Chip multiorgânico mede diretamente o efeito biológico das nanopartículas

Chip multiorgânico mede diretamente o efeito biológico das nanopartículas

Por exemplo, o que acontece se respirarmos nanopartículas emitidas por uma impressora a laser? Essas nanopartículas poderiam danificar o trato respiratório ou talvez até outros órgãos? Para responder a estas questões, os investigadores da Fraunhofer estão a desenvolver o dispositivo de exposição “NanoCube”. O chip multiórgão integrado do Nanocube, construído no laboratório da Universidade Técnica de Berlim (TU Berlin) e seu spin-off “TissUse”, registra a interação entre nanopartículas e células pulmonares, a absorção de nanopartículas na corrente sanguínea e possíveis efeitos no fígado.

Ter uma impressora a laser ao lado da sua estação de trabalho é certamente muito prático. No entanto, existe o risco de que estas máquinas, tal como as impressoras 3D, emitam aerossóis durante o funcionamento que contêm, entre outras coisas, nanopartículas - ou seja, partículas com um tamanho entre um e cem nanómetros. Para efeito de comparação: um fio de cabelo tem cerca de 60.000 a 80.000 nanômetros de espessura. As nanopartículas também são criadas pela passagem de veículos rodoviários, por exemplo, através da abrasão dos pneus. No entanto, pouco se sabe sobre como essas partículas afetam o corpo humano quando inaladas pelos pulmões. Até agora, a única forma de estudar isto tem sido através de testes em animais. Além disso, grandes quantidades de amostras do aerossol em questão teriam de ser recolhidas com grande esforço.

Efeito biológico diretamente mensurável

Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Toxicologia e Medicina Experimental ITEM e do Instituto Fraunhofer de Algoritmos e Computação Científica SCAI estão trabalhando no projeto “NanoINHAL” com a TU Berlin e sua spin-off TissUse GmbH para investigar os efeitos das nanopartículas no corpo humano. O projeto é financiado pelo Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF).

Usando métodos in vitro, podemos analisar os efeitos biológicos dos aerossóis de forma direta e fácil – sem testes em animais.”

Dra. Tanja Hansen, líder do grupo Fraunhofer ITEM

Isto foi possível através da combinação de duas tecnologias existentes: o chip multiórgão Humimic Chip3 da TU Berlin e seu spin-off TissUse, bem como o PRIT® ExpoCube® desenvolvido pela Fraunhofer ITEM. O Humimic Chip3 é um chip do tamanho de uma lâmina de laboratório padrão medindo 76 x 26 mm. Nele podem ser colocadas culturas de tecidos miniaturizadas 100.000 vezes, com soluções nutritivas sendo fornecidas às culturas de tecidos por meio de microbombas. Desta forma, por exemplo, amostras de tecidos dos pulmões e do fígado e a sua interação com nanopartículas podem ser recriadas artificialmente.

Quatro desses chips multiórgãos cabem no PRIT® ExpoCube®. Este é um dispositivo de exposição usado para examinar substâncias transportadas pelo ar, como aerossóis, in vitro. Usando um sofisticado sistema de microbombas, eletrônica de aquecimento, linhas de aerossol e sensores, o ExpoCube® é capaz de expor as amostras de células no chip multi-órgão na interface ar-líquido - como no pulmão humano - a vários aerossóis ou mesmo nanopartículas de maneira controlável e reproduzível.

As nanopartículas fluem através de um microcanal, a partir do qual vários ramos conduzem para baixo para direcionar o ar e as nanopartículas para os quatro chips multiorgânicos. “Se as células pulmonares forem expostas na interface ar-líquido, vários parâmetros desempenham um papel, como a temperatura, o fluxo do meio de cultura no chip e o fluxo do aerossol. Isso torna experimentos desse tipo muito complicados”, explica Hansen.

O sistema está atualmente sendo otimizado ainda mais. Ao final do projeto, a combinação do NanoCube e do chip multiorgânico permitirá estudos detalhados de aerossóis in vitro. Só então poderão ser examinados os efeitos diretos das nanopartículas potencialmente nocivas no trato respiratório e, ao mesmo tempo, os possíveis efeitos em outros órgãos, como o fígado.

Simulações ajudam a otimizar o desenvolvimento

Mas como os aerossóis, especialmente as nanopartículas, podem ser direcionados às células pulmonares de tal forma que uma certa quantidade seja depositada na superfície celular? É aqui que entra em jogo a experiência do Fraunhofer SCAI: os pesquisadores examinaram este e outros aspectos semelhantes em uma simulação. Eles tiveram que superar desafios especiais: os modelos físicos e numéricos necessários para uma simulação detalhada de nanopartículas são significativamente mais complexos do que para partículas com diâmetros maiores. Isso, por sua vez, leva a um aumento significativo no tempo de computação.

Mas o esforço vale a pena porque a simulação computacionalmente intensiva ajuda a otimizar o sistema de teste real. Vejamos um exemplo: Como mencionado acima, o aerossol deve fluir através de uma linha a partir da qual vários ramos se estendem para baixo, a fim de direcionar as nanopartículas para os chips multiorgânicos, pelo que as condições nos pontos de amostragem devem ser tão idênticas quanto possível. No entanto, as forças inerciais das nanopartículas são pequenas, de modo que é menos provável que as partículas se movam do caminho de fluxo redirecionado para a superfície celular. A gravidade por si só não é suficiente neste caso. Os pesquisadores resolvem o problema explorando o fenômeno da termoforese. “Esta é uma força em um fluido com gradiente de temperatura que faz com que as partículas migrem para o lado mais frio”, explica o Dr. Carsten Brodbeck, gerente de projeto da Fraunhofer SCAI. “Ao permitir que o aerossol flua através da linha em estado aquecido enquanto as células são cultivadas naturalmente à temperatura corporal, as nanopartículas movem-se em direção às células, o que a simulação mostra claramente.”

Usando simulações, os pesquisadores também investigaram como o maior gradiente de temperatura possível poderia ser alcançado sem danificar as células e como o dispositivo correspondente deveria ser construído. Eles também examinaram como diferentes velocidades de fluxo e geometrias de linha de alimentação afetariam a absorção. A distribuição de temperatura no dispositivo de exposição foi otimizada selecionando diferentes materiais, ajustando a geometria e modificando o projeto de resfriamento e aquecimento.

“Através de simulações, podemos alterar as condições de contorno de forma rápida e fácil e compreender os efeitos dessas mudanças. Também podemos detectar coisas que permanecem ocultas nos experimentos”, explica Brodbeck.

Os problemas tecnológicos fundamentais foram resolvidos. O primeiro protótipo do dispositivo de exposição NanoCube, incluindo um chip multiórgão, deve estar pronto no outono, após o qual serão realizados os primeiros experimentos com o sistema. Em vez de aerossóis de impressoras, os pesquisadores da Fraunhofer usam inicialmente partículas de referência, por exemplo, nanopartículas feitas de óxido de zinco ou o chamado “negro de fumo”, ou seja, o pigmento preto na tinta de impressão. Em futuras aplicações práticas, o sistema de medição deverá ser instalado onde quer que as nanopartículas sejam produzidas, por exemplo, próximo a uma impressora a laser.

Sistema de teste inovador para efeitos tóxicos

O projeto NanoINHAL visa criar um sistema de teste inovador com o qual possam ser examinados os efeitos tóxicos das nanopartículas transportadas pelo ar nas células do trato respiratório e dos pulmões, bem como em órgãos a jusante, como o fígado. Ao combinar dois sistemas orgânicos em um sistema microfisiológico, também será possível investigar a captação e distribuição de nanopartículas no organismo. No futuro, o sistema de teste fornecerá dados sobre os efeitos a longo prazo das nanopartículas inaladas e a sua biocinética. Isto desempenhará um papel importante na avaliação da potencial ameaça à saúde representada por tais partículas.

Fonte:

Sociedade Fraunhofer

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