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(Noticias de Nanowerk) ¿Qué sucede si inhalamos nanopartículas emitidas por una impresora láser, por ejemplo? ¿Pueden 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 de Nanocube, que se instaló en el laboratorio de la Universidad Técnica de Berlín (TU Berlin) y su spin-off «TissUse», reconoce las interacciones entre las nanopartículas y las células pulmonares, la absorción de las nanopartículas en el torrente sanguíneo y posibles efectos sobre el hígado.
Tener una impresora láser al lado de su lugar de trabajo es ciertamente muy conveniente. Sin embargo, existe el riesgo de que estas máquinas, como las impresoras 3D, emitan aerosoles durante su funcionamiento que contienen, entre otras cosas, nanopartículas, partículas que tienen un tamaño de entre uno y cien nanómetros. A modo de comparación: un cabello tiene un grosor de aproximadamente 60 000 a 80 000 nanómetros. Las nanopartículas también son producidas por vehículos de carretera, por ejemplo, debido a la abrasión de los neumáticos.
Sin embargo, hasta ahora se sabe poco sobre cómo estas partículas afectan al cuerpo humano cuando se inhalan hacia los pulmones. Hasta ahora, la única forma de estudiar esto era a través de la experimentación con animales. Además, tendrían que recogerse grandes cantidades de muestra del aerosol correspondiente con un gran coste.
Efecto biológico directamente medible
Investigadores del Instituto Fraunhofer de Toxicología y Medicina Experimental ITEM y el Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica SCAI están investigando los efectos de las nanopartículas en el cuerpo humano en el proyecto «NanoINHAL» junto con TU Berlin y su spin-off TissUse GmbH. El proyecto está financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF). «Podemos analizar el efecto biológico de los aerosoles directa y fácilmente usando métodos in vitro, y sin experimentos con animales», dice el Dr. Tanja Hansen, líder de grupo en Fraunhofer ITEM.
Esto es posible gracias a la combinación de dos tecnologías existentes: el chip de múltiples órganos Humimic Chip3 de TU Berlin y su spin-off TissUse y el PRIT® 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 se pueden colocar cultivos de tejidos miniaturizados 100.000 veces, a los que se suministran soluciones nutritivas mediante microbombas. Por ejemplo, las muestras de tejido de los pulmones y el hígado y su interacción con las nanopartículas se pueden simular artificialmente.
Cuatro de estos chips de múltiples órganos caben en el PRIT® ExpoCube®. Este es un dispositivo de exposición que se utiliza para estudiar in vitro sustancias transportadas por el aire, como aerosoles. Con un sofisticado sistema de microbombas, electrónica de calentamiento, líneas de aerosol y sensores, el ExpoCube® puede exponer las muestras de células en el chip multiorgánico a varios aerosoles o incluso a nanopartículas en la interfaz aire-líquido, como en el pulmón humano. controlable y reproducible.
Las nanopartículas fluyen a través de un microcanal, que tiene múltiples ramificaciones que conducen al aire directo y las nanopartículas a los cuatro chips multiorgánicos. «Si las células pulmonares se van a exponer en la interfaz aire-líquido, numerosos parámetros juegan un papel, como la temperatura, el flujo del medio de cultivo en el chip y el flujo del aerosol. Esto hace que los experimentos de este tipo sean muy complicados”, explica Hansen.
Actualmente, el sistema se está optimizando aún más. Al final del proyecto, la combinación del NanoCube y el chip de múltiples órganos permitirá realizar estudios detallados de aerosoles in vitro. Solo entonces se pueden investigar los efectos directos 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 se pueden dirigir los aerosoles, especialmente las nanopartículas, a las células pulmonares de tal manera que una cierta cantidad se deposite en la superficie celular? Aquí es donde entra en juego la experiencia de Fraunhofer SCAI: los investigadores examinaron estos y otros aspectos similares en una simulación. Al hacerlo, tuvieron que superar desafíos especiales: los modelos físicos y numéricos requeridos para una simulación detallada de nanopartículas son significativamente más complejos que para partículas con diámetros más grandes. Esto a su vez conduce a un aumento significativo en el tiempo de computación.
Pero el esfuerzo vale la pena, porque la simulación computacionalmente intensiva ayuda a optimizar el sistema de prueba real. Pongamos un ejemplo: como se mencionó anteriormente, el aerosol debe fluir a través de una tubería desde la cual descienden varias ramas para dirigir las nanopartículas a los chips multiórgano en los puntos de extracción en condiciones lo más idénticas posible. Sin embargo, las fuerzas de inercia de las nanopartículas son pequeñas, por lo que es menos probable que las partículas se muevan fuera de la ruta de flujo desviada y sobre 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.
«Es una fuerza en un líquido con un gradiente de temperatura que hace que las partículas migren hacia el lado más frío», explica el Dr. Carsten Brodbeck, director de proyectos de Fraunhofer SCAI. «Al permitir que el aerosol fluya a través del conducto en un estado calentado mientras las células se cultivan naturalmente a temperatura corporal, las nanopartículas se mueven hacia las células, lo que muestra claramente la simulación».
Los investigadores también utilizaron simulaciones para investigar cómo se puede lograr el gradiente de temperatura más alto posible sin dañar las células y cómo se debe construir el dispositivo correspondiente. También estudiaron cómo las diferentes tasas de flujo y geometrías umbilicales afectarían la absorción. La distribución de temperatura en el dispositivo de exposición se optimizó seleccionando diferentes materiales, ajustando la geometría y modificando el concepto de enfriamiento y calentamiento. “A través de simulaciones, podemos cambiar rápida y fácilmente las condiciones de contorno y comprender los efectos de estos cambios. También podemos ver cosas que permanecerían ocultas en los experimentos”, explica Brodbeck.
Los problemas tecnológicos básicos han sido resueltos. El primer prototipo del dispositivo de exposición NanoCube, incluido el chip de múltiples órganos, debería estar listo en otoño, después de lo cual deberían llevarse a cabo los primeros experimentos con el sistema. En lugar de los aerosoles de las impresoras, los investigadores de Fraunhofer están utilizando inicialmente partículas de referencia, como nanopartículas hechas de óxido de zinc o el llamado «negro de carbón», es decir, el pigmento negro en las tintas de impresión. En futuras aplicaciones prácticas, el sistema de medición debe instalarse donde se produzcan las nanopartículas, por ejemplo, junto a una impresora láser.
Sistema de prueba innovador para efectos tóxicos
En el proyecto NanoINHAL, se está creando un innovador sistema de prueba con el que se pueden examinar los efectos tóxicos de las nanopartículas transportadas por el aire en las células de las vías respiratorias y los pulmones y en los órganos posteriores, como el hígado. Al combinar dos sistemas de órganos en un sistema microfisiológico, también será posible investigar la captación y distribución de nanopartículas en el organismo. En el futuro, el sistema de prueba proporcionará datos sobre los efectos a largo plazo de las nanopartículas inhaladas y su biocinética. Esto jugará un papel importante en la evaluación del riesgo para la salud que plantean tales partículas.
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