Večorganski čip neposredno meri biološki učinek nanodelcev

Večorganski čip neposredno meri biološki učinek nanodelcev

Kaj se na primer zgodi, če vdihnemo nanodelce, ki jih oddaja laserski tiskalnik? Bi lahko ti nanodelci poškodovali dihala ali morda celo druge organe? Da bi odgovorili na ta vprašanja, Fraunhoferjevi raziskovalci razvijajo napravo za osvetljevanje "NanoCube". Integrirani večorganski čip Nanocube, zgrajen v laboratoriju Tehnične univerze v Berlinu (TU Berlin) in njenega spin-offa "TissUse", beleži interakcijo med nanodelci in pljučnimi celicami, absorpcijo nanodelcev v krvni obtok in možne učinke na jetra.

Imeti laserski tiskalnik tik ob vaši delovni postaji je vsekakor zelo praktično. Obstaja pa tveganje, da ti stroji, tako kot 3D tiskalniki, med delovanjem oddajajo aerosole, ki med drugim vsebujejo nanodelce – torej delce velikosti od enega do sto nanometrov. Za primerjavo: las je debel okoli 60.000 do 80.000 nanometrov. Nanodelci nastajajo tudi pri vožnji mimo cestnih vozil, na primer zaradi odrgnine pnevmatik. Vendar pa je malo znanega o tem, kako ti delci vplivajo na človeško telo, ko jih vdihavamo v pljuča. Do zdaj je bil edini način za preučevanje tega s testiranjem na živalih. Poleg tega bi bilo treba z velikim naporom zbrati velike količine vzorcev zadevnega aerosola.

Neposredno merljiv biološki učinek

Raziskovalci Fraunhoferjevega inštituta za toksikologijo in eksperimentalno medicino ITEM ter Fraunhoferjevega inštituta za algoritme in znanstveno računalništvo SCAI delajo na projektu »NanoINHAL« s TU Berlin in njenim odcepljenim podjetjem TissUse GmbH, da bi raziskali učinke nanodelcev na človeško telo. Projekt financira Zvezno ministrstvo za izobraževanje in raziskave (BMBF).

Z uporabo metod in vitro lahko neposredno in enostavno analiziramo biološke učinke aerosolov – brez testiranja na živalih.«

Tanja Hansen, vodja skupine pri Fraunhofer ITEM

To je bilo mogoče z združitvijo dveh obstoječih tehnologij: večorganskega čipa Humimic Chip3 iz TU Berlin in njegovega spin-offa TissUse ter PRIT® ExpoCube®, ki ga je razvil Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 je čip velikosti standardnega laboratorijskega stekelca z merami 76 x 26 mm. Nanj je mogoče namestiti 100.000-kratne miniaturizirane tkivne kulture, s hranilnimi raztopinami, ki se tkivnim kulturam dovajajo preko mikročrpalk. Na ta način je na primer mogoče umetno poustvariti vzorce tkiva iz pljuč in jeter ter njihovo interakcijo z nanodelci.

Štirje od teh večorganskih čipov se prilegajo PRIT® ExpoCube®. To je naprava za osvetljevanje, ki se uporablja za pregledovanje snovi v zraku, kot so aerosoli in vitro. Z uporabo sofisticiranega sistema mikročrpalk, grelne elektronike, aerosolnih linij in senzorjev lahko ExpoCube® izpostavi vzorce celic na večorganskem čipu na vmesniku zrak-tekočina – kot v človeških pljučih – različnim aerosolom ali celo nanodelcem na nadzorovan in ponovljiv način.

Nanodelci tečejo skozi mikrokanal, iz katerega vodi več vej navzdol, ki usmerjajo zrak in nanodelce do štirih večorganskih čipov. "Če naj bodo pljučne celice izpostavljene na vmesniku zrak-tekočina, igrajo vlogo številni parametri, kot so temperatura, pretok gojišča v čipu in pretok aerosolov. Zaradi tega so poskusi te vrste zelo zapleteni," pojasnjuje Hansen.

Sistem se trenutno dodatno optimizira. Ob koncu projekta bo kombinacija NanoCube in multiorganskega čipa omogočila podrobne študije aerosolov in vitro. Šele takrat je mogoče preučiti neposredne učinke potencialno škodljivih nanodelcev na dihala in hkrati možne učinke na druge organe, kot so jetra.

Simulacije pomagajo optimizirati razvoj

Toda kako lahko aerosole, zlasti nanodelce, usmerimo v pljučne celice tako, da se določena količina nanese na celično površino? Tukaj pride do izraza strokovno znanje Fraunhofer SCAI: Raziskovalci so ta in podobne vidike preučili v simulaciji. Premagati so morali posebne izzive: fizikalni in numerični modeli, potrebni za podrobno simulacijo nanodelcev, so bistveno bolj kompleksni kot pri delcih z večjim premerom. To posledično povzroči znatno povečanje računalniškega časa.

Toda trud je vreden, saj računalniško intenzivna simulacija pomaga optimizirati pravi testni sistem. Vzemimo primer: Kot že omenjeno, mora aerosol teči skozi črto, iz katere sega navzdol več vej, da se nanodelci usmerijo na večorganske čipe, pri čemer morajo biti pogoji na mestih vzorčenja čim bolj enaki. Vendar pa so vztrajnostne sile nanodelcev majhne, ​​zato je manj verjetno, da se bodo delci premaknili s preusmerjene tokovne poti na celično površino. Samo gravitacija v tem primeru ni dovolj. Raziskovalci problem rešujejo z izkoriščanjem pojava termoforeze. »To je sila v tekočini s temperaturnim gradientom, ki povzroči selitev delcev na hladnejšo stran,« pojasnjuje dr. Carsten Brodbeck, vodja projekta pri Fraunhofer SCAI. "Z omogočanjem, da aerosol teče skozi linijo v segretem stanju, medtem ko se celice naravno gojijo pri telesni temperaturi, se nanodelci premikajo proti celicam, kar simulacija jasno prikazuje."

Z uporabo simulacij so raziskovalci raziskali tudi, kako bi lahko dosegli najvišji možni temperaturni gradient, ne da bi pri tem poškodovali celice, in kako je treba konstruirati ustrezno napravo. Preučili so tudi, kako bi različne hitrosti pretoka in geometrije dovodnega voda vplivale na prevzem. Porazdelitev temperature v napravi za osvetlitev je bila optimizirana z izbiro različnih materialov, prilagajanjem geometrije in spreminjanjem zasnove hlajenja in ogrevanja.

"S simulacijami lahko hitro in enostavno spremenimo robne pogoje in razumemo učinke teh sprememb. Zaznamo lahko tudi stvari, ki v poskusih ostanejo skrite," pojasnjuje Brodbeck.

Temeljni tehnološki problemi so rešeni. Prvi prototip naprave za osvetljevanje NanoCube, vključno s čipom za več organov, naj bi bil pripravljen jeseni, nato pa bodo izvedeni prvi poskusi s sistemom. Fraunhoferjevi raziskovalci namesto aerosolov iz tiskalnikov sprva uporabljajo referenčne delce, na primer nanodelce iz cinkovega oksida ali tako imenovane "saje", to je črni pigment v tiskarski barvi. V prihodnjih praktičnih aplikacijah bi moral biti merilni sistem postavljen povsod, kjer se proizvajajo nanodelci, na primer poleg laserskega tiskalnika.

Inovativen testni sistem za toksične učinke

Namen projekta NanoINHAL je ustvariti inovativen testni sistem, s katerim je mogoče preučiti toksične učinke nanodelcev v zraku na celice v dihalnih poteh in pljučih ter na spodnje organe, kot so jetra. Z združitvijo dveh organskih sistemov v en mikrofiziološki sistem bo mogoče raziskati tudi privzem in porazdelitev nanodelcev v organizmu. V prihodnosti bo testni sistem zagotavljal podatke o dolgoročnih učinkih vdihanih nanodelcev in njihovi biokinetiki. To bo imelo pomembno vlogo pri oceni morebitne nevarnosti za zdravje, ki jo taki delci predstavljajo.

Vir:

Fraunhoferjeva družba

.