Projekt NanoINHAL

Was geschieht, wenn wir Nanoteilchen einatmen, die beispielsweise ein Laserdrucker ausstößt? Können diese die Atemwege oder vielleicht sogar andere Organe schädigen? Um solche Fragen zu beantworten, entwickeln Fraunhofer-Forschende das Expositionsgerät »NanoCube«. Dessen integrierter Multiorgan-Chip aus dem Labor der TU Berlin und ihrer Ausgründung TissUse detektiert die Interaktion der Nanopartikel mit Lungenzellen sowie die Aufnahme in den Blutkreislauf und mögliche Effekte auf die Leber. 

Simulationen helfen bei der Entwicklung

Aber wie lassen sich Aerosole, insbesondere die Nanopartikel, so auf die Lungenzellen leiten, dass eine definierte Menge auf der Zelloberfläche deponiert wird? Hier kommt die Expertise des Fraunhofer SCAI ins Spiel: Die Forscherinnen und Forscher haben diese und ähnliche Aspekte in einer Simulation untersucht. Dabei mussten sie besondere Herausforderungen überwinden: So sind beispielweise die für eine detaillierte Simulation von Nanopartikeln nötigen physikalischen und numerischen Modelle deutlich komplexer als für Teilchen mit größerem Durchmesser. Das wiederum bedingt einen deutlichen Anstieg der Rechenzeiten.

Doch der Aufwand lohnt sich, denn die rechenintensive Simulation hilft bei der Optimierung des realen Testsystems. Ein Beispiel: Das Aerosol muss wie oben erwähnt durch eine Leitung strömen, von der mehrere Abzweigungen nach unten ragen, um die Nanoteilchen auf die Multiorgan-Chips zu leiten – mit möglichst identischen Bedingungen an den Abnahmestellen. Doch die Trägheitskräfte der Nanopartikel sind gering, die Partikel würden also schlechter aus der umgelenkten Strömungsführung auf die Zelloberfläche bewegt. Die Schwerkraft allein reicht hier nicht aus. Die Forschenden lösen das Problem, indem sie sich das Phänomen der Thermophorese zunutze machen. »Dabei handelt es sich um eine Kraft in einem Fluid mit Temperaturgefälle, die die Partikel zur kühleren Seite wandern lässt.«, erklärt Dr. Carsten Brodbeck, Projektleiter am Fraunhofer SCAI. »Indem wir das Aerosol aufgeheizt durch die Leitung strömen lassen, während die Zellen naturgemäß bei Körpertemperatur kultiviert werden, bewegen sich die Nanoteilchen in Richtung der Zellen, das zeigt die Simulation deutlich.«

Wie man dabei ein möglichst hohes Temperaturgefälle erzielt, ohne den Zellen zu schaden, und wie das entsprechende Gerät dafür aufgebaut sein muss, untersuchten die Forschenden ebenfalls via Simulation. Dazu gehört auch, wie sich verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten und Geometrien der Zuleitungen auf die Aufnahme auswirken. Auch die Temperaturverteilung im Expositionsgerät wurde durch die Auswahl verschiedener Materialien, Anpassungen der Geometrie und Modifikationen des Kühl- und Heizdesigns optimiert. »Über Simulationen können wir die Randbedingungen schnell und einfach ändern und die Auswirkungen dieser Änderungen verstehen – zudem sehen wir Dinge, die im Experiment verborgen bleiben würden«, erläutert Brodbeck.

Die grundlegenden technologischen Probleme sind gelöst. Nun soll bereits im Herbst ein erster Prototyp des Expositionsgeräts NanoCube samt Multiorgan-Chip fertig sein, anschließend folgen die ersten Experimente mit dem System. Statt Aerosolen aus Druckern nutzen die Fraunhofer-Forschenden dafür zunächst Referenzpartikel, unter anderem Nanopartikel aus Zinkoxid oder sogenanntes »Carbon Black«, also Druckerschwärze. In künftigen Praxisanwendungen soll das Messsystem direkt da aufgestellt werden, wo die Nanopartikel erzeugt werden, also etwa neben dem Laserdrucker.

Innovatives Testsystem für toxische Wirkungen

Damit entsteht im Rahmen des Projekts NanoINHAL ein innovatives Testsystem, das die Untersuchung der toxischen Wirkungen von luftgetragenen Nanopartikeln auf Zellen der Atemwege und der Lunge, aber auch auf nachfolgende Organe wie etwa die Leber ermöglicht. Durch die Kombination der beiden Organsysteme in einem mikrophysiologischen System kann auch die Aufnahme und Verteilung der Nanopartikel im Organismus untersucht werden. Zukünftig wird das Testsystem Daten zur Langzeitwirkung von inhalierten Nanopartikeln sowie zu deren Biokinetik liefern. Das ist ein wichtiger Beitrag zur Bewertung der gesundheitlichen Gefahr, die von diesen Partikeln möglicherweise ausgeht.