait, és ezzel egyidejűleg más szervekre, például a májra gyakorolt ​​lehetséges hatásokat.

A szimulációk segítik a fejlesztés optimalizálását

De hogyan lehet az aeroszolokat, különösen a nanorészecskéket úgy irányítani a tüdősejtekre, hogy bizonyos mennyiség lerakódjon a sejtfelszínen? Itt jön képbe a Fraunhofer SCAI szakértelme: a kutatók ezt és hasonló szempontokat vizsgáltak szimulációban. Különleges kihívásokat kellett leküzdeniük: a nanorészecskék részletes szimulációjához szükséges fizikai és numerikus modellek lényegesen összetettebbek, mint a nagyobb átmérőjű részecskéké. Ez viszont a számítási idő jelentős növekedéséhez vezet.

De az erőfeszítés megéri, mert a számításigényes szimuláció segít optimalizálni a valós tesztrendszert. Vegyünk egy példát: Mint fentebb említettük, az aeroszolnak egy olyan vezetéken kell átfolynia, amelyből több ág lefelé nyúlik, hogy a nanorészecskéket a több szervből álló chipekre irányítsák, ezáltal a mintavételi pontokon a feltételeknek a lehető legazonosabbnak kell lenniük. A nanorészecskék tehetetlenségi ereje azonban kicsi, így a részecskék kisebb valószínűséggel mozognak az átirányított áramlási útról a sejtfelszínre. Ebben az esetben a gravitáció önmagában nem elegendő. A kutatók a problémát a termoforézis jelenségének kihasználásával oldják meg. „Ez egy olyan erő a folyadékban, amelynek hőmérsékleti gradiense van, és a részecskék a hidegebb oldalra vándorolnak” – magyarázza Dr. Carsten Brodbeck, a Fraunhofer SCAI projektmenedzsere. "Ha hagyjuk, hogy az aeroszol fűtött állapotban áramoljon át a vezetéken, miközben a sejteket természetesen testhőmérsékleten tenyésztik, a nanorészecskék a sejtek felé mozognak, amit a szimuláció jól mutat."

A kutatók szimulációk segítségével azt is megvizsgálták, hogyan érhető el a lehető legmagasabb hőmérsékleti gradiens a sejtek károsodása nélkül, és hogyan kell a megfelelő eszközt megépíteni. Azt is megvizsgálták, hogy a különböző áramlási sebességek és betáplálási vonal geometriák hogyan befolyásolják a felvételt. Az expozíciós eszköz hőmérséklet-eloszlását különböző anyagok kiválasztásával, a geometria beállításával, valamint a hűtési és fűtési kialakítás módosításával optimalizáltuk.

"A szimulációk segítségével gyorsan és egyszerűen megváltoztathatjuk a peremfeltételeket, és megérthetjük ezeknek a változásoknak a hatásait. Olyan dolgokat is észlelhetünk, amelyek a kísérletekben rejtve maradnak" - magyarázza Brodbeck.

Az alapvető technológiai problémák megoldódtak. A NanoCube expozíciós eszköz első prototípusának, amely egy több szervből álló chipet is tartalmaz, most ősszel kellene készen lennie, ezt követően kerül sor az első kísérletekre a rendszerrel. A Fraunhofer kutatói a nyomtatókból származó aeroszolok helyett kezdetben referenciarészecskéket használnak, például cink-oxidból vagy úgynevezett „koromból”, azaz a nyomdafestékben lévő fekete pigmentből készült nanorészecskéket. A jövőbeni gyakorlati alkalmazásokban a mérőrendszert mindenhol, ahol a nanorészecskék keletkeznek, például egy lézernyomtató mellett kell felállítani.

Innovatív vizsgálati rendszer a mérgező hatásokra

A NanoINHAL projekt célja egy olyan innovatív tesztrendszer létrehozása, amellyel a levegőben szálló nanorészecskék toxikus hatásai a légutak és a tüdő sejtjeire, valamint az alsóbbrendű szervekre, például a májra nézve vizsgálhatók. Két szervrendszer egy mikrofiziológiai rendszerben történő összekapcsolásával a nanorészecskék szervezetben történő felvételének és eloszlásának vizsgálata is lehetővé válik. A tesztrendszer a jövőben adatokat szolgáltat majd a belélegzett nanorészecskék hosszú távú hatásairól és biokinetikájukról. Ez fontos szerepet fog játszani az ilyen részecskék által jelentett lehetséges egészségügyi veszély felmérésében.

Forrás:

Fraunhofer Társaság

.