Chip wieloorganowy bezpośrednio mierzy biologiczne działanie nanocząstek

Chip wieloorganowy bezpośrednio mierzy biologiczne działanie nanocząstek

Na przykład, co się stanie, jeśli wdychamy nanocząsteczki emitowane przez drukarkę laserową? Czy te nanocząsteczki mogą uszkodzić drogi oddechowe, a może nawet inne narządy? Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze Fraunhofera opracowują urządzenie naświetlające „NanoCube”. Zintegrowany wielonarządowy chip Nanocube, zbudowany w laboratorium Politechniki Berlińskiej (TU Berlin) i jego wydzielona część „TissUse”, rejestruje interakcję między nanocząsteczkami a komórkami płuc, wchłanianie nanocząstek do krwioobiegu i możliwy wpływ na wątrobę.

Posiadanie drukarki laserowej tuż obok stanowiska pracy jest z pewnością bardzo praktyczne. Istnieje jednak ryzyko, że maszyny te, podobnie jak drukarki 3D, podczas pracy emitują aerozole zawierające między innymi nanocząstki – czyli cząstki o wielkości od jednego do stu nanometrów. Dla porównania: włos ma grubość od 60 000 do 80 000 nanometrów. Nanocząstki powstają także w wyniku przejeżdżających pojazdów drogowych, na przykład w wyniku ścierania się opon. Niewiele jednak wiadomo na temat wpływu tych cząstek na organizm ludzki po wdychaniu do płuc. Do tej pory jedyną metodą zbadania tego były testy na zwierzętach. Ponadto pobieranie dużych próbek danego aerozolu wymagałoby dużego wysiłku.

Bezpośrednio mierzalny efekt biologiczny

Naukowcy z Instytutu Toksykologii i Medycyny Eksperymentalnej im. Fraunhofera ITEM oraz Instytutu Algorytmów i Obliczeń Naukowych SCAI im. Fraunhofera pracują nad projektem „NanoINHAL” wraz z TU Berlin i jej spółką wydzieloną TissUse GmbH w celu zbadania wpływu nanocząstek na organizm ludzki. Projekt jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF).

Stosując metody in vitro, możemy bezpośrednio i łatwo analizować biologiczne działanie aerozoli – bez testów na zwierzętach.”

Dr Tanja Hansen, liderka grupy w Fraunhofer ITEM

Było to możliwe dzięki połączeniu dwóch istniejących technologii: wieloorganowego chipa Humimic Chip3 z TU Berlin i jego spin-offu TissUse, a także PRIT® ExpoCube® opracowanego przez Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 to chip wielkości standardowego szkiełka laboratoryjnego o wymiarach 76 x 26 mm. Można na nim umieszczać 100 000 razy zminiaturyzowane hodowle tkankowe, a roztwory odżywcze dostarczane są do hodowli tkankowych za pomocą mikropomp. W ten sposób można na przykład sztucznie odtworzyć próbki tkanek z płuc i wątroby oraz ich interakcję z nanocząsteczkami.

Cztery z tych wielonarządowych chipów pasują do PRIT® ExpoCube®. Jest to urządzenie ekspozycyjne, które służy do badania in vitro substancji unoszących się w powietrzu, takich jak aerozole. Wykorzystując wyrafinowany system mikropomp, elektroniki grzewczej, linii aerozolowych i czujników, ExpoCube® jest w stanie narażać próbki komórek na chipie wielonarządowym na granicy faz powietrze-ciecz – jak w ludzkim płucu – na różne aerozole, a nawet nanocząsteczki w kontrolowany i powtarzalny sposób.

Nanocząstki przepływają przez mikrokanał, z którego kilka odnóg prowadzi w dół, kierując powietrze i nanocząstki do czterech chipów wielonarządowych. „Jeśli komórki płuc mają zostać odsłonięte na granicy faz powietrze-ciecz, rolę odgrywa wiele parametrów, takich jak temperatura, przepływ pożywki hodowlanej w chipie i przepływ aerozolu. To sprawia, że ​​eksperymenty tego typu są bardzo skomplikowane” – wyjaśnia Hansen.

System jest obecnie poddawany dalszej optymalizacji. Po zakończeniu projektu połączenie NanoCube i chipa wielonarządowego umożliwi szczegółowe badania aerozoli in vitro. Dopiero wtedy będzie można zbadać bezpośredni wpływ potencjalnie szkodliwych nanocząstek na drogi oddechowe i jednocześnie możliwy wpływ na inne narządy, np. wątrobę.

Symulacje pomagają zoptymalizować rozwój

Ale w jaki sposób aerozole, zwłaszcza nanocząstki, można skierować na komórki płuc w taki sposób, aby pewna ich ilość osadziła się na powierzchni komórki? W tym miejscu w grę wchodzi wiedza specjalistyczna Fraunhofer SCAI: naukowcy zbadali ten i podobne aspekty w symulacji. Musieli pokonać szczególne wyzwania: modele fizyczne i numeryczne wymagane do szczegółowej symulacji nanocząstek są znacznie bardziej złożone niż w przypadku cząstek o większych średnicach. To z kolei prowadzi do znacznego wydłużenia czasu obliczeń.

Ale wysiłek jest tego wart, ponieważ intensywna obliczeniowo symulacja pomaga zoptymalizować rzeczywisty system testowy. Weźmy przykład: Jak wspomniano powyżej, aerozol musi przepływać przez linię, od której odchodzi kilka odgałęzień w dół, aby skierować nanocząstki do chipów wielonarządowych, przy czym warunki w punktach poboru próbek powinny być możliwie identyczne. Jednakże siły bezwładności nanocząstek są małe, więc prawdopodobieństwo przemieszczania się cząstek z przekierowanej ścieżki przepływu na powierzchnię komórki jest mniejsze. Sama grawitacja w tym przypadku nie wystarczy. Naukowcy rozwiązują problem wykorzystując zjawisko termoforezy. „Jest to siła występująca w płynie o gradiencie temperatury, która powoduje migrację cząstek na chłodniejszą stronę” – wyjaśnia dr Carsten Brodbeck, kierownik projektu w Fraunhofer SCAI. „Pozwalając na przepływ aerozolu w stanie podgrzanym przez linię, podczas gdy komórki są naturalnie hodowane w temperaturze ciała, nanocząsteczki przemieszczają się w kierunku komórek, co wyraźnie pokazuje symulacja”.

Za pomocą symulacji badacze sprawdzili także, w jaki sposób można osiągnąć najwyższy możliwy gradient temperatury bez uszkadzania ogniw oraz w jaki sposób należy skonstruować odpowiednie urządzenie. Zbadali także, jak różne prędkości przepływu i geometrie linii zasilających wpłyną na absorpcję. Rozkład temperatury w urządzeniu naświetlającym został zoptymalizowany poprzez wybór różnych materiałów, dostosowanie geometrii oraz modyfikację projektu chłodzenia i ogrzewania.

„Dzięki symulacjom możemy szybko i łatwo zmienić warunki brzegowe oraz zrozumieć skutki tych zmian. Możemy także wykryć rzeczy, które pozostają ukryte w eksperymentach” – wyjaśnia Brodbeck.

Podstawowe problemy technologiczne zostały rozwiązane. Pierwszy prototyp urządzenia naświetlającego NanoCube, zawierający chip wielonarządowy, powinien być gotowy już jesienią, po czym zostaną przeprowadzone pierwsze eksperymenty z systemem. Zamiast aerozoli z drukarek badacze Fraunhofera początkowo wykorzystują cząstki odniesienia, na przykład nanocząstki wykonane z tlenku cynku lub tzw. „sadzy”, czyli czarnego pigmentu farby drukarskiej. W przyszłych zastosowaniach praktycznych system pomiarowy powinien być instalowany wszędzie tam, gdzie produkowane są nanocząstki, na przykład obok drukarki laserowej.

Innowacyjny system badania efektów toksycznych

Celem projektu NanoINHAL jest stworzenie innowacyjnego systemu testowego, za pomocą którego można badać toksyczne działanie nanocząstek unoszących się w powietrzu na komórki dróg oddechowych i płuc, a także na dalsze narządy, takie jak wątroba. Łącząc dwa układy narządów w jeden układ mikrofizjologiczny, możliwe będzie także badanie wychwytu i dystrybucji nanocząstek w organizmie. W przyszłości system testowy dostarczy danych na temat długoterminowego wpływu wdychanych nanocząstek i ich biokinetyki. Odegra to ważną rolę w ocenie potencjalnego zagrożenia dla zdrowia stwarzanego przez takie cząstki.

Źródło:

Towarzystwo Fraunhofera

.