Multi-orgaanchip detecteert gevaarlijke nanodeeltjes

Wat gebeurt er als we nanodeeltjes inademen die worden uitgezonden door bijvoorbeeld een laserprinter? Kunnen deze nanodeeltjes de luchtwegen of misschien zelfs andere organen beschadigen? Om deze vragen te beantwoorden, ontwikkelen Fraunhofer-onderzoekers het belichtingsapparaat “NanoCube”.

De geïntegreerde multi-orgaanchip van de Nanocube, opgesteld in het laboratorium van de Technische Universiteit van Berlijn (TU Berlijn) en detecteert door zijn spin-off organisatie “TissUse” de interactie tussen nanodeeltjes en longcellen, de opname van nanodeeltjes in de bloedbaan en mogelijke effecten op de lever.

Een laserprinter direct naast uw werkstation hebben is zeker heel praktisch. Dat gezegd hebbende, bestaat het risico dat deze machines, net als 3D-printers, tijdens bedrijf aerosolen kunnen uitstoten die onder meer nanodeeltjes bevatten, deeltjes die tussen de één en honderd nanometer groot zijn. Ter vergelijking: één haar is ongeveer 60.000 tot 80.000 nanometer dik.

Nanodeeltjes worden ook geproduceerd door passerende wegvoertuigen, bijvoorbeeld door de slijtage van banden. Er is echter nog weinig bekend over de invloed van deze deeltjes op het menselijk lichaam wanneer ze in de longen worden ingeademd. Tot nu toe was de enige manier om dit te onderzoeken door middel van dierproeven. Bovendien zouden grote monsterhoeveelheden van de betreffende spuitbus tegen hoge kosten moeten worden verzameld.

Direct meetbare biologische impact

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Toxicology and Experimental Medicine ITEM en het Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI werken samen met TU Berlin en haar spin-off organisatie TissUse GmbH aan het “NanoINHAL”-project om de impact van nanodeeltjes op het menselijk lichaam te onderzoeken .

“We zijn in staat om de biologische impact van de aerosolen direct en gemakkelijk te analyseren met behulp van in vitro-methoden – en zonder dierproeven”, zegt Dr. Tanja Hansen, Group Manager bij Fraunhofer ITEM.

De combinatie van twee bestaande technologieën heeft dit mogelijk gemaakt: de multi-orgelchip Humimic Chip3 van de TU Berlijn en haar spin-off organisatie TissUse, en de PRIT ExpoCube, ontwikkeld door Fraunhofer ITEM. De Humimic Chip3 is een chip ter grootte van een standaard laboratoriumglaasje van 76 x 26 mm. Weefselculturen die 100.000-voudig zijn geminiaturiseerd, kunnen erop worden geplaatst, met voedingsoplossingen die door micropompen aan de weefselculturen worden geleverd. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld weefselmonsters van long en lever en hun interactie met nanodeeltjes kunstmatig worden nagemaakt.

Vier van deze multi-orgelchips passen in de PRIT ExpoCube. Dit is een blootstellingsapparaat dat wordt gebruikt om in vitro stoffen in de lucht, zoals aerosolen, te bestuderen. Met behulp van een geavanceerd systeem van micropompen, verwarmingselektronica, aerosollijnen en sensoren, kan de ExpoCube de celmonsters op de multi-orgaanchip blootstellen aan verschillende aerosolen of zelfs nanodeeltjes op het lucht-vloeistofinterface – zoals in de menselijke long – in een controleerbare en reproduceerbare manier.

De nanodeeltjes stromen door een microduct, van waaruit verschillende vertakkingen naar beneden leiden om de lucht en nanodeeltjes naar de vier multi-orgaanchips te geleiden. “Als longcellen worden blootgesteld aan het lucht-vloeistof-interface, spelen tal van parameters een rol, zoals temperatuur, de stroom van het kweekmedium in de chip en de aerosolstroom. Dit maakt dit soort experimenten erg ingewikkeld.” Hansen legt uit.

Het systeem wordt momenteel verder geoptimaliseerd. Aan het einde van het project zal de combinatie van NanoCube en multi-orgaanchip gedetailleerde studies van aerosolen in vitro mogelijk maken. Alleen dan is het mogelijk om de directe impact van de potentieel schadelijke nanodeeltjes op de luchtwegen te onderzoeken en tegelijkertijd mogelijke effecten op andere organen, zoals de lever.

Simulaties helpen de ontwikkeling te optimaliseren

Maar hoe kunnen aërosolen, in het bijzonder nanodeeltjes, zo naar longcellen worden gestuurd dat een bepaalde hoeveelheid op het celoppervlak wordt afgezet? Hier komt de expertise van Fraunhofer SCAI om de hoek kijken: de onderzoekers bestudeerden dit punt en soortgelijke aspecten in een simulatie. Ze moesten daarbij speciale uitdagingen overwinnen: de fysieke en numerieke modellen die nodig zijn voor een gedetailleerde simulatie van nanodeeltjes zijn bijvoorbeeld aanzienlijk complexer dan voor deeltjes met grotere diameters. Dit zorgt op zijn beurt voor een aanzienlijke toename van de rekentijd.

Maar de tijd en moeite zijn het waard, omdat de rekenintensieve simulatie helpt om het real-life testsysteem te optimaliseren. Laten we een voorbeeld nemen: zoals hierboven vermeld, moet de aerosol door een lijn stromen van waaruit verschillende takken zich naar beneden uitstrekken om de nanodeeltjes op de multi-orgaanchips te richten, met omstandigheden op de bemonsteringspunten die zo identiek mogelijk zijn.

De traagheidskrachten van de nanodeeltjes zijn echter laag, dus het is minder waarschijnlijk dat de deeltjes uit het omgeleide stroompad naar het celoppervlak gaan. Zwaartekracht alleen is in dit geval niet voldoende. De onderzoekers lossen het probleem op door gebruik te maken van het fenomeen thermoforese.

“Dit heeft betrekking op een kracht in een vloeistof met een temperatuurgradiënt die ervoor zorgt dat de deeltjes naar de koelere kant migreren”, legt dr. Carsten Brodbeck, projectmanager bij Fraunhofer SCAI, uit. “Door de aerosol verwarmd door de leiding te laten stromen, terwijl de cellen op natuurlijke wijze op lichaamstemperatuur worden gekweekt, bewegen de nanodeeltjes richting de cellen, wat de simulatie duidelijk laat zien.”

Ook onderzochten de onderzoekers met simulaties hoe je een zo groot mogelijke temperatuurgradiënt kunt bereiken zonder de cellen te beschadigen en hoe het bijbehorende apparaat moet worden geconstrueerd. Ze onderzochten ook hoe verschillende stroomsnelheden en toevoerlijngeometrieën de opname zouden beïnvloeden.

De temperatuurverdeling in het belichtingsapparaat is geoptimaliseerd door verschillende materialen te selecteren, de geometrie aan te passen en het koel- en verwarmingsontwerp aan te passen. “Met behulp van simulaties kunnen we snel en eenvoudig de randvoorwaarden veranderen en de effecten van deze veranderingen begrijpen. We kunnen ook dingen zien die verborgen zouden blijven in experimenten”, legt Brodbeck uit.

De fundamentele technologische problemen zijn opgelost. Nu zal naar verwachting in het najaar het eerste prototype van het NanoCube-belichtingsapparaat, inclusief multi-orgaanchip, gereed zijn, waarna de eerste experimenten met het systeem worden uitgevoerd.

Voorlopig gebruiken de onderzoekers van Fraunhofer referentiedeeltjes in plaats van spuitbussen van printers, bijvoorbeeld nanodeeltjes van zinkoxide of wat bekend staat als ‘carbon black’, het zwarte pigment in drukinkt. In toekomstige praktijktoepassingen moet het meetsysteem overal worden opgesteld waar de nanodeeltjes worden geproduceerd, bijvoorbeeld naast een laserprinter.

Innovatief testsysteem voor toxische effecten

Het NanoINHAL-project zal zorgen voor de creatie van een innovatief testsysteem dat kan worden gebruikt om de toxische effecten van nanodeeltjes in de lucht op cellen in de luchtwegen en longen te onderzoeken, evenals op stroomafwaartse organen zoals de lever.

Door de combinatie van twee orgaansystemen in een microfysiologisch systeem wordt het ook mogelijk om de opname en verspreiding van nanodeeltjes in het organisme te bestuderen. In de toekomst zal het testsysteem gegevens opleveren over de langetermijneffecten van geïnhaleerde nanodeeltjes en hun biokinetiek. Dit zal een belangrijke rol spelen bij de beoordeling van het potentiële gezondheidsrisico van dergelijke deeltjes.