Un chip multiorgánico detecta nanopartículas peligrosas

¿Qué ocurre cuando respiramos las nanopartículas emitidas por una impresora láser, por ejemplo? ¿Podrían estas nanopartículas dañar las vías respiratorias o incluso otros órganos? Para responder a estas preguntas, los investigadores de Fraunhofer están desarrollando el dispositivo de exposición "NanoCube". El chip multiorgánico integrado del Nanocube, instalado en el laboratorio de la Universidad Técnica de Berlín (TU Berlin) y por su organización derivada "TissUse", detecta la interacción entre las nanopartículas y las células pulmonares, la captación de nanopartículas en el torrente sanguíneo y los posibles efectos en el hígado.

Tener una impresora láser al lado del puesto de trabajo es ciertamente muy práctico. Dicho esto, existe el riesgo de que estas máquinas, al igual que las impresoras 3D, puedan emitir aerosoles durante su funcionamiento que contengan, entre otras cosas, nanopartículas, es decir, partículas que tienen un tamaño de entre uno y cien nanómetros. En comparación, un cabello tiene entre 60.000 y 80.000 nanómetros de grosor. Las nanopartículas también se producen al paso de los vehículos de carretera, por ejemplo, por la abrasión de los neumáticos. Sin embargo, todavía se sabe poco sobre cómo afectan estas partículas al cuerpo humano cuando se inhalan en los pulmones. Hasta ahora, la única forma de estudiarlo era mediante ensayos con animales. Además, habría que recoger grandes cantidades de muestras del aerosol en cuestión, lo que supondría un gran gasto.

Impacto biológico directamente medible

Investigadores del Instituto Fraunhofer de Toxicología y Medicina Experimental ITEM y del Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica SCAI colaboran con la Universidad Técnica de Berlín y su organización derivada TissUse GmbH en el proyecto "NanoINHAL" para investigar el impacto de las nanopartículas en el cuerpo humano. El proyecto está financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF). "Podemos analizar el impacto biológico de los aerosoles de forma directa y sencilla utilizando métodos in vitro, y sin necesidad de realizar pruebas con animales", afirma la Dra. Tanja Hansen, directora de grupo del Fraunhofer ITEM.

La combinación de dos tecnologías existentes lo ha hecho posible: El chip multiorgánico Humimic Chip3 de la TU Berlín y su organización derivada TissUse, y el P.R.I.T.® ExpoCube®, desarrollado por Fraunhofer ITEM. El Humimic Chip3 es un chip del tamaño de un portaobjetos de laboratorio estándar que mide 76 x 26 mm. En él pueden colocarse cultivos de tejidos miniaturizados 100.000 veces, con soluciones nutritivas suministradas a los cultivos de tejidos mediante microbombas. De este modo, por ejemplo, se pueden recrear artificialmente muestras de tejido del pulmón y el hígado y su interacción con las nanopartículas.

Cuatro de estos chips multiorgánicos caben en el P.R.I.T.® ExpoCube®. Se trata de un dispositivo de exposición utilizado para estudiar in vitro sustancias transportadas por el aire, como los aerosoles. Gracias a un sofisticado sistema de microbombas, electrónica de calentamiento, líneas de aerosol y sensores, el ExpoCube® es capaz de exponer las muestras celulares del chip multiorgánico a diversos aerosoles o incluso a nanopartículas en la interfaz aire-líquido -como en el pulmón humano- de forma controlable y reproducible.

Las nanopartículas fluyen a través de un microconducto, del que parten varios ramales hacia abajo para conducir el aire y las nanopartículas a los cuatro chips multiorgánicos. "Para exponer las células pulmonares en la interfaz aire-líquido, entran en juego numerosos parámetros, como la temperatura, el flujo del medio de cultivo en el chip y el flujo de aerosoles. Esto hace que los experimentos de este tipo sean muy complicados", explica Hansen.

El sistema se está optimizando actualmente. Al final del proyecto, la combinación de NanoCube y chip multiorgánico facilitará los estudios detallados de los aerosoles in vitro. Sólo entonces será posible investigar el impacto directo de las nanopartículas potencialmente dañinas en las vías respiratorias y, al mismo tiempo, los posibles efectos en otros órganos, como el hígado.

Las simulaciones ayudan a optimizar el desarrollo

Pero, ¿cómo pueden dirigirse los aerosoles, en particular las nanopartículas, hacia las células pulmonares de forma que se deposite una cantidad determinada en la superficie celular? Aquí es donde entra en juego la experiencia de Fraunhofer SCAI: Los investigadores estudiaron este punto y otros aspectos similares en una simulación. Tuvieron que superar retos especiales en el proceso: Por ejemplo, los modelos físicos y numéricos necesarios para una simulación detallada de las nanopartículas son significativamente más complejos que para las partículas de mayor diámetro. Esto, a su vez, provoca un aumento significativo del tiempo de computación.

Pero el tiempo y el esfuerzo merecen la pena, porque la simulación intensiva desde el punto de vista informático ayuda a optimizar el sistema de prueba en la vida real. Pongamos un ejemplo: Como ya se ha mencionado, el aerosol tiene que fluir a través de una línea desde la que se extienden varias ramas hacia abajo para dirigir las nanopartículas hacia los chips multiorgánicos, con unas condiciones en los puntos de muestreo lo más idénticas posibles. Sin embargo, las fuerzas de inercia de las nanopartículas son bajas, por lo que es menos probable que las partículas se salgan de la trayectoria del flujo desviado y lleguen a la superficie celular. La gravedad por sí sola no es suficiente en este caso. Los investigadores resuelven el problema aprovechando el fenómeno de la termoforesis. "Se trata de una fuerza en un fluido con un gradiente de temperatura que hace que las partículas migren hacia el lado más frío", explica el Dr. Carsten Brodbeck, director del proyecto en el Fraunhofer SCAI. "Al permitir que el aerosol fluya a través de la línea en un estado calentado, mientras las células se cultivan naturalmente a la temperatura del cuerpo, las nanopartículas se mueven hacia las células, lo que la simulación muestra claramente".

Los investigadores también utilizaron simulaciones para investigar cómo conseguir el mayor gradiente de temperatura posible sin dañar las células y cómo debería construirse el dispositivo correspondiente. También examinaron cómo afectarían las diferentes velocidades de flujo y las geometrías de las líneas de suministro a la captación. La distribución de la temperatura en el dispositivo de exposición se optimizó seleccionando diferentes materiales, realizando ajustes en la geometría de
y modificando el diseño de la refrigeración y el calentamiento. "Mediante las simulaciones, podemos cambiar rápida y fácilmente las condiciones de contorno y comprender los efectos de estos cambios. También podemos ver cosas que quedarían ocultas en los experimentos", explica Brodbeck.

Los problemas tecnológicos básicos están resueltos. Ahora se espera que el prototipo inicial del dispositivo de exposición NanoCube, que incluye un chip multiorgánico, esté listo en otoño, tras lo cual se llevarán a cabo los primeros experimentos con el sistema. Por el momento, los investigadores de Fraunhofer están utilizando partículas de referencia en lugar de aerosoles de impresoras, por ejemplo, nanopartículas de óxido de zinc o lo que se conoce como "negro de humo", es decir, el pigmento negro de la tinta de impresión. En las futuras aplicaciones prácticas, el sistema de medición se instalará allí donde se produzcan las nanopartículas, por ejemplo, junto a una impresora láser.

Innovador sistema de prueba de los efectos tóxicos

En el proyecto NanoINHAL se creará un innovador sistema de pruebas que podrá utilizarse para investigar los efectos tóxicos de las nanopartículas transportadas por el aire en las células del tracto respiratorio y los pulmones, así como en órganos posteriores como el hígado. Gracias a la combinación de dos sistemas de órganos en un sistema microfisiológico, también será posible estudiar la captación y distribución de las nanopartículas en el organismo. En el futuro, el sistema de ensayo proporcionará datos sobre los efectos a largo plazo de las nanopartículas inhaladas, así como su biocinética. Esto desempeñará un papel importante en la evaluación del peligro potencial para la salud que suponen dichas partículas.