Une puce multi-organes détecte les nanoparticules dangereuses
Système de test innovant pour les effets toxiques : Les simulations permettent d'optimiser le développement
Que se passe-t-il lorsque nous respirons des nanoparticules émises par une imprimante laser, par exemple ? Ces nanoparticules peuvent-elles endommager les voies respiratoires, voire d'autres organes ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs de Fraunhofer développent le dispositif d'exposition "NanoCube". La puce multi-organe intégrée du Nanocube, installée dans le laboratoire de l'Université technique de Berlin (TU Berlin) et par son organisation spin-off "TissUse", détecte l'interaction entre les nanoparticules et les cellules pulmonaires, l'absorption des nanoparticules dans la circulation sanguine et les effets possibles sur le foie.
Grille de calcul pour la simulation thermique avec une représentation agrandie du dispositif d'exposition NanoCube. Les sections de l'aérosol sont en jaune, les autres sections sont soit des composants, soit des sections d'air.
© Fraunhofer SCAI
Avoir une imprimante laser juste à côté de son poste de travail est certainement très pratique. Cela dit, il existe un risque que ces machines, tout comme les imprimantes 3D, émettent pendant leur fonctionnement des aérosols contenant notamment des nanoparticules - des particules dont la taille est comprise entre un et cent nanomètres. À titre de comparaison, un cheveu a une épaisseur d'environ 60 000 à 80 000 nanomètres. Les nanoparticules sont également produites par le passage des véhicules routiers, par exemple par l'abrasion des pneus. Cependant, on sait encore peu de choses sur la façon dont ces particules affectent le corps humain lorsqu'elles sont inhalées dans les poumons. Jusqu'à présent, la seule façon de l'étudier était de procéder à des tests sur des animaux. De plus, de grandes quantités d'échantillons de l'aérosol concerné devaient être collectées à grands frais.
Un impact biologique directement mesurable
Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer de toxicologie et de médecine expérimentale ITEM et de l'Institut Fraunhofer d'algorithmes et de calcul scientifique SCAI collaborent avec la TU Berlin et son organisation dérivée TissUse GmbH dans le cadre du projet "NanoINHAL" afin d'étudier l'impact des nanoparticules sur le corps humain. Le projet est financé par le ministère fédéral allemand de l'éducation et de la recherche (BMBF). "Nous sommes en mesure d'analyser l'impact biologique des aérosols directement et facilement en utilisant des méthodes in vitro, sans avoir recours à l'expérimentation animale", explique le Dr Tanja Hansen, chef de groupe au Fraunhofer ITEM.
La combinaison de deux technologies existantes a rendu cela possible : La puce multi-organes Humimic Chip3 de l'Université technique de Berlin et son organisation dérivée TissUse, et le P.R.I.T.® ExpoCube®, développé par Fraunhofer ITEM. La Humimic Chip3 est une puce de la taille d'une lame de laboratoire standard mesurant 76 x 26 mm. Des cultures de tissus miniaturisées au centuple peuvent y être placées, les solutions nutritives étant fournies aux cultures de tissus par des micropompes. De cette manière, il est possible de recréer artificiellement des échantillons de tissus du poumon et du foie et leur interaction avec les nanoparticules.
Quatre de ces puces multi-organes s'insèrent dans le P.R.I.T.® ExpoCube®. Il s'agit d'un dispositif d'exposition utilisé pour étudier in vitro des substances en suspension dans l'air comme les aérosols. Grâce à un système sophistiqué de micropompes, d'électronique de chauffage, de lignes d'aérosols et de capteurs, l'ExpoCube® est capable d'exposer les échantillons de cellules sur la puce multi-organes à divers aérosols ou même à des nanoparticules à l'interface air-liquide - comme dans le poumon humain - de manière contrôlable et reproductible.
Les nanoparticules s'écoulent dans un microconduit, à partir duquel plusieurs branches descendent pour conduire l'air et les nanoparticules vers les quatre puces multi-organes. "Si l'on veut exposer des cellules pulmonaires à l'interface air-liquide, de nombreux paramètres entrent en jeu, comme la température, le flux du milieu de culture dans la puce et le flux d'aérosols. Cela rend les expériences de ce type très compliquées", explique M. Hansen.
Le système fait actuellement l'objet d'une optimisation supplémentaire. À la fin du projet, la combinaison du NanoCube et de la puce multi-organes facilitera les études détaillées des aérosols in vitro. Ce n'est qu'alors qu'il sera possible d'étudier l'impact direct des nanoparticules potentiellement nocives sur les voies respiratoires et, parallèlement, les effets possibles sur d'autres organes, comme le foie.
Les simulations permettent d'optimiser le développement
Mais comment diriger les aérosols, en particulier les nanoparticules, vers les cellules pulmonaires de manière à ce qu'une quantité déterminée soit déposée à la surface des cellules ? C'est là qu'intervient l'expertise du Fraunhofer SCAI : Les chercheurs ont étudié ce point et d'autres aspects similaires dans une simulation. Pour ce faire, ils ont dû relever des défis particuliers : Par exemple, les modèles physiques et numériques requis pour une simulation détaillée des nanoparticules sont nettement plus complexes que pour les particules de plus grand diamètre. Cela entraîne une augmentation significative du temps de calcul.
Mais ce temps et ces efforts en valent la peine, car la simulation à forte intensité de calcul permet d'optimiser le système d'essai réel. Prenons un exemple : Comme mentionné ci-dessus, l'aérosol doit s'écouler à travers une ligne à partir de laquelle plusieurs branches s'étendent vers le bas pour diriger les nanoparticules sur les puces multi-organes, avec des conditions aux points d'échantillonnage aussi identiques que possible. Cependant, les forces d'inertie des nanoparticules sont faibles, de sorte que les particules seraient moins susceptibles de sortir de la voie d'écoulement déviée et d'atteindre la surface des cellules. La gravité seule ne suffit pas dans ce cas. Les chercheurs résolvent le problème en exploitant le phénomène de la thermophorèse. "Il s'agit d'une force dans un fluide avec un gradient de température qui fait migrer les particules vers le côté le plus froid", explique le Dr Carsten Brodbeck, chef de projet au Fraunhofer SCAI. "En laissant l'aérosol circuler dans la ligne à l'état chauffé, alors que les cellules sont cultivées naturellement à la température du corps, les nanoparticules se déplacent vers les cellules, ce que la simulation montre clairement."
Les chercheurs ont également utilisé des simulations pour étudier comment obtenir le gradient de température le plus élevé possible sans endommager les cellules et comment le dispositif correspondant devrait être construit. Ils ont également examiné comment différentes vitesses d'écoulement et géométries de conduites d'alimentation affecteraient l'absorption. La distribution de la température dans le dispositif d'exposition a été optimisée en sélectionnant différents matériaux, en procédant à des ajustements de la géométrie de
et en modifiant la conception du refroidissement et du chauffage. "Grâce aux simulations, nous pouvons rapidement et facilement modifier les conditions limites et comprendre les effets de ces changements. Nous pouvons également voir des choses qui resteraient cachées dans les expériences", explique M. Brodbeck.
Les problèmes technologiques de base ont été résolus. Désormais, le prototype initial du dispositif d'exposition NanoCube, comprenant une puce multi-organes, devrait être prêt à l'automne, après quoi les premières expériences avec le système seront réalisées. Pour l'instant, les chercheurs de Fraunhofer utilisent des particules de référence au lieu des aérosols des imprimantes, par exemple des nanoparticules d'oxyde de zinc ou ce que l'on appelle le "noir de carbone", c'est-à-dire le pigment noir de l'encre d'imprimerie. Dans les futures applications pratiques, le système de mesure doit être installé là où les nanoparticules sont produites, par exemple à côté d'une imprimante laser.
Un système de test innovant pour les effets toxiques
Le projet NanoINHAL prévoit la création d'un système d'essai innovant pouvant être utilisé pour étudier les effets toxiques des nanoparticules en suspension dans l'air sur les cellules des voies respiratoires et des poumons, ainsi que sur les organes en aval tels que le foie. Grâce à la combinaison de deux systèmes d'organes dans un système microphysiologique, il sera également possible d'étudier l'absorption et la distribution des nanoparticules dans l'organisme. À l'avenir, le système d'essai fournira des données sur les effets à long terme des nanoparticules inhalées ainsi que sur leur biocinétique. Cela jouera un rôle majeur dans l'évaluation du danger potentiel que représentent ces particules pour la santé.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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