多器官芯片检测危险的纳米粒子

当我们吸入由例如激光打印机发射的纳米粒子时会发生什么?这些纳米粒子会损害呼吸道甚至其他器官吗?为了回答这些问题，弗劳恩霍夫研究人员正在开发“NanoCube”曝光装置。

Nanocube的集成多器官芯片设置在柏林工业大学(TUBerlin)的实验室中，并由其衍生组织“TissUse”检测纳米颗粒和肺细胞之间的相互作用、纳米颗粒进入血液的吸收和可能的影响在肝脏上。

在您的工作站旁边放置一台激光打印机当然非常实用。话虽如此，这些机器，就像3D打印机一样，在运行过程中可能会散发出气溶胶，其中含有纳米粒子等物质，这些粒子的大小在1到100纳米之间。相比之下，一根头发的厚度约为60,000到80,000纳米。

纳米粒子也通过道路车辆产生，例如通过轮胎的磨损。然而，到目前为止，人们对这些颗粒被吸入肺部后如何影响人体知之甚少。到目前为止，研究这一点的唯一方法是通过动物试验。更重要的是，必须以巨大的代价收集大量相关气溶胶的样本。

可直接测量的生物影响

弗劳恩霍夫毒理学与实验医学研究所ITEM和弗劳恩霍夫算法与科学计算研究所SCAI的研究人员正在与柏林工业大学及其衍生组织TissUseGmbH合作开展“NanoINHAL”项目，以研究纳米粒子对人体的影响.

“我们能够使用体外方法直接轻松地分析气溶胶的生物学影响，无需动物试验，”FraunhoferITEM集团经理TanjaHansen博士说。

结合两种现有技术使这成为可能：来自柏林工业大学及其衍生组织TissUse的多器官芯片HumimicChip3，以及由FraunhoferITEM开发的PRITExpoCube。HumimicChip3是一种尺寸为76x26毫米的标准实验室载玻片大小的芯片。可以在其上放置微型化100,000倍的组织培养物，通过微型泵向组织培养物提供营养液。例如，通过这种方式，可以人工重建肺和肝脏的组织样本及其与纳米粒子的相互作用。

这些多器官芯片中有四个适合PRITExpoCube。这是一种用于在体外研究气溶胶等空气传播物质的暴露装置。使用由微型泵、加热电子设备、气溶胶管线和传感器组成的复杂系统，ExpoCube能够将多器官芯片上的细胞样本暴露于各种气溶胶甚至是空气-液体界面处的纳米颗粒(如在人肺中)一种可控和可重复的方式。

纳米粒子流过一个微导管，从那里有几个分支向下引导空气和纳米粒子到四个多器官芯片。“如果肺细胞要暴露在气液界面，许多参数都会发挥作用，例如温度、芯片中培养基的流量和气溶胶流量。这使得这类实验非常复杂，”汉森解释道。

模拟快照显示了带有多器官芯片的NanoCube中的温度分布。温度分布的分析有助于改进纳米立方体的设计。学分：弗劳恩霍夫SCAI

该系统目前正在进一步优化中。在项目结束时，NanoCube和多器官芯片的结合将有助于气溶胶的体外详细研究。只有这样，才有可能研究潜在有害的纳米粒子对呼吸道的直接影响，同时也可能对肝脏等其他器官产生影响。

模拟有助于优化开发

但是，气溶胶，尤其是纳米颗粒，如何以特定量沉积在细胞表面的方式被导向肺细胞呢?这就是弗劳恩霍夫SCAI的专长所在：研究人员在模拟中研究了这一点和类似方面。他们必须克服这一过程中的特殊挑战：例如，详细模拟纳米粒子所需的物理和数值模型比直径较大的粒子要复杂得多。这反过来又导致计算时间显着增加。

但时间和精力是值得的，因为计算密集型模拟有助于优化现实生活中的测试系统。举个例子：如上所述，气溶胶必须流过一条线，从这条线上有几个分支向下延伸，以将纳米颗粒引导到多器官芯片上，采样点的条件尽可能相同。

然而，纳米颗粒的惯性力很低，因此颗粒不太可能移出转向的流动路径并移到细胞表面上。在这种情况下，仅重力是不够的。研究人员通过利用热泳现象解决了这个问题。

FraunhoferSCAI的项目经理CarstenBrodbeck博士解释说：“这与具有温度梯度的流体中的力有关，该力会导致颗粒迁移到较冷的一侧。”“通过让气溶胶在加热状态下流过管线，而细胞在体温下自然培养，纳米粒子会向细胞移动，这一点模拟清楚地表明了这一点。”

研究人员还使用模拟来研究如何在不损坏电池的情况下实现尽可能高的温度梯度，以及如何构建相应的设备。他们还研究了不同的流速和供应管线几何形状将如何影响吸收。

通过选择不同的材料、调整几何形状和修改冷却和加热设计，优化了曝光装置中的温度分布。“使用模拟，我们可以快速轻松地更改边界条件并了解这些变化的影响。我们还可以看到在实验中仍然隐藏的东西，”Brodbeck解释说。

基本的技术问题得到了解决。现在，包括多器官芯片在内的NanoCube曝光装置的初始原型预计将在秋季准备就绪，之后将对该系统进行首次实验。

目前，弗劳恩霍夫的研究人员正在使用参考粒子而不是来自打印机的气溶胶，例如，来自氧化锌的纳米粒子或所谓的“炭黑”，即印刷油墨中的黑色颜料。在未来的实际应用中，测量系统将设置在纳米颗粒的生产地点，例如激光打印机旁边。

创新的毒性效应测试系统

NanoINHAL项目将创建一个创新的测试系统，该系统可用于研究空气中的纳米颗粒对呼吸道和肺部细胞以及肝脏等下游器官的毒性作用。

由于微生理系统中两个器官系统的结合，也有可能研究纳米颗粒在生物体中的吸收和分布。未来，该测试系统将提供有关吸入纳米粒子的长期影响及其生物动力学的数据。这将在评估此类颗粒造成的潜在健康危害方面发挥重要作用。