Multiorgan chip måler direkte den biologiske effekten av nanopartikler

Multiorgan chip måler direkte den biologiske effekten av nanopartikler

Hva skjer for eksempel hvis vi puster inn nanopartikler som sendes ut av en laserskriver? Kan disse nanopartikler skade luftveiene eller kanskje til og med andre organer? For å svare på disse spørsmålene utvikler Fraunhofer-forskere eksponeringsenheten "NanoCube". Den integrerte multiorganbrikken til Nanocube, bygget i laboratoriet til det tekniske universitetet i Berlin (TU Berlin) og dens spin-off "TissUse", registrerer interaksjonen mellom nanopartikler og lungeceller, absorpsjonen av nanopartikler i blodet og mulige effekter på leveren.

Å ha en laserskriver rett ved siden av arbeidsstasjonen er absolutt veldig praktisk. Det er imidlertid en risiko for at disse maskinene, akkurat som 3D-printere, avgir aerosoler under drift som inneholder blant annet nanopartikler – det vil si partikler med en størrelse mellom ett og hundre nanometer. Til sammenligning: et hårstrå er rundt 60 000 til 80 000 nanometer tykt. Nanopartikler skapes også ved å passere veikjøretøyer, for eksempel gjennom slitasje fra dekk. Imidlertid er lite kjent om hvordan disse partiklene påvirker menneskekroppen når de inhaleres inn i lungene. Inntil nå har den eneste måten å studere dette på vært gjennom dyreforsøk. I tillegg ville store prøvemengder av den aktuelle aerosolen måtte samles inn med stor innsats.

Direkte målbar biologisk effekt

Forskere fra Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM og Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI jobber med «NanoINHAL»-prosjektet med TU Berlin og dets spin-off TissUse GmbH for å undersøke effekten av nanopartikler på menneskekroppen. Prosjektet er finansiert av Forbundsdepartementet for utdanning og forskning (BMBF).

Ved å bruke in vitro-metoder kan vi analysere de biologiske effektene av aerosoler direkte og enkelt – uten dyreforsøk.»

Dr. Tanja Hansen, gruppeleder ved Fraunhofer ITEM

Dette ble gjort mulig ved å kombinere to eksisterende teknologier: multiorganbrikken Humimic Chip3 fra TU Berlin og dens spin-off TissUse, samt PRIT® ExpoCube® utviklet av Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 er en brikke på størrelse med et standard laboratorieslide som måler 76 x 26 mm. 100 000 ganger miniatyriserte vevskulturer kan plasseres på den, med næringsløsninger som tilføres vevskulturene via mikropumper. På denne måten kan for eksempel vevsprøver fra lunger og lever og deres interaksjon med nanopartikler gjenskapes kunstig.

Fire av disse multiorgan-brikkene passer inn i PRIT® ExpoCube®. Dette er en eksponeringsanordning som brukes til å undersøke luftbårne stoffer som aerosoler in vitro. Ved å bruke et sofistikert system av mikropumper, varmeelektronikk, aerosolledninger og sensorer, er ExpoCube® i stand til å eksponere celleprøvene på multiorganbrikken ved luft-væske-grensesnittet - som i menneskelungen - for forskjellige aerosoler eller til og med nanopartikler på en kontrollerbar og reproduserbar måte.

Nanopartikler strømmer gjennom en mikrokanal, hvorfra flere grener leder nedover for å lede luften og nanopartikler til de fire multiorgan-brikkene. "Hvis lungeceller skal eksponeres ved luft-væske-grensesnittet, spiller en rekke parametere en rolle, som temperatur, flyten av kulturmediet i brikken og aerosolstrømmen. Dette gjør eksperimenter av denne typen svært kompliserte," forklarer Hansen.

Systemet blir for tiden ytterligere optimalisert. På slutten av prosjektet vil kombinasjonen av NanoCube og multiorganbrikke muliggjøre detaljerte studier av aerosoler in vitro. Først da kan den direkte effekten av de potensielt skadelige nanopartikler på luftveiene og samtidig mulige effekter på andre organer, som leveren, undersøkes.

Simuleringer bidrar til å optimalisere utviklingen

Men hvordan kan aerosoler, spesielt nanopartikler, rettes mot lungeceller på en slik måte at en viss mengde avsettes på celleoverflaten? Det er her ekspertisen til Fraunhofer SCAI kommer inn i bildet: Forskerne undersøkte dette og lignende aspekter i en simulering. De måtte overvinne spesielle utfordringer: de fysiske og numeriske modellene som kreves for en detaljert simulering av nanopartikler er betydelig mer komplekse enn for partikler med større diametre. Dette fører igjen til en betydelig økning i datatid.

Men innsatsen er verdt det fordi den beregningsintensive simuleringen bidrar til å optimalisere det virkelige testsystemet. La oss ta et eksempel: Som nevnt ovenfor må aerosolen strømme gjennom en linje hvorfra flere grener strekker seg nedover for å lede nanopartiklene til multiorganbrikkene, hvorved forholdene ved prøvetakingspunktene skal være så identiske som mulig. Treghetskreftene til nanopartikler er imidlertid små, så det er mindre sannsynlig at partiklene beveger seg fra den omdirigerte strømningsbanen til celleoverflaten. Tyngdekraften alene er ikke nok i dette tilfellet. Forskerne løser problemet ved å utnytte fenomenet termoforese. "Dette er en kraft i en væske med en temperaturgradient som får partiklene til å migrere til den kjøligere siden," forklarer Dr. Carsten Brodbeck, prosjektleder ved Fraunhofer SCAI. "Ved å la aerosolen strømme gjennom linjen i en oppvarmet tilstand mens cellene dyrkes naturlig ved kroppstemperatur, beveger nanopartikler seg mot cellene, noe simuleringen tydelig viser."

Ved hjelp av simuleringer undersøkte forskerne også hvordan høyest mulig temperaturgradient kunne oppnås uten å skade cellene og hvordan den tilsvarende enheten skulle konstrueres. De undersøkte også hvordan ulike strømningshastigheter og matelinjegeometrier ville påvirke opptaket. Temperaturfordelingen i eksponeringsenheten ble optimalisert ved å velge forskjellige materialer, justere geometrien og endre kjøle- og varmedesignet.

"Gjennom simuleringer kan vi endre grensebetingelsene raskt og enkelt og forstå effekten av disse endringene. Vi kan også oppdage ting som forblir skjult i eksperimenter," forklarer Brodbeck.

De grunnleggende teknologiske problemene er løst. Den første prototypen av eksponeringsenheten NanoCube, inkludert en multiorganbrikke, skal nå være klar til høsten, hvoretter de første eksperimentene med systemet vil bli utført. I stedet for aerosoler fra skrivere bruker Fraunhofer-forskerne i utgangspunktet referansepartikler, for eksempel nanopartikler laget av sinkoksid eller såkalt «carbon black», det vil si det svarte pigmentet i trykksverte. I fremtidige praktiske anvendelser bør målesystemet settes opp overalt hvor nanopartiklene produseres, for eksempel ved siden av en laserskriver.

Innovativt testsystem for toksiske effekter

NanoINHAL-prosjektet har som mål å lage et innovativt testsystem som kan undersøke de toksiske effektene av luftbårne nanopartikler på celler i luftveiene og lungene samt nedstrømsorganer som leveren. Ved å kombinere to organsystemer i ett mikrofysiologisk system vil det også være mulig å undersøke opptak og distribusjon av nanopartikler i organismen. I fremtiden vil testsystemet gi data om langtidseffekter av inhalerte nanopartikler og deres biokinetikk. Dette vil spille en viktig rolle i å vurdere den potensielle helsetrusselen som slike partikler utgjør.

Kilde:

Fraunhofer Society

.