Cipul multiorgan măsoară direct efectul biologic al nanoparticulelor

Cipul multiorgan măsoară direct efectul biologic al nanoparticulelor

De exemplu, ce se întâmplă dacă respirăm nanoparticule emise de o imprimantă laser? Aceste nanoparticule ar putea deteriora tractul respirator sau poate chiar alte organe? Pentru a răspunde la aceste întrebări, cercetătorii Fraunhofer dezvoltă dispozitivul de expunere „NanoCube”. Cipul multi-organ integrat al Nanocube, construit în laboratorul Universității Tehnice din Berlin (TU Berlin) și spin-off-ul său „TissUse”, înregistrează interacțiunea dintre nanoparticule și celulele pulmonare, absorbția nanoparticulelor în fluxul sanguin și posibilele efecte asupra ficatului.

A avea o imprimantă laser chiar lângă stația de lucru este cu siguranță foarte practică. Cu toate acestea, există riscul ca aceste mașini, la fel ca imprimantele 3D, să emită aerosoli în timpul funcționării care conțin, printre altele, nanoparticule - adică particule cu o dimensiune între una și o sută de nanometri. Pentru comparație: un păr are o grosime de aproximativ 60.000 până la 80.000 de nanometri. Nanoparticulele sunt create și prin trecerea vehiculelor rutiere, de exemplu prin abraziunea cauciucurilor. Cu toate acestea, se știe puțin despre modul în care aceste particule afectează corpul uman atunci când sunt inhalate în plămâni. Până acum, singura modalitate de a studia acest lucru a fost prin testarea pe animale. În plus, cantități mari de mostre de aerosol în cauză ar trebui colectate cu mare efort.

Efect biologic măsurabil direct

Cercetătorii de la Institutul Fraunhofer pentru Toxicologie și Medicină Experimentală ITEM și Institutul Fraunhofer pentru Algoritmi și Calcul Științific SCAI lucrează la proiectul „NanoINHAL” cu TU Berlin și spin-off-ul său TissUse GmbH pentru a investiga efectele nanoparticulelor asupra corpului uman. Proiectul este finanțat de Ministerul Federal al Educației și Cercetării (BMBF).

Folosind metode in vitro, putem analiza efectele biologice ale aerosolilor direct și ușor – fără testare pe animale.”

Dr. Tanja Hansen, lider de grup la Fraunhofer ITEM

Acest lucru a fost posibil prin combinarea a două tehnologii existente: cipul multi-organ Humimic Chip3 de la TU Berlin și spin-off-ul său TissUse, precum și PRIT® ExpoCube® dezvoltat de Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 este un cip de dimensiunea unei lame de laborator standard, care măsoară 76 x 26 mm. Culturi de țesut miniaturizate de 100.000 de ori pot fi plasate pe acesta, cu soluții nutritive fiind furnizate culturilor de țesut prin micropompe. În acest fel, de exemplu, probele de țesut din plămâni și ficat și interacțiunea lor cu nanoparticulele pot fi recreate artificial.

Patru dintre aceste cipuri multi-organe se potrivesc în PRIT® ExpoCube®. Acesta este un dispozitiv de expunere care este utilizat pentru a examina substanțele în aer, cum ar fi aerosolii, in vitro. Folosind un sistem sofisticat de micropompe, electronice de încălzire, linii de aerosoli și senzori, ExpoCube® este capabil să expună probele de celule de pe cipul multi-organ la interfața aer-lichid - ca în plămânul uman - la diferiți aerosoli sau chiar nanoparticule într-un mod controlabil și reproductibil.

Nanoparticulele curg printr-un microcanal, din care mai multe ramuri duc în jos pentru a direcționa aerul și nanoparticulele către cele patru cipuri cu mai multe organe. "Dacă celulele pulmonare urmează să fie expuse la interfața aer-lichid, numeroși parametri joacă un rol, cum ar fi temperatura, fluxul mediului de cultură în cip și fluxul de aerosoli. Acest lucru face experimentele de acest tip foarte complicate", explică Hansen.

Sistemul este în prezent optimizat în continuare. La sfârșitul proiectului, combinația dintre NanoCube și cip multiorgan va permite studii detaliate ale aerosolilor in vitro. Numai atunci pot fi examinate efectele directe ale nanoparticulelor potențial dăunătoare asupra tractului respirator și, în același timp, posibilele efecte asupra altor organe, precum ficatul.

Simulările ajută la optimizarea dezvoltării

Dar cum pot aerosolii, în special nanoparticulele, să fie direcționați către celulele pulmonare în așa fel încât o anumită cantitate să se depună pe suprafața celulei? Aici intervine expertiza Fraunhofer SCAI: cercetătorii au examinat acest lucru și aspecte similare într-o simulare. Ei au trebuit să depășească provocări speciale: modelele fizice și numerice necesare pentru o simulare detaliată a nanoparticulelor sunt semnificativ mai complexe decât pentru particulele cu diametre mai mari. Acest lucru duce, la rândul său, la o creștere semnificativă a timpului de calcul.

Dar efortul merită, deoarece simularea intensivă din punct de vedere computațional ajută la optimizarea sistemului real de testare. Să luăm un exemplu: așa cum am menționat mai sus, aerosolul trebuie să curgă printr-o linie din care se extind mai multe ramuri în jos pentru a direcționa nanoparticulele către cipurile multi-organe, în care condițiile la punctele de prelevare ar trebui să fie cât mai identice posibil. Cu toate acestea, forțele inerțiale ale nanoparticulelor sunt mici, astfel încât particulele sunt mai puțin probabil să se deplaseze de pe calea de curgere redirecționată pe suprafața celulei. Numai gravitația nu este suficientă în acest caz. Cercetătorii rezolvă problema exploatând fenomenul termoforezei. „Aceasta este o forță într-un fluid cu un gradient de temperatură care face ca particulele să migreze spre partea mai rece”, explică dr. Carsten Brodbeck, manager de proiect la Fraunhofer SCAI. „Permițând aerosolului să curgă prin linie într-o stare încălzită, în timp ce celulele sunt cultivate în mod natural la temperatura corpului, nanoparticulele se deplasează către celule, ceea ce simularea arată clar.”

Folosind simulări, cercetătorii au investigat, de asemenea, modul în care ar putea fi atins cel mai mare gradient de temperatură posibil fără a deteriora celulele și cum ar trebui să fie construit dispozitivul corespunzător. Ei au examinat, de asemenea, modul în care diferitele viteze de curgere și geometriile liniilor de alimentare ar afecta absorbția. Distribuția temperaturii în dispozitivul de expunere a fost optimizată prin selectarea diferitelor materiale, ajustarea geometriei și modificarea designului de răcire și încălzire.

„Prin simulări, putem schimba rapid și ușor condițiile la limită și putem înțelege efectele acestor schimbări. De asemenea, putem detecta lucruri care rămân ascunse în experimente”, explică Brodbeck.

Problemele tehnologice fundamentale au fost rezolvate. Primul prototip al dispozitivului de expunere NanoCube, inclusiv un cip cu mai multe organe, ar trebui să fie acum gata în toamnă, după care vor fi efectuate primele experimente cu sistemul. În loc de aerosoli de la imprimante, cercetătorii Fraunhofer folosesc inițial particule de referință, de exemplu nanoparticule din oxid de zinc sau așa-numitul „negru de fum”, adică pigmentul negru din cerneala de imprimare. În aplicațiile practice viitoare, sistemul de măsurare ar trebui instalat oriunde sunt produse nanoparticulele, de exemplu lângă o imprimantă laser.

Sistem inovator de testare pentru efecte toxice

Proiectul NanoINHAL își propune să creeze un sistem inovator de testare prin care să poată fi examinate efectele toxice ale nanoparticulelor din aer asupra celulelor din tractul respirator și plămâni, precum și asupra organelor din aval, cum ar fi ficatul. Prin combinarea a două sisteme de organe într-un sistem microfiziologic, va fi, de asemenea, posibil să se investigheze absorbția și distribuția nanoparticulelor în organism. În viitor, sistemul de testare va furniza date despre efectele pe termen lung ale nanoparticulelor inhalate și biocinetica acestora. Acest lucru va juca un rol important în evaluarea potențialului pericol pentru sănătate reprezentat de astfel de particule.

Sursă:

Societatea Fraunhofer

.