Daugiaorganinis lustas tiesiogiai matuoja biologinį nanodalelių poveikį

Daugiaorganinis lustas tiesiogiai matuoja biologinį nanodalelių poveikį

Pavyzdžiui, kas atsitiks, jei kvėpuosime lazerinio spausdintuvo skleidžiamomis nanodalelėmis? Ar šios nanodalelės gali pakenkti kvėpavimo takams ar net kitiems organams? Norėdami atsakyti į šiuos klausimus, Fraunhofer mokslininkai kuria "NanoCube" ekspozicijos įrenginį. Berlyno technikos universiteto (Berlyno TU) laboratorijoje pastatytas integruotas „Nanocube“ lustas ir jo dalis „TissUse“ fiksuoja nanodalelių ir plaučių ląstelių sąveiką, nanodalelių įsisavinimą į kraują ir galimą poveikį kepenims.

Turėti lazerinį spausdintuvą prie pat darbo vietos tikrai labai praktiška. Tačiau yra rizika, kad šios mašinos, kaip ir 3D spausdintuvai, veikimo metu išskiria aerozolius, kuriuose, be kita ko, yra nanodalelių – t.y. dalelių, kurių dydis nuo vieno iki šimto nanometrų. Palyginimui: plauko storis yra nuo 60 000 iki 80 000 nanometrų. Nanodalelės taip pat susidaro pravažiuojant kelių transporto priemonėms, pavyzdžiui, dėl padangų dilimo. Tačiau mažai žinoma apie tai, kaip šios dalelės veikia žmogaus organizmą įkvėpus į plaučius. Iki šiol vienintelis būdas tai ištirti buvo bandymai su gyvūnais. Be to, reikia paimti didelius atitinkamo aerozolio mėginių kiekius.

Tiesiogiai išmatuojamas biologinis poveikis

Fraunhoferio toksikologijos ir eksperimentinės medicinos instituto ITEM ir Fraunhoferio algoritmų ir mokslinio skaičiavimo instituto SCAI tyrėjai kartu su TU Berlyne ir jos atskira įmone TissUse GmbH dirba prie projekto „NanoINHAL“, siekdami ištirti nanodalelių poveikį žmogaus organizmui. Projektą finansuoja Federalinė švietimo ir tyrimų ministerija (BMBF).

Naudodami in vitro metodus galime tiesiogiai ir lengvai analizuoti aerozolių biologinį poveikį – be bandymų su gyvūnais.

Dr. Tanja Hansen, Fraunhofer ITEM grupės vadovė

Tai tapo įmanoma sujungus dvi esamas technologijas: kelių organų lustą Humimic Chip3 iš TU Berlin ir jo atskirą TissUse, taip pat PRIT® ExpoCube®, kurį sukūrė Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 yra standartinio laboratorinio stiklelio dydžio lustas, kurio matmenys yra 76 x 26 mm. Ant jo galima dėti 100 000 kartų miniatiūrines audinių kultūras, o maistinių medžiagų tirpalai tiekiami į audinių kultūras mikrosiurbliais. Tokiu būdu, pavyzdžiui, galima dirbtinai atkurti audinių mėginius iš plaučių ir kepenų bei jų sąveiką su nanodalelėmis.

Keturi iš šių kelių organų lustų telpa į PRIT® ExpoCube®. Tai poveikio prietaisas, naudojamas ore sklindančioms medžiagoms, pvz., aerozoliams, tirti in vitro. Naudodamas sudėtingą mikrosiurblių, šildymo elektronikos, aerozolių linijų ir jutiklių sistemą, „ExpoCube®“ gali valdyti ir atkuriamu būdu paveikti ląstelių mėginius, esančius kelių organų mikroschemoje oro ir skysčio sąsajoje, kaip ir žmogaus plaučiuose.

Nanodalelės teka per mikrokanalą, iš kurio kelios šakos veda žemyn, nukreipdamos orą ir nanodaleles į keturias daugiaorganines lustus. "Jei plaučių ląstelės turi būti veikiamos oro ir skysčio sąsajoje, tam turi įtakos daugybė parametrų, tokių kaip temperatūra, auginimo terpės srautas mikroschemoje ir aerozolio srautas. Dėl to tokio tipo eksperimentai yra labai sudėtingi", - aiškina Hansenas.

Šiuo metu sistema toliau optimizuojama. Pasibaigus projektui, NanoCube ir kelių organų lusto derinys leis išsamiai ištirti aerozolius in vitro. Tik tada galima ištirti tiesioginį potencialiai kenksmingų nanodalelių poveikį kvėpavimo takams ir kartu galimą poveikį kitiems organams, pavyzdžiui, kepenims.

Modeliavimas padeda optimizuoti plėtrą

Tačiau kaip aerozoliai, ypač nanodalelės, gali būti nukreipti į plaučių ląsteles taip, kad tam tikras kiekis nusėda ant ląstelės paviršiaus? Čia atsiranda Fraunhofer SCAI patirtis: tyrėjai ištyrė šį ir panašius aspektus modeliuodami. Jie turėjo įveikti ypatingus iššūkius: fiziniai ir skaitmeniniai modeliai, reikalingi detaliam nanodalelių modeliavimui, yra žymiai sudėtingesni nei didesnio skersmens dalelių. Tai savo ruožtu žymiai padidina skaičiavimo laiką.

Tačiau dėti pastangas verta, nes intensyvus skaičiavimo modeliavimas padeda optimizuoti tikrą testavimo sistemą. Paimkime pavyzdį: Kaip minėta aukščiau, aerozolis turi tekėti per liniją, iš kurios kelios šakos nusidriekia žemyn, kad nanodalelės būtų nukreiptos į daugelio organų lustus, todėl sąlygos mėginių ėmimo vietose turėtų būti kuo identiškesnės. Tačiau nanodalelių inercinės jėgos yra mažos, todėl dalelės mažiau judės iš nukreipto srauto kelio į ląstelės paviršių. Vien gravitacijos šiuo atveju nepakanka. Tyrėjai sprendžia problemą išnaudodami termoforezės reiškinį. „Tai jėga skystyje su temperatūros gradientu, dėl kurios dalelės migruoja į vėsesnę pusę“, – aiškina Dr. Carsten Brodbeck, Fraunhofer SCAI projekto vadovas. „Leisdamas aerozoliui tekėti per liniją šildomoje būsenoje, o ląstelės natūraliai kultivuojamos kūno temperatūroje, nanodalelės juda link ląstelių, o tai aiškiai rodo modeliavimas.

Naudodamiesi modeliavimu, mokslininkai taip pat ištyrė, kaip būtų galima pasiekti didžiausią įmanomą temperatūros gradientą nepažeidžiant ląstelių ir kaip turėtų būti sukonstruotas atitinkamas įrenginys. Jie taip pat ištyrė, kaip skirtingi srauto greičiai ir tiekimo linijos geometrija paveiktų įsisavinimą. Temperatūros pasiskirstymas ekspozicijos įrenginyje buvo optimizuotas parenkant skirtingas medžiagas, koreguojant geometriją ir modifikuojant vėsinimo ir šildymo dizainą.

"Modeliuodami galime greitai ir lengvai pakeisti ribines sąlygas ir suprasti šių pokyčių poveikį. Taip pat galime aptikti dalykus, kurie eksperimentuose lieka paslėpti", - aiškina Brodbeckas.

Esminės technologinės problemos buvo išspręstos. Pirmasis „NanoCube“ ekspozicijos įrenginio prototipas, įskaitant kelių organų lustą, dabar turėtų būti paruoštas rudenį, o po to bus atlikti pirmieji eksperimentai su sistema. Vietoj aerozolių iš spausdintuvų Fraunhoferio tyrėjai iš pradžių naudoja etalonines daleles, pavyzdžiui, nanodaleles, pagamintas iš cinko oksido arba vadinamosios „anglies“, t. y. juodojo pigmento spausdinimo rašaluose. Ateityje praktiškai matavimo sistema turėtų būti sukurta visur, kur gaminamos nanodalelės, pavyzdžiui, šalia lazerinio spausdintuvo.

Inovatyvi toksinio poveikio bandymų sistema

NanoINHAL projektu siekiama sukurti novatorišką bandymų sistemą, kurios pagalba būtų galima ištirti toksinį ore esančių nanodalelių poveikį kvėpavimo takų ir plaučių ląstelėms bei pasroviui esantiems organams, pavyzdžiui, kepenims. Sujungus dvi organų sistemas vienoje mikrofiziologinėje sistemoje, taip pat bus galima ištirti nanodalelių pasisavinimą ir pasiskirstymą organizme. Ateityje bandymų sistema pateiks duomenis apie ilgalaikį įkvepiamų nanodalelių poveikį ir jų biokinetiką. Tai atliks svarbų vaidmenį vertinant galimą tokių dalelių keliamą grėsmę sveikatai.

Šaltinis:

Fraunhoferio draugija

.