Multiorganchip mäter direkt den biologiska effekten av nanopartiklar

Multiorganchip mäter direkt den biologiska effekten av nanopartiklar

Vad händer till exempel om vi andas in nanopartiklar som släpps ut av en laserskrivare? Kan dessa nanopartiklar skada luftvägarna eller kanske till och med andra organ? För att svara på dessa frågor utvecklar Fraunhofer-forskare exponeringsenheten "NanoCube". Nanokubens integrerade multiorganchip, byggt i laboratoriet vid Tekniska universitetet i Berlin (TU Berlin) och dess spin-off "TissUse", registrerar interaktionen mellan nanopartiklar och lungceller, absorptionen av nanopartiklar i blodomloppet och möjliga effekter på levern.

Att ha en laserskrivare bredvid din arbetsstation är verkligen väldigt praktiskt. Det finns dock en risk att dessa maskiner, precis som 3D-skrivare, avger aerosoler under drift som innehåller bland annat nanopartiklar – det vill säga partiklar med en storlek mellan ett och hundra nanometer. Som jämförelse: ett hårstrå är runt 60 000 till 80 000 nanometer tjockt. Nanopartiklar skapas också av passerande vägfordon, till exempel genom nötning från däck. Men lite är känt om hur dessa partiklar påverkar människokroppen när de andas in i lungorna. Fram till nu har det enda sättet att studera detta varit genom djurförsök. Dessutom skulle stora provmängder av den aktuella aerosolen behöva samlas in med stor ansträngning.

Direkt mätbar biologisk effekt

Forskare från Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM och Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI arbetar med projektet "NanoINHAL" med TU Berlin och dess spin-off TissUse GmbH för att undersöka effekterna av nanopartiklar på människokroppen. Projektet finansieras av förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF).

Med in vitro-metoder kan vi analysera de biologiska effekterna av aerosoler direkt och enkelt – utan djurförsök.”

Dr Tanja Hansen, gruppledare på Fraunhofer ITEM

Detta möjliggjordes genom att kombinera två befintliga teknologier: multiorganchippet Humimic Chip3 från TU Berlin och dess spin-off TissUse, samt PRIT® ExpoCube® utvecklad av Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 är ett chip som är lika stort som ett standardlaboratorieglas som mäter 76 x 26 mm. 100 000 gånger miniatyriserade vävnadskulturer kan placeras på den, med näringslösningar som tillförs vävnadskulturerna via mikropumpar. På så sätt kan till exempel vävnadsprover från lungor och lever och deras interaktion med nanopartiklar artificiellt återskapas.

Fyra av dessa multi-organ chips passar in i PRIT® ExpoCube®. Detta är en exponeringsanordning som används för att undersöka luftburna ämnen som aerosoler in vitro. Med hjälp av ett sofistikerat system av mikropumpar, värmeelektronik, aerosolledningar och sensorer kan ExpoCube® exponera cellproverna på multiorganchippet vid luft-vätskegränssnittet - som i den mänskliga lungan - för olika aerosoler eller till och med nanopartiklar på ett kontrollerbart och reproducerbart sätt.

Nanopartiklarna strömmar genom en mikrokanal, från vilken flera grenar leder nedåt för att rikta luften och nanopartiklarna till de fyra multiorganchipsen. "Om lungceller ska exponeras vid gränsytan mellan luft och vätska spelar många parametrar en roll, såsom temperatur, flödet av odlingsmediet i chipet och aerosolflödet. Detta gör experiment av den här typen mycket komplicerade", förklarar Hansen.

Systemet optimeras för närvarande ytterligare. I slutet av projektet kommer kombinationen av NanoCube och multiorganchip att möjliggöra detaljerade studier av aerosoler in vitro. Först då kan de potentiellt skadliga nanopartiklarnas direkta effekter på luftvägarna och samtidigt möjliga effekter på andra organ, som levern, undersökas.

Simuleringar hjälper till att optimera utvecklingen

Men hur kan aerosoler, särskilt nanopartiklar, riktas mot lungceller på ett sådant sätt att en viss mängd avsätts på cellytan? Det är här som expertisen hos Fraunhofer SCAI kommer in i bilden: Forskarna undersökte denna och liknande aspekter i en simulering. De var tvungna att övervinna speciella utmaningar: de fysiska och numeriska modellerna som krävs för en detaljerad simulering av nanopartiklar är betydligt mer komplexa än för partiklar med större diametrar. Detta leder i sin tur till en betydande ökning av beräkningstiden.

Men ansträngningen är värd det eftersom den beräkningsintensiva simuleringen hjälper till att optimera det verkliga testsystemet. Låt oss ta ett exempel: Som nämnts ovan måste aerosolen strömma genom en linje varifrån flera grenar sträcker sig nedåt för att styra nanopartiklarna till multiorganchipsen, varvid förhållandena vid provtagningspunkterna ska vara så identiska som möjligt. Men tröghetskrafterna hos nanopartiklarna är små, så det är mindre sannolikt att partiklarna rör sig från den omdirigerade flödesvägen till cellytan. Enbart gravitationen räcker inte i det här fallet. Forskarna löser problemet genom att utnyttja fenomenet termofores. "Detta är en kraft i en vätska med en temperaturgradient som får partiklarna att migrera till den kallare sidan", förklarar Dr. Carsten Brodbeck, projektledare på Fraunhofer SCAI. "Genom att låta aerosolen flöda genom ledningen i ett uppvärmt tillstånd medan cellerna odlas naturligt vid kroppstemperatur, rör sig nanopartiklarna mot cellerna, vilket simuleringen tydligt visar."

Med hjälp av simuleringar undersökte forskarna också hur högsta möjliga temperaturgradient kunde uppnås utan att skada cellerna och hur motsvarande enhet skulle vara konstruerad. De undersökte också hur olika flödeshastigheter och matarledningsgeometrier skulle påverka upptaget. Temperaturfördelningen i exponeringsanordningen optimerades genom att välja olika material, justera geometrin och modifiera kyl- och värmedesignen.

"Genom simuleringar kan vi ändra randvillkoren snabbt och enkelt och förstå effekterna av dessa förändringar. Vi kan också upptäcka saker som förblir dolda i experiment", förklarar Brodbeck.

De grundläggande tekniska problemen har lösts. Den första prototypen av NanoCube-exponeringsenheten, inklusive ett multiorganchip, ska nu vara klar under hösten, varefter de första experimenten med systemet kommer att genomföras. Istället för aerosoler från skrivare använder Fraunhoferforskarna till en början referenspartiklar, till exempel nanopartiklar gjorda av zinkoxid eller så kallat "carbon black", det vill säga det svarta pigmentet i tryckfärg. I framtida praktiska tillämpningar bör mätsystemet sättas upp varhelst nanopartiklarna produceras, till exempel bredvid en laserskrivare.

Innovativt testsystem för toxiska effekter

NanoINHAL-projektet syftar till att skapa ett innovativt testsystem med vilket de toxiska effekterna av luftburna nanopartiklar på celler i luftvägarna och lungorna samt på nedströms organ som levern kan undersökas. Genom att kombinera två organsystem i ett mikrofysiologiskt system blir det också möjligt att undersöka upptag och distribution av nanopartiklar i organismen. I framtiden kommer testsystemet att ge data om långtidseffekterna av inhalerade nanopartiklar och deras biokinetik. Detta kommer att spela en viktig roll för att bedöma det potentiella hälsohotet som sådana partiklar utgör.

Källa:

Fraunhofer Society

.