Was passiert, wenn wir beispielsweise Nanopartikel einatmen, die von einem Laserdrucker abgegeben werden? Könnten diese Nanopartikel die Atemwege oder vielleicht sogar andere Organe schädigen? Um diese Fragen zu beantworten, entwickeln Fraunhofer-Forscher das Belichtungsgerät „NanoCube“. Der im Labor der Technischen Universität Berlin (TU Berlin) und ihrer Ausgründung „TissUse“ aufgebaute integrierte Multiorgan-Chip des Nanocube erfasst die Interaktion zwischen Nanopartikeln und Lungenzellen, die Aufnahme von Nanopartikeln in den Blutkreislauf und mögliche Auswirkungen auf die Leber.
Ein Laserdrucker direkt neben dem Arbeitsplatz zu haben, ist sicherlich sehr praktisch. Allerdings besteht die Gefahr, dass diese Maschinen, genau wie 3D-Drucker, im Betrieb Aerosole ausstoßen, die unter anderem Nanopartikel enthalten – also Partikel mit einer Größe zwischen einem und hundert Nanometern. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 60.000 bis 80.000 Nanometer dick. Nanopartikel entstehen auch bei vorbeifahrenden Straßenfahrzeugen, beispielsweise durch den Abrieb von Reifen. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie sich diese Partikel auf den menschlichen Körper auswirken, wenn sie in die Lunge eingeatmet werden. Bisher war die einzige Möglichkeit, dies zu untersuchen, Tierversuche. Darüber hinaus müssten große Probenmengen des betreffenden Aerosols mit großem Aufwand gesammelt werden.
Direkt messbare biologische Wirkung
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM und des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI arbeiten im Projekt „NanoINHAL“ mit der TU Berlin und ihrer Ausgründung TissUse GmbH zusammen, um die Auswirkungen von Nanopartikeln auf den menschlichen Körper zu untersuchen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Mit In-vitro-Methoden können wir die biologische Wirkung der Aerosole direkt und einfach analysieren – und das ohne Tierversuche.“
Dr. Tanja Hansen, Gruppenleiterin am Fraunhofer ITEM
Möglich wurde dies durch die Kombination zweier bestehender Technologien: des Multiorgan-Chips Humimic Chip3 der TU Berlin und ihrer Ausgründung TissUse sowie des vom Fraunhofer ITEM entwickelten PRIT® ExpoCube®. Der Humimic Chip3 ist ein Chip in der Größe eines Standard-Laborobjektträgers mit den Maßen 76 x 26 mm. Darauf können 100.000-fach miniaturisierte Gewebekulturen platziert werden, wobei Nährlösungen den Gewebekulturen über Mikropumpen zugeführt werden. Auf diese Weise können beispielsweise Gewebeproben von Lunge und Leber und deren Wechselwirkung mit Nanopartikeln künstlich nachgebildet werden.
Vier dieser Multiorgan-Chips passen in den PRIT® ExpoCube®. Hierbei handelt es sich um ein Expositionsgerät, mit dem in der Luft befindliche Substanzen wie Aerosole in vitro untersucht werden. Mithilfe eines ausgeklügelten Systems aus Mikropumpen, Heizelektronik, Aerosolleitungen und Sensoren ist der ExpoCube® in der Lage, die Zellproben auf dem Multiorgan-Chip an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche – wie in der menschlichen Lunge – auf kontrollierbare und reproduzierbare Weise verschiedenen Aerosolen oder sogar Nanopartikeln auszusetzen.
Die Nanopartikel strömen durch einen Mikrokanal, von dem mehrere Abzweigungen nach unten führen, um die Luft und die Nanopartikel zu den vier Multiorgan-Chips zu leiten. „Wenn Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche exponiert werden sollen, spielen zahlreiche Parameter eine Rolle, etwa die Temperatur, die Strömung des Kulturmediums im Chip und die Aerosolströmung. Das macht Experimente dieser Art sehr kompliziert“, erklärt Hansen.
Das System wird derzeit weiter optimiert. Am Ende des Projekts wird die Kombination aus NanoCube und Multiorgan-Chip detaillierte Untersuchungen von Aerosolen in vitro ermöglichen. Nur dann können die direkten Auswirkungen der potenziell schädlichen Nanopartikel auf die Atemwege und gleichzeitig mögliche Auswirkungen auf andere Organe, beispielsweise die Leber, untersucht werden.
Simulationen helfen, die Entwicklung zu optimieren
Doch wie können Aerosole, insbesondere Nanopartikel, so auf Lungenzellen gerichtet werden, dass sich eine bestimmte Menge auf der Zelloberfläche ablagert? Hier kommt die Expertise des Fraunhofer SCAI ins Spiel: Diesen und ähnliche Aspekte untersuchten die Forscher in einer Simulation. Dabei mussten sie besondere Herausforderungen meistern: So sind die physikalischen und numerischen Modelle, die für eine detaillierte Simulation von Nanopartikeln erforderlich sind, deutlich komplexer als für Partikel mit größeren Durchmessern. Dies wiederum führt zu einem deutlichen Anstieg der Rechenzeit.
Doch der Aufwand lohnt sich, denn die rechenintensive Simulation hilft, das reale Testsystem zu optimieren. Nehmen wir ein Beispiel: Wie oben erwähnt, muss das Aerosol durch eine Leitung strömen, von der mehrere Abzweigungen nach unten reichen, um die Nanopartikel auf die Multiorgan-Chips zu leiten, wobei die Bedingungen an den Entnahmestellen möglichst identisch sein sollten. Die Trägheitskräfte der Nanopartikel sind jedoch gering, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass sich die Partikel aus dem umgeleiteten Strömungsweg auf die Zelloberfläche bewegen. Die Schwerkraft allein reicht in diesem Fall nicht aus. Die Forscher lösen das Problem, indem sie das Phänomen der Thermophorese ausnutzen. „Dabei handelt es sich um eine Kraft in einem Fluid mit einem Temperaturgradienten, die dazu führt, dass die Partikel zur kühleren Seite wandern“, erklärt Dr. Carsten Brodbeck, Projektleiter am Fraunhofer SCAI. „Indem man das Aerosol in erhitztem Zustand durch die Leitung strömen lässt, während die Zellen auf natürliche Weise bei Körpertemperatur kultiviert werden, bewegen sich die Nanopartikel auf die Zellen zu, was die Simulation deutlich zeigt.“
Mithilfe von Simulationen untersuchten die Forscher außerdem, wie man einen möglichst hohen Temperaturgradienten erreichen kann, ohne die Zellen zu schädigen, und wie das entsprechende Gerät aufgebaut sein sollte. Sie untersuchten auch, wie sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Zuleitungsgeometrien auf die Aufnahme auswirken würden. Die Temperaturverteilung im Belichtungsgerät wurde durch die Auswahl unterschiedlicher Materialien, Anpassungen der Geometrie und eine Modifikation des Kühl- und Heizdesigns optimiert.
„Durch Simulationen können wir die Randbedingungen schnell und einfach ändern und die Auswirkungen dieser Änderungen verstehen. Wir können auch Dinge erkennen, die in Experimenten verborgen bleiben“, erklärt Brodbeck.
Die grundlegenden technologischen Probleme wurden gelöst. Nun soll im Herbst der erste Prototyp des NanoCube-Belichtungsgeräts inklusive Multiorgan-Chip fertig sein, danach sollen erste Experimente mit dem System durchgeführt werden. Anstelle von Aerosolen aus Druckern verwenden die Fraunhofer-Forscher zunächst Referenzpartikel, beispielsweise Nanopartikel aus Zinkoxid oder sogenanntem „Carbon Black“, also dem schwarzen Pigment in Drucktinte. In zukünftigen praktischen Anwendungen soll das Messsystem überall dort aufgestellt werden, wo die Nanopartikel hergestellt werden, beispielsweise neben einem Laserdrucker.
Innovatives Testsystem für toxische Wirkungen
Im Projekt NanoINHAL soll ein innovatives Testsystem entstehen, mit dem die toxischen Wirkungen luftgetragener Nanopartikel auf Zellen im Atemtrakt und in der Lunge sowie auf nachgelagerte Organe wie die Leber untersucht werden können. Durch die Kombination zweier Organsysteme in einem mikrophysiologischen System wird es auch möglich sein, die Aufnahme und Verteilung von Nanopartikeln im Organismus zu untersuchen. Das Testsystem soll künftig Daten über die Langzeitwirkung inhalierter Nanopartikel sowie deren Biokinetik liefern. Dies wird eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der potenziellen Gesundheitsgefährdung durch solche Partikel spielen.
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