¿Qué ocurre cuando inhalamos nanopartículas emitidas por una impresora láser, por ejemplo? ¿Pueden dañar las vías respiratorias o incluso otros órganos? Para responder a estas preguntas, los investigadores del Instituto Fraunhofer están desarrollando el dispositivo de exposición "NanoCube".
El chip multiorgánico integrado en el NanoCube del laboratorio de la Universidad Técnica de Berlín y su spin-off TissUse detecta la interacción de las nanopartículas con las células pulmonares, así como su absorción en el torrente sanguíneo y sus posibles efectos en el hígado.
Una impresora láser junto al puesto de trabajo es algo práctico. Sin embargo, al igual que las impresoras 3D, los dispositivos pueden emitir aerosoles durante su funcionamiento que contengan nanopartículas, es decir, partículas de entre uno y cien nanómetros de tamaño. A modo de comparación: un cabello tiene entre 60.000 y 80.000 nanómetros de grosor. Las nanopartículas también se producen en el tráfico rodado, por ejemplo por la abrasión de los neumáticos. Hasta ahora, sin embargo, poco se sabe sobre cómo afectan estas partículas al cuerpo humano cuando se inhalan a través de los pulmones. La única forma de investigarlo sería mediante ensayos con animales. Además, habría que recoger grandes cantidades de muestras del aerosol correspondiente, lo que supondría un gran gasto.
Investigadores del Instituto Fraunhofer de Toxicología y Medicina Experimental ITEM y del Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica SCAI, con la participación de TU Berlín y su spin-off TissUse GmbH, trabajan en el proyecto "NanoINHAL", financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), para investigar los efectos de las nanopartículas en el cuerpo humano. El efecto biológico de los aerosoles se determina de forma directa y sencilla mediante métodos in vitro, sin ensayos con animales. Esto es posible gracias a la combinación de dos tecnologías ya existentes: El chip multiorgánico Humimic Chip3 de TU Berlín y su spin-off TissUse y el P.R.I.T. ExpoCube, un desarrollo de Fraunhofer ITEM. El Humimic Chip3 es un chip del tamaño de un portaobjetos de laboratorio estándar de 76 x 26 mm. En él pueden colocarse cultivos de tejidos miniaturizados 100.000 veces, con soluciones nutritivas que suministran a los cultivos de tejidos a través de microbombas. De este modo se pueden simular artificialmente, por ejemplo, muestras de tejidos pulmonares o hepáticos y su interacción con nanopartículas.
Cuatro de estos chips multiorgánicos caben en el P.R.I.T. ExpoCube. Se trata de un dispositivo de exposición para analizar sustancias transportadas por el aire, como los aerosoles, mediante métodos in vitro. Mediante un sofisticado sistema de microbombas, electrónica de calentamiento, líneas de aerosoles y sensores, el ExpoCube es capaz de exponer las muestras celulares del chip multiorgánico en la interfase aire-líquido a diversos aerosoles o nanopartículas -igual que ocurre en el ojo humano- de forma controlable y reproducible.
Cuadrícula de cálculo para la simulación térmica con una representación ampliada del dispositivo de exposición NanoCube. En amarillo están las zonas de aerosoles, las demás zonas son componentes o zonas de aire (Foto: Fraunhofer SCAI)
Una instantánea de la simulación muestra la distribución de la temperatura en el NanoCube con los chips multiorgánicos en su interior. El análisis de la distribución de la temperatura ayuda a optimizar la estructura del NanoCube (Foto: Fraunhofer SCAI)Las nanopartículas fluyen a través de un microtubo, del que parten varios ramales que dirigen el aire y las nanopartículas hacia los cuatro chips multiorgánicos. Para que las células pulmonares queden expuestas en la interfaz aire-líquido, intervienen numerosos parámetros, por ejemplo la temperatura, el flujo del medio de cultivo en el chip, pero también el flujo de aerosoles. Eso es lo que lo hace tan complicado. Al final del proyecto, el NanoCube y el chip multiorgánico permitirán realizar análisis detallados de los aerosoles in vitro. Entonces será posible investigar por primera vez los efectos directos de las nanopartículas potencialmente nocivas en las vías respiratorias y, al mismo tiempo, los posibles efectos en otros órganos, como el hígado.
Pero, ¿cómo pueden dirigirse los aerosoles, especialmente las nanopartículas, hacia las células pulmonares de forma que se deposite una cantidad definida en la superficie celular? Los investigadores investigaron estos y otros aspectos similares en una simulación. Para ello, tuvieron que superar retos particulares: Por ejemplo, los modelos físicos y numéricos necesarios para una simulación detallada de nanopartículas son bastante más complejos que para partículas de mayor diámetro. Esto, a su vez, conlleva un aumento significativo de los tiempos de cálculo. La simulación intensiva desde el punto de vista computacional ayuda a optimizar el sistema de prueba real. Un ejemplo: como ya se ha mencionado, el aerosol debe fluir a través de un tubo del que salen varias ramas hacia abajo para guiar las nanopartículas hasta los chips multiorgánicos, con unas condiciones en los puntos de recogida lo más idénticas posible. Sin embargo, las fuerzas de inercia de las nanopartículas son bajas, por lo que sería más difícil mover las partículas desde el flujo desviado hasta la superficie celular. La gravedad por sí sola no basta en este caso. Los investigadores resolvieron el problema utilizando 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. Las simulaciones lo demuestran: Cuando el aerosol se calienta y fluye por el tubo, mientras las células se cultivan de forma natural a temperatura corporal, las nanopartículas se mueven en dirección a las células.
Los investigadores también utilizaron la simulación para investigar cómo conseguir el mayor gradiente de temperatura posible sin dañar las células y cómo debe diseñarse el dispositivo correspondiente para ello. Esto incluye también cómo afectan a la captación las diferentes velocidades de flujo y geometrías de las líneas de suministro. También se optimizó la distribución de la temperatura en el dispositivo de exposición seleccionando distintos materiales, ajustando la geometría y modificando el diseño de refrigeración y calentamiento. El primer prototipo del dispositivo de exposición NanoCube, que incluye el chip multiorgánico, debería estar listo en otoño, tras lo cual se llevarán a cabo los primeros experimentos con el sistema. En lugar de aerosoles de impresoras, los investigadores del Instituto Fraunhofer están utilizando inicialmente partículas de referencia, como nanopartículas de óxido de zinc o el llamado "negro de humo", es decir, tinta de impresora. En futuras aplicaciones prácticas, el sistema de medición se instalará directamente en el lugar donde se producen las nanopartículas, por ejemplo, junto a la impresora láser.
En el marco del proyecto NanoINHAL, se está creando un innovador sistema de ensayo que permitirá investigar los efectos tóxicos de las nanopartículas transportadas por el aire en las células de las vías respiratorias y los pulmones, así como en órganos posteriores como el hígado. Al combinar los dos sistemas de órganos en un sistema microfisiológico, también se podrá investigar la absorción 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 y su biocinética. Se trata de una importante contribución a la evaluación de los riesgos potenciales para la salud que plantean estas partículas.
Fuente: Fraunhofer ITEM
