Development of a skin-on-a-chip device for toxicological evaluation of nanomaterials

Abstract

A pele é o maior órgão do corpo humano e está constantemente exposta a partículas nanométricas provenientes de poluentes ambientais (partículas ultrafinas) bem como cosméticos (protetores solares contendo nanopartículas de dióxido de titânio). Estas ocorrências resultam em várias reações com consequências adversas significativas para a saúde, como envelhecimento precoce da pele, alergias, pigmentação excessiva, agravamento dos quadros de psoríase e em último caso cancro da pele. Atualmente, não há diretrizes da OCDE ou ISO para avaliar a nanotoxicidade in-vitro, nem revisões das diretrizes de toxicocinética para avaliar o impacto desses nanomateriais na pele ou o seu potencial para provocar danos permanentes. Modelos animais são amplamente utilizados para a compreensão das condições de saúde e das doenças da pele humana, bem como na fase pré-clínica para determinar o mecanismo de ação de cosméticos. No entanto, os modelos animais geralmente não são concisos e não conseguem prever a resposta humana devido a diferenças na anatomia, fisiologia e imunidade da pele, para além de desencadear várias preocupações éticas. Novos modelos capazes de replicar a fisiologia de órgãos bem como a resposta sistémica do corpo humano à exposição de nanomateriais são essenciais. A tecnologia organ-on-a-chip apesar de estar repleta de desafios biológicos e de engenharia tem o potencial de revolucionar a avaliação de risco de nanomateriais de próxima geração. Assim, estimar a toxicidade na pele humana de nanomateriais manufaturados, bem como acidentais, em sistemas baseados em microfluídica, torna-se urgente e necessário. O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver e otimizar um sistema biomimético da epiderme com perfusão dinâmica e com uma arquitetura modular que permita a avaliação da toxicidade de nanomateriais. Nanopartículas de dióxido de titânio previamente caracterizadas foram introduzidas no dispositivo microfluídico e a sua toxicidade avaliada.

The skin is the largest organ in the human body and is constantly exposed to airborne nano-sized and ultrafine particles from environmental pollutants and cosmetics containing nanomaterials, such as sun protectors containing titanium dioxide nanoparticles. This results in several reactions that have significant adverse health consequences, such as early skin aging, allergies, pigmentation, worsening of psoriasis, and ultimately skin cancer. Currently, there are no OECD or ISO guidelines for assessing in-vitro nanotoxicity, or revisions to toxicokinetics guidelines for evaluating the impact of these nanomaterials on the skin, or their potential to cause permanent harm. Animal models are widely used in basic research for understanding the health and disease conditions of human skin, as well as in the preclinical stage to determine the mechanism of action of drugs and cosmetics. However, animal models often poorly predict the human response due to differences in skin anatomy, physiology, and immunity as well as involving ethical concerns. New models capable of replicating human physiology and interactions with systemic responses of the human body are essential. Organ-on-a-chip technology is filled with engineering and biological challenges, but it has the potential to revolutionize the next-generation risk assessment of nanomaterials. Taking that into consideration, estimating the skin human toxicity effect of engineered, as well as accidental nanomaterials, in microfluidic-based systems, becomes an urgent and much-needed task. The main aim of this work was to develop and optimize a biomimetic epidermis-on-a-chip system with dynamic perfusion and a modular architecture to allow the assessment of the toxicity of nanomaterials. Titanium dioxide nanoparticles well-characterized were introduced into the microfluidic device, and their effect on epidermis toxicity was assessed.