多器官芯片检测危险的纳米颗粒

长三角G60激光联盟导读

如果我们吸入激光打印机发出的纳米颗粒时会发生什么？这些纳米颗粒会损害呼吸道，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”接触设备。

用于热模拟的计算网格，具有NanoCube曝光设备的放大表示。气溶胶部分为黄色，其他部分为组件或空气部分。来源：Fraunhofer SCAI

Nanocube的集成多器官芯片由柏林工业大学（TU Berlin）实验室及其附属组织“TissUse”建立，用于检测纳米颗粒与肺细胞之间的相互作用、纳米颗粒在血流中的吸收以及对肝脏的可能影响。

工作时旁边有一台激光打印机当然是非常实用的，然而，这些机器和3D打印机一样，在运行过程中可能会释放出气溶胶，其中包括大小在1到100纳米之间的纳米颗粒。相比之下，一根头发大约有60000到80000纳米厚。

纳米颗粒也会通过行驶车辆产生，例如，通过轮胎的磨损。然而，到目前为止，人们对这些微粒被吸入肺部时对人体的影响知之甚少。到目前为止，研究这一问题的唯一方法是通过动物实验。更重要的是，大量的相关气溶胶样品必须以高昂的费用收集。

来源：Biomedical Engineering Advances (2022). DOI: 10.1016/j.bea.2022.100031

可直接测量的生物影响

Fraunhofer病理学和实验医学研究所ITEM和Fraunhoffer算法和科学计算研究所SCAI的研究人员正在与柏林大学及其附属组织TissUse GmbH合作开展“NanoINHAL”项目，以研究纳米颗粒对人体的影响。

Fraunhofer ITEM集团经理Tanja Hansen博士表示：“我们能够直接、轻松地使用体外方法分析气溶胶的生物影响，而无需进行动物试验。”

结合现有的两种技术——柏林大学及其附属机构TissUse的多器官芯片Humimic Chip3，以及Fraunhofer ITEM开发的P.R.I.T.ExpoCube。Humimic Chip3是一个标准实验室载玻片大小的芯片，尺寸为76 x 26 mm。可以在其上放置10万倍的组织培养物，并通过微型泵向组织培养物提供营养液。例如，通过这种方式，肺和肝的组织样本以及它们与纳米颗粒的相互作用可以被人工重新创建。

模拟的快照显示了NanoCube内多器官芯片的温度分布。温度分布的分析有助于改进纳米立方体的设计。来源：Fraunhofer SCAI

该系统目前正在进一步优化。在项目结束时，NanoCube和多器官芯片的结合将有助于在体外对气溶胶进行详细研究。只有这样，才有可能研究潜在有害纳米粒子对呼吸道的直接影响，同时也可能对其他器官（如肝脏）的影响。

模拟有助于优化开发

但是，气溶胶，特别是纳米颗粒，如何以特定数量沉积在细胞表面的方式指向肺细胞呢？这就是Fraunhofer 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，详细模拟纳米颗粒所需的物理和数值模型要比直径较大的颗粒复杂得多。这反过来导致计算时间的显著增加。

氧化铁纳米颗粒的表征。来源：doi.org/10.1016/j.bea.2022.100031

Fraunhofer SCAI项目经理Carsten Brodbeck博士解释道：“这与温度梯度流体中的力有关，它会导致颗粒迁移到较冷的一侧。当细胞在体温下自然培养时，通过让气溶胶在加热状态下流过管线，纳米颗粒向细胞移动，模拟清楚地显示了这一点。”

研究人员还使用模拟来研究如何在不损坏细胞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线几何形状如何影响吸收。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。

目前，Fraunhofer的研究人员正在使用参考粒子，而不是打印机中的气溶胶，例如，氧化锌纳米颗粒或所谓的“炭黑”，即印刷油墨中的黑色颜料。在未来的实际应用中，测量系统将安装在生产纳米颗粒的地方，例如，在激光打印机旁边。

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，可用于研究空气中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影响。

由于微生理系统中两个器官系统的结合，研究纳米颗粒在生物体中的吸收和分布也是可能的。未来，该测试系统将提供关于吸入纳米颗粒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。

来源：phys.org/news/2022-10-multi-organ-chip-dangerous-nanoparticles.html