Que se passe-t-il lorsque nous respirons des nanoparticules émises par une imprimante laser, par exemple ? Ces nanoparticules pourraient-elles endommager les voies respiratoires ou peut-être même d’autres organes ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs de Fraunhofer développent le dispositif d’exposition « NanoCube ». La puce multi-organes intégrée du Nanocube mise en place dans le laboratoire de l’Université technique de Berlin (TU Berlin) et par son organisation dérivée « 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.
Avoir une imprimante laser juste à côté de son poste de travail est certainement très pratique. Cela dit, il y a un risque que ces machines, tout comme les imprimantes 3D, émettent des aérosols pendant leur fonctionnement qui contiennent, entre autres, des nanoparticules – des particules dont la taille est comprise entre un et cent nanomètres. En 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 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 d’étudier cela aurait été l’expérimentation animale. De plus, de grandes quantités d’échantillons de l’aérosol concerné devraient être collectées à grands frais.
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 TU Berlin et son organisation dérivée TissUse GmbH sur le projet « NanoINHAL » pour 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 – et sans tests sur les animaux. »
Dr Tanja Hansen, responsable de groupe chez Fraunhofer ITEM
La combinaison de deux technologies existantes a rendu cela possible : la puce multi-organes Humimic Chip3 de TU Berlin et son organisation dérivée TissUse, et le PRIT® ExpoCube®, développé par Fraunhofer ITEM. L’Humimic Chip3 est une puce de la taille d’une lame de laboratoire standard mesurant 76 x 26 mm. Des cultures tissulaires miniaturisées 100 000 fois peuvent y être placées, avec des solutions nutritives fournies aux cultures tissulaires par des micropompes. De cette façon, par exemple, des échantillons de tissus du poumon et du foie et leur interaction avec les nanoparticules peuvent être recréés artificiellement.
Quatre de ces puces multi-organes s’intègrent dans le PRIT® ExpoCube®. Il s’agit d’un appareil d’exposition utilisé pour étudier les substances en suspension dans l’air telles que les aérosols in vitro. Utilisant un système sophistiqué de micropompes, d’électronique de chauffage, de lignes d’aérosol 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 circulent dans un microconduit, à partir duquel plusieurs branches descendent pour conduire l’air et les nanoparticules vers les quatre puces multi-organes. « Si des cellules pulmonaires doivent être exposées à l’interface air-liquide, de nombreux paramètres entrent en jeu, tels que la température, le débit du milieu de culture dans la puce et le débit d’aérosol. Cela rend les expériences de ce type très compliquées. » Hansen explique.
Le système est actuellement en cours d’optimisation. Au terme 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, en même temps, les effets possibles sur d’autres organes, tels que le foie.
Les simulations aident à optimiser le développement
Mais comment diriger les aérosols, en particulier les nanoparticules, vers les cellules pulmonaires de manière à ce qu’une quantité déterminée se dépose à la surface des cellules ? C’est là qu’intervient l’expertise de Fraunhofer SCAI : les chercheurs ont étudié ce point et des aspects similaires dans une simulation. Ils ont dû surmonter des défis particuliers dans le processus : 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. Ceci, à son tour, entraîne une augmentation significative du temps de calcul.
Mais le temps et les efforts en valent la peine, car la simulation à forte intensité de calcul aide à optimiser le système de test réel. Prenons un exemple : Comme évoqué plus haut, l’aérosol doit s’écouler par une ligne dont plusieurs branches se prolongent vers le bas pour diriger les nanoparticules sur les puces multi-organes, avec des conditions aux points de prélèvement aussi identiques que possible. Les forces d’inertie des nanoparticules sont cependant faibles, de sorte que les particules seraient moins susceptibles de se déplacer hors du chemin d’écoulement dévié et sur la surface de la cellule. La gravité seule ne suffit pas dans ce cas. Les chercheurs résolvent le problème en exploitant le phénomène de thermophorèse. « Cela concerne 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 chez Fraunhofer SCAI. « En permettant à l’aérosol de circuler à travers la ligne dans un 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 répartition de la température dans le dispositif d’exposition a été optimisée en sélectionnant différents matériaux, en ajustant la géométrie et en modifiant la conception du refroidissement et du chauffage.
« À l’aide de simulations, nous pouvons modifier rapidement et facilement les conditions aux limites et comprendre les effets de ces changements. Nous pouvons également voir des choses qui resteraient cachées dans les expériences », explique 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 à la place des aérosols des imprimantes, par exemple des nanoparticules d’oxyde de zinc ou ce qu’on appelle le « noir de carbone », c’est-à-dire le pigment noir des encres 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.
Système de test innovant pour les effets toxiques
Le projet NanoINHAL verra la création d’un système de test 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 de test 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 pour la santé posé par ces particules.