Multi-organ chip обнаруживает опасные наночастицы

Исследователи Fraunhofer разрабатывают устройство для воздействия "NanoCube" для изучения влияния наночастиц, выделяемых, например, лазерными принтерами, на организм человека.

Прямое измерение биологического воздействия

В проекте "NanoINHAL" объединены две технологии:

• Humimic Chip3 от TU Berlin и TissUse — мультиорганный чип размером 76 x 26 мм, на котором размещаются миниатюризированные в 100 000 раз тканевые культуры (например, легкого и печени), снабжаемые питательными растворами через микропомпы.
• P.R.I.T. ExpoCube от Fraunhofer ITEM — устройство для воздействия, в которое помещаются четыре мультиорганных чипа. Оно позволяет контролируемо и воспроизводимо подвергать клеточные образцы воздействию аэрозолей или наночастиц на границе раздела воздух-жидкость, как в человеческом легком.

Эта комбинация, названная NanoCube, позволяет анализировать биологическое воздействие аэрозолей in vitro, без испытаний на животных, изучая взаимодействие наночастиц с клетками легких, их попадание в кровоток и возможные эффекты на печень.

Моделирование помогает оптимизировать разработку

Ключевая задача — направить наночастицы (размером 1–100 нм) к клеткам легких так, чтобы заданное количество осело на их поверхности. Инерционные силы наночастиц малы, и гравитации недостаточно.

Исследователи Fraunhofer SCAI использовали компьютерное моделирование для решения этой проблемы с помощью явления термофореза — силы в жидкости с градиентом температуры, заставляющей частицы мигрировать в более холодную сторону.

• Моделирование показало, что если пропускать аэрозоль через линию в нагретом состоянии, а клетки культивировать при температуре тела, наночастицы будут двигаться к клеткам.
• С помощью симуляций также оптимизировали распределение температуры в устройстве, изменяя материалы, геометрию и конструкцию охлаждения/нагрева, а также изучили влияние разных скоростей потока и геометрий подводящих линий.

Перспективы и применение

Базовые технологические проблемы решены. Первый прототип NanoCube с мультиорганным чипом ожидается осенью, после чего начнутся эксперименты.

В настоящее время вместо аэрозолей от принтеров используются референтные частицы (например, наночастицы оксида цинка или сажи). В будущем измерительную систему планируется размещать непосредственно в месте образования наночастиц (например, рядом с лазерным принтером).

Создаваемая система позволит:

• Исследовать токсическое воздействие вдыхаемых наночастиц на дыхательные пути, легкие и другие органы (например, печень).
• Изучать поглощение и распределение наночастиц в организме.
• Получать данные о долгосрочных эффектах и биокинетике наночастиц, что крайне важно для оценки потенциальной опасности для здоровья.