Что происходит, когда мы вдыхаем наночастицы, испускаемые, например, лазерным принтером? Могут ли эти наночастицы повредить дыхательные пути или даже другие органы? Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи Фраунгофера разрабатывают экспонирующее устройство NanoCube. Интегрированный мультиорганный чип Nanocube, созданный в лаборатории Берлинского технического университета (TU Berlin) и его дочерней организацией TissUse, обнаруживает взаимодействие между наночастицами и клетками легких, поглощение наночастиц кровотоком и возможные эффекты. на печень.

Наличие лазерного принтера рядом с вашей рабочей станцией, безусловно, очень практично. При этом существует риск того, что эти машины, как и 3D-принтеры, могут во время работы испускать аэрозоли, содержащие, помимо прочего, наночастицы — частицы размером от одного до ста нанометров. Для сравнения, один волос имеет толщину от 60 000 до 80 000 нанометров. Наночастицы также образуются при прохождении дорожных транспортных средств, например, при истирании шин. Однако пока мало известно о том, как эти частицы влияют на организм человека при вдыхании их в легкие. До сих пор единственным способом изучить это было тестирование на животных. Более того, сбор больших количеств проб соответствующего аэрозоля потребует больших затрат.

Непосредственно измеряемое биологическое воздействие

Исследователи из Института токсикологии и экспериментальной медицины им. Фраунгофера ITEM и Института алгоритмов и научных вычислений Фраунгофера SCAI сотрудничают с Берлинским техническим университетом и его дочерней организацией TissUse GmbH в рамках проекта «NanoINHAL» по изучению воздействия наночастиц на организм человека. . Проект финансируется Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF).

Мы можем анализировать биологическое воздействие аэрозолей напрямую и легко, используя методы in vitro — и без испытаний на животных».

Д-р Таня Хансен, руководитель группы Fraunhofer ITEM

Это стало возможным благодаря объединению двух существующих технологий: многоорганного чипа Humimic Chip3 от TU Berlin и его дочерней организации TissUse, а также PRIT® ExpoCube® , разработанного Fraunhofer ITEM. Humimic Chip3 представляет собой чип размером со стандартное лабораторное предметное стекло размером 76 x 26 мм. На него можно помещать миниатюризированные в 100 000 раз культуры тканей, а питательные растворы подавать к культурам тканей с помощью микронасосов. Таким образом, например, можно искусственно воссоздать образцы тканей легкого и печени и их взаимодействие с наночастицами.

Четыре таких мультиорганных чипа помещаются в PRIT® ExpoCube® . Это экспонирующее устройство, используемое для исследования переносимых по воздуху веществ, таких как аэрозоли, in vitro. Используя сложную систему микронасосов, нагревательную электронику, аэрозольные линии и датчики, ExpoCube ® может подвергать образцы клеток на многоорганном чипе воздействию различных аэрозолей или даже наночастиц на границе раздела воздух-жидкость, как в легком человека. контролируемым и воспроизводимым образом.

Наночастицы проходят через микротрубку, от которой несколько ответвлений ведут вниз, чтобы направить воздух и наночастицы к четырем мультиорганным чипам. «Если клетки легких должны подвергаться воздействию на границе воздух-жидкость, в игру вступают многочисленные параметры, такие как температура, поток питательной среды в чипе и поток аэрозоля. Это делает эксперименты такого рода очень сложными», объясняет Хансен.

В настоящее время система проходит дальнейшую оптимизацию. В конце проекта комбинация NanoCube и мультиорганного чипа облегчит детальные исследования аэрозолей in vitro. Только тогда можно будет исследовать прямое воздействие потенциально вредных наночастиц на дыхательные пути и, в то же время, возможное воздействие на другие органы, например, на печень.

Моделирование помогает оптимизировать разработку

Но как аэрозоли, в частности наночастицы, направить на клетки легких так, чтобы заданное их количество оседало на клеточной поверхности? Вот где проявляется опыт Fraunhofer SCAI: исследователи изучили этот момент и аналогичные аспекты в моделировании. В процессе им пришлось преодолеть особые трудности: например, физические и численные модели, необходимые для детального моделирования наночастиц, значительно сложнее, чем для частиц большего диаметра. Это, в свою очередь, приводит к значительному увеличению времени вычислений.

Но время и усилия того стоят, потому что моделирование, требующее больших вычислительных ресурсов, помогает оптимизировать реальную тестовую систему. Возьмем пример: как упоминалось выше, аэрозоль должен течь по линии, от которой вниз отходят несколько ответвлений, чтобы направить наночастицы на мультиорганные чипы, с максимально идентичными условиями в точках отбора проб. Однако силы инерции наночастиц малы, поэтому вероятность того, что частицы сместятся с отклоненного пути потока на поверхность клетки, будет меньше. Одной гравитации в этом случае недостаточно. Исследователи решают проблему, используя феномен термофореза. «Это относится к силе в жидкости с градиентом температуры, которая заставляет частицы мигрировать в более холодную сторону», — объясняет доктор Карстен Бродбек. Руководитель проекта Fraunhofer SCAI. «Позволяя аэрозолю проходить через линию в нагретом состоянии, в то время как клетки культивируются естественным образом при температуре тела, наночастицы движутся к клеткам, что ясно показывает моделирование».

Исследователи также использовали моделирование, чтобы выяснить, как достичь максимально возможного температурного градиента, не повреждая клетки, и как должно быть сконструировано соответствующее устройство. Они также изучили, как различные скорости потока и геометрия линий подачи повлияют на поглощение. Распределение температуры в экспонирующем устройстве было оптимизировано путем выбора различных материалов, внесения корректировок в геометрию и изменения конструкции охлаждения и нагрева.

«С помощью моделирования мы можем быстро и легко изменить граничные условия и понять последствия этих изменений. Мы также можем увидеть то, что осталось бы скрытым в экспериментах», — объясняет Бродбек.

Основные технологические проблемы решены. Теперь ожидается, что первоначальный прототип экспозиционного устройства NanoCube, включая мультиорганный чип, будет готов осенью, после чего будут проведены первые эксперименты с системой. Пока исследователи из Fraunhofer используют эталонные частицы вместо аэрозолей из принтеров, например, наночастицы из оксида цинка или так называемую «сажу», то есть черный пигмент в типографской краске. В будущих практических приложениях измерительная система должна быть установлена ​​везде, где производятся наночастицы, например, рядом с лазерным принтером.

Инновационная система тестирования на токсическое воздействие

В рамках проекта NanoINHAL будет создана инновационная тестовая система, которую можно будет использовать для исследования токсического воздействия переносимых по воздуху наночастиц на клетки дыхательных путей и легких, а также на нижележащие органы, такие как печень. Благодаря объединению двух систем органов в микрофизиологическую систему также можно будет изучать поглощение и распределение наночастиц в организме. В будущем тестовая система предоставит данные о долгосрочных эффектах вдыхаемых наночастиц, а также об их биокинетике. Это будет играть важную роль в оценке потенциальной опасности для здоровья, создаваемой такими частицами.