Orgel auf einem Chip - Organ-on-a-chip

Eine Organ-on-a-Chip ( OOC ) ist ein Multi-Kanal - 3-D mikrofluidischen Zellkultur - Chip , der die Aktivitäten, Mechanik und physiologische Reaktion der gesamten simuliert Organe und Organsysteme , eine Art künstlichen Organs . Sie ist Gegenstand bedeutender biomedizintechnischer Forschung, genauer gesagt in Bio-MEMS . Die Konvergenz von Labs-on-Chips (LOCs) und Zellbiologie hat das Studium der menschlichen Physiologie in einem organspezifischen Kontext ermöglicht und ein neuartiges Modell von in vitro mehrzelligen menschlichen Organismen eingeführt. Eines Tages werden sie vielleicht die Notwendigkeit von Tieren in der Arzneimittelentwicklung und bei Toxintests abschaffen.

Obwohl mehrere Publikationen behaupten, Organfunktionen auf diese Schnittstelle übersetzt zu haben, steckt der Trend zu dieser mikrofluidischen Anwendung noch in den Kinderschuhen. Organs-on-Chips unterscheiden sich in Design und Herangehensweise zwischen verschiedenen Forschern. Daher wird die Validierung und Optimierung dieser Systeme wahrscheinlich ein langer Prozess sein. Organe, die durch mikrofluidische Geräte simuliert wurden, umfassen Gehirn , Lunge , Herz , Niere , Leber , Prostata , Gefäße ( Arterie ), Haut , Knochen , Knorpel und mehr.

Dennoch erfordert der Bau gültiger künstlicher Organe nicht nur eine präzise zelluläre Manipulation, sondern ein detailliertes Verständnis der grundlegenden komplexen Reaktion des menschlichen Körpers auf jedes Ereignis. Ein häufiges Problem bei Organ-on-Chips besteht in der Isolierung von Organen während des Tests. Der Körper ist ein komplexes Netzwerk physiologischer Prozesse, was es schwierig macht, ein einzelnes Organ zu simulieren. Mikrofabrikation , Mikroelektronik und Mikrofluidik bieten die Aussicht, anspruchsvolle physiologische In-vitro-Reaktionen unter genau simulierten Bedingungen zu modellieren.

Lab-on-Chip

Ein Lab-on-a-Chip ist ein Gerät, das eine oder mehrere Laborfunktionen auf einem einzigen Chip integriert und sich mit der Handhabung von Partikeln in hohlen Mikrofluidikkanälen befasst. Es wird seit über einem Jahrzehnt entwickelt. Zu den Vorteilen bei der Handhabung von Partikeln in einem so kleinen Maßstab gehören die Verringerung des Flüssigkeitsvolumenverbrauchs (geringere Reagenzienkosten, weniger Abfall), die Erhöhung der Tragbarkeit der Geräte, die Verbesserung der Prozesskontrolle (aufgrund schnellerer thermochemischer Reaktionen) und die Verringerung der Herstellungskosten. Außerdem ist die mikrofluidische Strömung vollständig laminar (dh keine Turbulenz ). Folglich findet praktisch keine Vermischung zwischen benachbarten Strömen in einem Hohlkanal statt. In der Zellbiologie Konvergenz Diese seltenen Eigenschaft in Flüssigkeiten wurde zum besseren Untersuchung komplexer Zellverhalten genutzt, wie Zellbeweglichkeit in Reaktion auf chemotaktische Reize , Stängel Zelldifferenzierung , Axon Führung , subzellulären Ausbreitung von biochemischem Signal und die Embryonalentwicklung .

Übergang von 3D-Zellkulturmodellen zu OOCs

3D-Zellkulturmodelle übertreffen 2D-Kultursysteme, indem sie ein höheres Maß an Zelldifferenzierung und Gewebeorganisation fördern . 3D-Kultursysteme sind erfolgreicher, weil die Flexibilität der ECM- Gele Formänderungen und Zell-Zell-Verbindungen ausgleicht – was früher durch starre 2D-Kultursubstrate verboten war. Doch selbst die besten 3D - Kulturmodelle nicht zu imitieren eine zellulären Eigenschaft der Orgel in vielen Aspekten, einschließlich Gewebe zu Gewebe - Grenzflächen (zB Epithel und vaskuläre Endothel ), Raum - Zeit - Verläufe von Chemikalien und die mechanisch aktiven Mikroumgebungen (zB Arterien Vasokonstriktion und gefäßerweiternde Reaktionen auf Temperaturunterschiede). Die Anwendung von Mikrofluidik in Organs-on-Chips ermöglicht den effizienten Transport und die Verteilung von Nährstoffen und anderen löslichen Hinweisen durch die lebensfähigen 3D-Gewebekonstrukte. Organs-on-Chips werden als die nächste Welle von 3D-Zellkulturmodellen bezeichnet, die die biologischen Aktivitäten, dynamisch-mechanischen Eigenschaften und biochemischen Funktionen ganzer lebender Organe nachahmen.

Organe

Brain-on-a-Chip

Brain-on-a-Chip-Geräte schaffen eine Schnittstelle zwischen Neurowissenschaften und Mikrofluidik, indem sie: 1) die Lebensfähigkeit der Kultur verbessern; 2) Unterstützung des Hochdurchsatz-Screenings ; 3) Modellieren von Physiologie und Krankheit auf Organebene in vitro /ex vivo und 4) Hinzufügen von hoher Präzision und Abstimmbarkeit von Mikrofluidikgeräten. Brain-on-a-Chip-Geräte umfassen mehrere Komplexitätsebenen in Bezug auf die Zellkulturmethodik. Geräte wurden unter Verwendung von Plattformen hergestellt, die von der traditionellen 2D- Zellkultur bis hin zu 3D-Geweben in Form von organotypischen Hirnschnitten reichen .

Übersicht über organotypische Hirnschnitte

Organotypische Hirnschnitte sind ein In-vitro- Modell, das die In-vivo- Physiologie mit zusätzlichem Durchsatz und optischen Vorteilen repliziert und sich somit gut mit mikrofluidischen Geräten kombinieren lässt. Hirnschnitte haben Vorteile gegenüber der primären Zellkultur, da die Gewebearchitektur erhalten bleibt und immer noch multizelluläre Wechselwirkungen auftreten können. Ihre Verwendung ist flexibel, da die Scheiben akut (weniger als 6 Stunden nach der Scheibenernte) verwendet oder für eine spätere experimentelle Verwendung kultiviert werden können. Da organotypische Hirnschnitte die Lebensfähigkeit über Wochen aufrechterhalten können, ermöglichen sie die Untersuchung von Langzeitwirkungen. Slice-basierte Systeme bieten auch einen experimentellen Zugang mit präziser Kontrolle extrazellulärer Umgebungen, was sie zu einer geeigneten Plattform für die Korrelation von Krankheiten mit neuropathologischen Ergebnissen macht. Da aus einem einzelnen Gehirn etwa 10 bis 20 Schnitte entnommen werden können, ist die Verwendung bei Tieren im Vergleich zu in-vivo- Studien deutlich reduziert . Organotypische Hirnschnitte können von mehreren Tierarten (zB Ratten), aber auch vom Menschen extrahiert und kultiviert werden.

Anwendungen

Mikrofluidische Geräte wurden mit organotypischen Schnitten gepaart, um die Lebensfähigkeit der Kultur zu verbessern. Das Standardverfahren zur Kultivierung von organotypischen Hirnschnitten (etwa 300 Mikrometer Dicke) verwendet halbporöse Membranen, um eine Luft-Medium-Grenzfläche zu erzeugen, aber diese Technik führt zu Diffusionsbeschränkungen von Nährstoffen und gelösten Gasen. Da mikrofluidische Systeme einen laminaren Fluss dieser notwendigen Nährstoffe und Gase einführen , wird der Transport verbessert und eine höhere Lebensfähigkeit des Gewebes erreicht. Brain-on-a-Chip-Plattformen haben nicht nur die Lebensfähigkeit von Standardschnitten erhalten, sondern auch die erfolgreiche Kultivierung dickerer Gehirnschnitte (ca. 700 Mikrometer) trotz einer erheblichen Transportbarriere aufgrund der Dicke ermöglicht. Da dickere Schnitte eine nativere Gewebearchitektur beibehalten, können Brain-on-a-Chip-Geräte mehr „ in-vivo- ähnliche“ Eigenschaften erreichen, ohne die Lebensfähigkeit der Zellen zu beeinträchtigen. Mikrofluidische Geräte unterstützen Hochdurchsatz-Screening und toxikologische Bewertungen sowohl in 2D- als auch in Schnittkulturen, was zur Entwicklung neuartiger Therapeutika für das Gehirn führt. Ein Gerät war in der Lage, die Medikamente Pitavastatin und Irinotecan kombinatorisch bei Glioblastoma multiform (der häufigsten Form von Hirntumor beim Menschen) zu screenen . Diese Screening-Ansätze wurden mit der Modellierung der Blut-Hirn-Schranke (BBB) kombiniert , einer erheblichen Hürde, die Medikamente bei der Behandlung des Gehirns überwinden müssen, sodass die Wirksamkeit von Medikamenten über diese Barriere hinweg in vitro untersucht werden kann . Mikrofluidische Sonden wurden verwendet, um Farbstoffe mit hoher regionaler Präzision zu liefern, was einer lokalisierten Mikroperfusion bei Arzneimittelanwendungen Platz macht. Da mikrofluidische Geräte optisch zugänglich gestaltet werden können, ermöglicht dies auch die Visualisierung von Morphologie und Prozessen in bestimmten Regionen oder einzelnen Zellen. Brain-on-a-Chip-Systeme können die Physiologie auf Organebene bei neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer , Parkinson und Multipler Sklerose genauer modellieren als mit herkömmlichen 2D- und 3D-Zellkulturtechniken. Die Fähigkeit, diese Krankheiten so zu modellieren, dass sie auf in-vivo- Bedingungen hinweisen , ist für die Translation von Therapien und Behandlungen unerlässlich. Darüber hinaus wurden Brain-on-a-Chip-Geräte für die medizinische Diagnostik verwendet, wie zum Beispiel bei der Biomarker- Erkennung für Krebs in Hirngewebeschnitten.

Einschränkungen

Brain-on-a-Chip-Geräte können aufgrund des Flusses durch kleine Kanäle Scherbelastungen auf Zellen oder Gewebe verursachen, was zu Zellschäden führen kann. Diese kleinen Kanäle führen auch zu einer Anfälligkeit für das Einfangen von Luftblasen, die den Fluss unterbrechen und möglicherweise die Zellen schädigen können. Die weit verbreitete Verwendung von PDMS ( Polydimethylsiloxan ) in Brain-on-a-Chip-Geräten hat einige Nachteile. Obwohl PDMS billig, formbar und transparent ist, können Proteine und kleine Moleküle von ihm absorbiert werden und später unkontrolliert aussickern.

Gut-on-a-Chip

Der menschliche Darm-on-a-Chip enthält zwei Mikrokanäle, die durch die flexible, poröse extrazelluläre Matrix (ECM)-beschichtete Membran getrennt sind, die von Darmepithelzellen ausgekleidet ist: Caco-2, das häufig als Darmbarriere verwendet wird. Caco-2-Zellen werden unter spontaner Differenzierung ihrer Elternzelle, einem menschlichen Dickdarm- Adenokarzinom , kultiviert , die das Modell der Schutz- und Absorptionseigenschaften des Darms darstellen. Die Mikrokanäle werden aus Polydimethylsiloxan (PDMS)-Polymer hergestellt. Um die Mikroumgebung des Darms nachzuahmen, wird ein peristaltischer Flüssigkeitsfluss entworfen. Durch das Induzieren von Sog in den Vakuumkammern entlang beider Seiten der Hauptzellkanal-Doppelschicht werden zyklische mechanische Dehnungen und Entspannungen entwickelt, um das Darmverhalten nachzuahmen. Darüber hinaus unterliegen Zellen einer spontanen Zottenmorphogenese und -differenzierung, die die Eigenschaften von Darmzellen verallgemeinert. Unter dem dreidimensionalen Zottengerüst vermehren sich die Zellen nicht nur, sondern es werden auch die Stoffwechselaktivitäten gesteigert. 

Ein großer Nachteil bei der Verwendung von Gut-on-a-Chip zur Erstellung krankheitsspezifischer Modelle besteht darin, dass es den Bedarf an In-vitro-Modellen zum Testen von Medikamenten erfüllt, um Tierversuche zu vermeiden .

Die orale Verabreichung ist eine der gebräuchlichsten Methoden der Arzneimittelverabreichung. Es ermöglicht Patienten, insbesondere ambulanten Patienten, die Medikamente mit minimaler Wahrscheinlichkeit akuter Arzneimittelreaktionen selbst zu verabreichen und in den meisten Fällen: schmerzfrei. Die Wirkung des Medikaments im Körper kann jedoch durch den First-Pass-Effekt stark beeinflusst werden . Der Darm, der eine wichtige Rolle im menschlichen Verdauungssystem spielt, bestimmt die Wirksamkeit eines Arzneimittels, indem er seine chemischen und biologischen Eigenschaften selektiv aufnimmt. Die Entwicklung neuer Medikamente ist zwar kostspielig und zeitaufwändig, aber die Tatsache, dass die Gut-on-a-Chip-Technologie einen hohen Durchsatz erreicht, hat die Forschungs- und Entwicklungskosten sowie die Zeit für neue Medikamente deutlich gesenkt.

Modellierung einer entzündlichen Darmerkrankung (IBD)

Auch wenn die Ursache für CED unklar ist, betrifft die Pathophysiologie von CED die Darmmikrobiota . Aktuelle Methoden zur Induktion von CED verwenden entzündliche Reize, um Caco-2 zu aktivieren. Es zeigte sich, dass das Darmepithel eine verminderte Barrierefunktion und erhöhte Zytokinkonzentrationen erfuhr. Der Gut-on-a-Chip ermöglichte die Bewertung von Arzneimitteltransport, -resorption und -toxizität sowie potenzielle Entwicklungen bei der Untersuchung von Pathogenese und Wechselwirkungen in der Mikroumgebung insgesamt.

Modellierung strahleninduzierter Zellschädigungen

Der Chip wurde verwendet, um die durch menschliche Strahlung verursachte Schädigung des Darms in vitro zu modellieren, da er die Schädigungen sowohl auf Zell- als auch auf Gewebeebene rekapitulierte.9 Verletzungen umfassen, aber nicht beschränkt auf: Besiedlung der Schleimproduktion, Förderung der Abstumpfung der Zotten und Verzerrung von Mikrovilli .

Lunge-on-a-Chip

Schematische Darstellung einer Lunge-on-a-Chip. Die Membran in der Mitte kann durch Vakuum in den beiden Seitenkammern gedehnt werden.
Hauptartikel: Lunge auf einem Chip

Lung-on-a-Chips werden in dem Bemühen entwickelt , um die physiologische Relevanz der bestehenden in vitro zu verbessern alveolar - Kapillar Schnittstellenmodellen. Ein solches multifunktionales Mikrogerät kann wichtige strukturelle, funktionelle und mechanische Eigenschaften der menschlichen Alveolar-Kapillar-Grenzfläche (dh der grundlegenden Funktionseinheit der lebenden Lunge) reproduzieren.

Dongeun Huh vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Harvard beschreibt die Herstellung eines Systems, das zwei eng benachbarte Mikrokanäle enthält, die durch eine dünne (10 µm) poröse flexible Membran aus PDMS getrennt sind . Das Gerät besteht im Wesentlichen aus drei mikrofluidischen Kanälen, und nur der mittlere hält die poröse Membran. Kulturzellen wurden auf beiden Seiten der Membran gezüchtet: humane alveoläre Epithelzellen auf einer Seite und humane mikrovaskuläre Lungen-Endothelzellen auf der anderen.

Die Kompartimentierung der Kanäle erleichtert nicht nur den Luftstrom als Flüssigkeit, die Zellen und Nährstoffe an die apikale Oberfläche des Epithels liefert , sondern ermöglicht auch Druckunterschiede zwischen den mittleren und seitlichen Kanälen. Während des normalen Inspiration in einer der menschlichen Atmungszyklus , intrapleuralen Druck abnimmt, eine Erweiterung der Alveolen auslöst. Beim Ansaugen von Luft in die Lunge werden das Alveolarepithel und das gekoppelte Endothel in den Kapillaren gedehnt. Da mit den Seitenkanälen ein Vakuum verbunden ist, führt ein Druckabfall dazu, dass sich der mittlere Kanal ausdehnt, wodurch die poröse Membran und anschließend die gesamte Alveolar-Kapillar-Grenzfläche gedehnt wird. Die druckgetriebene dynamische Bewegung hinter der Dehnung der Membran, auch als zyklische mechanische Belastung beschrieben (Wert ca. 10 %), erhöht die Geschwindigkeit der Nanopartikel-Translokation durch die poröse Membran im Vergleich zu einer statischen Version dieses Geräts erheblich. und zu einem Transwell-Kultursystem.

Um die biologische Genauigkeit eines Geräts vollständig zu validieren, müssen die Reaktionen des gesamten Organs bewertet werden. In diesem Fall fügten die Forscher den Zellen Verletzungen zu:
Lungenentzündungsreaktionen erfordern eine mehrstufige Strategie, aber neben einer erhöhten Produktion von Epithelzellen und einer frühzeitigen Freisetzung von Zytokinen sollte die Grenzfläche eine erhöhte Anzahl von Leukozytenadhäsionsmolekülen erfahren . In Huhs Experiment wurde die Lungenentzündung simuliert, indem ein Medium eingeführt wurde, das einen potenten proinflammatorischen Mediator enthielt. Nur Stunden nach der Verletzung reagierten die Zellen in der Mikrofluidikvorrichtung, die einer zyklischen Belastung ausgesetzt waren, gemäß der zuvor erwähnten biologischen Reaktion.
  • Lungeninfektion
Mit lebenden E-coli- Bakterien wurde demonstriert, wie das System sogar die angeborene zelluläre Reaktion auf eine bakterielle Lungeninfektion nachahmen kann . Die Bakterien wurden auf die apikale Oberfläche des Alveolarepithels eingebracht. Innerhalb von Stunden wurden Neutrophile im Alveolarkompartiment nachgewiesen, was bedeutet, dass sie aus dem vaskulären Mikrokanal, wo die poröse Membran die Bakterien phagozytiert hatte, transmigriert waren .

Darüber hinaus glauben die Forscher, dass der potenzielle Wert dieses Lunge-on-a-Chip-Systems bei toxikologischen Anwendungen hilfreich sein wird. Durch die Untersuchung der Lungenreaktion auf Nanopartikel hoffen die Forscher, mehr über Gesundheitsrisiken in bestimmten Umgebungen zu erfahren und zuvor stark vereinfachte In-vitro-Modelle zu korrigieren. Da eine mikrofluidische Lunge-on-a-Chip die mechanischen Eigenschaften einer lebenden menschlichen Lunge genauer reproduzieren kann, sind ihre physiologischen Reaktionen schneller und genauer als bei einem Transwell-Kultursystem . Dennoch räumen veröffentlichte Studien ein, dass die Reaktionen einer Lunge-on-a-Chip die Reaktionen nativer Alveolarepithelzellen noch nicht vollständig reproduzieren.

Herz-auf-einem-Chip

Frühere Bemühungen, die Umgebung von Herzgewebe in vivo zu replizieren, haben sich aufgrund von Schwierigkeiten bei der Nachahmung der Kontraktilität und elektrophysiologischer Reaktionen als schwierig erwiesen . Solche Merkmale würden die Genauigkeit von In-vitro-Experimenten stark erhöhen.

Die Mikrofluidik hat bereits zu In-vitro-Experimenten an Kardiomyozyten beigetragen , die die elektrischen Impulse erzeugen, die die Herzfrequenz steuern . Forscher haben beispielsweise eine Reihe von PDMS- Mikrokammern gebaut, die auf Sensoren und Stimulationselektroden ausgerichtet sind, um den Stoffwechsel der Kardiomyozyten elektrochemisch und optisch zu überwachen. Ein anderes Lab-on-a-Chip kombinierte in ähnlicher Weise ein mikrofluidisches Netzwerk in PDMS mit planaren Mikroelektroden, diesmal zur Messung extrazellulärer Potenziale von einzelnen adulten murinen Kardiomyozyten.

Ein berichtetes Design eines Heart-on-a-Chip behauptet, "ein effizientes Mittel zur Messung von Struktur-Funktions-Beziehungen in Konstrukten geschaffen zu haben, die die hierarchischen Gewebearchitekturen des laminaren Herzmuskels replizieren". Dieser Chip bestimmt, dass die Ausrichtung der Myozyten im kontraktilen Apparat aus Herzgewebe und das Genexpressionsprofil (beeinflusst durch Form- und Zellstrukturverformung) zur Kraft bei der Herzkontraktilität beitragen. Bei diesem Heart-on-a-Chip handelt es sich um ein biohybrides Konstrukt: Ein konstruiertes anisotropes ventrikuläres Myokard ist ein elastomerer dünner Film .

Der Entwurfs- und Herstellungsprozess dieser speziellen Mikrofluidik-Vorrichtung beinhaltet zuerst das Abdecken der Kanten einer Glasoberfläche mit Klebeband (oder einem beliebigen Schutzfilm), um die gewünschte Form des Substrats zu konturieren. Dann wird eine Schleuderbeschichtungsschicht aus PNIPA aufgebracht. Nach seiner Auflösung wird der Schutzfilm abgezogen, wodurch ein selbststehender Körper aus PNIPA entsteht. Die letzten Schritte umfassen das Schleuderbeschichten der schützenden Oberfläche von PDMS über dem Deckglas und das Aushärten. Muscular Thin Films (MTF) ermöglichen die Herstellung von Herzmuskel-Monoschichten auf einem dünnen flexiblen Substrat aus PDMS. Um die 2D-Zellkultur richtig auszusäen, wurde eine Mikrokontakt-Drucktechnik verwendet, um ein Fibronektin- "Ziegelmauer"-Muster auf der PDMS-Oberfläche auszubilden. Sobald die ventrikulären Myozyten auf dem funktionalisierten Substrat ausgesät waren, wurden sie durch das Fibronektinmuster orientiert, um eine anisotrope Monoschicht zu erzeugen.

Nach dem Schneiden der dünnen Filme in zwei Reihen mit rechteckigen Zähnen und anschließendem Einlegen des gesamten Geräts in ein Bad stimulieren Elektroden über eine Feldstimulation die Kontraktion der Myozyten – und krümmen so die Streifen/Zähne im MTF. Forscher haben eine Korrelation zwischen Gewebestress und dem Krümmungsradius der MTF-Streifen während des Kontraktionszyklus entwickelt und den demonstrierten Chip als "Plattform zur Quantifizierung von Stress, Elektrophysiologie und Zellarchitektur" validiert.

Während sich die Forscher auf 2D- Zellkulturen konzentriert haben , ahmen 3D-Zellkonstrukte die in-vivo- Umgebung und die im menschlichen Körper auftretenden Wechselwirkungen (zB Zelle zu Zelle ) besser nach. Daher gelten sie als vielversprechende Modelle für Studien wie die Toxikologie und das Ansprechen auf Medikamente . Auf der Grundlage der Studie von Chen et al, die Wechselwirkungen. Valvular endothelial / interstitiellen Zellen ( V ECs / V ICs ) über eine untersucht 3D PDMS - Glas mikrofluidischen Vorrichtung mit einem oberen Kanal mit floß V ECs unter Scherbeanspruchung , eine Membran mit einheitliche Poren und ein unterer Kanal enthält , V IC - Hydrogels . Es wurde verifiziert , dass V ECs die Differenzierung von morbiden V IC - Myofibroblasten mit verstärkter Suppression durch Scherbeanspruchung hemmen .

Ein weiteres PDMS- 3D- Mikrofluidik- Herz-auf-Chip-Design wird gemessen, um 10 bis 15 % der einachsigen zyklischen mechanischen Belastungen zu erzeugen . Das Gerät besteht aus einer Zellkultur mit hängenden Pfosten für caging und einen Betätigungsraum mit Gerüsten Beiträgen Ausknicken zu vermeiden PDMS , zusammen mit dem Herzzyklus Signal Imitationsdruck. Die neonatalen Ratten mikro-engineered Herzgewebe (μECTs) durch dieses Design zeigen stimulierte verbesserte Synchron Schlagen, die Proliferation , Reifung und die Lebensfähigkeit im Vergleich zu der unstimulierten Kontrolle. Es wird beobachtet, dass sich die Kontraktionsrate von humaninduzierten pluripotenten Stammzellen- abgeleiteten Kardiomyozyten (hiPSC-CM) mit 100-fach weniger Isoprenalin , einer Herzblockbehandlung, beschleunigt , wenn ein elektrisches Stimulationssignal (+ES) im Vergleich zu dem ohne ES vorliegt.

3D- Mikrofluidik- Heart-on-a-Chips haben auch die Erforschung von Herzkrankheiten erleichtert. Beispielsweise werden kardiale Hypertrophie und Fibrose über den jeweiligen Biomarker- Level der mechanisch stimulierten μECTs untersucht, wie atrial natriuretic peptide (ANP) für erstere und transformierende Wachstumsfaktor-β (TGF-β) für letztere. Auch die Kenntnis der Ischämie wird durch Beobachtungen des Aktionspotentials gewonnen .

Niere-on-a-Chip

Nierenzellen und Nephrone wurden bereits durch mikrofluidische Geräte simuliert. „Solche Zellkulturen können zu neuen Erkenntnissen über die Zell- und Organfunktion führen und für das Wirkstoffscreening genutzt werden.“ Ein Niere-on-a-Chip-Gerät hat das Potenzial, die Forschung zum künstlichen Ersatz verlorener Nierenfunktion zu beschleunigen . Heutzutage erfordert die Dialyse, dass Patienten bis zu dreimal pro Woche eine Klinik aufsuchen. Eine transportablere und zugänglichere Behandlungsform würde nicht nur den allgemeinen Gesundheitszustand des Patienten verbessern (durch eine Erhöhung der Behandlungshäufigkeit), sondern der gesamte Prozess würde effizienter und verträglicher. Die Forschung zur künstlichen Niere ist bestrebt, den Geräten durch innovative Disziplinen Transportfähigkeit, Tragbarkeit und möglicherweise Implantationsfähigkeit zu verleihen: Mikrofluidik, Miniaturisierung und Nanotechnologie.

Nephron-on-a-Chip

Das Nephron ist die funktionelle Einheit der Niere und besteht aus einem Glomerulus und einer tubulären Komponente. Forscher am MIT behaupten, ein bioartifizielles Gerät entwickelt zu haben, das die Funktion des Glomerulus des Nephrons, des proximalen gewundenen Tubulus und der Henle-Schleife nachbildet .

Jeder Teil des Geräts hat sein einzigartiges Design, das im Allgemeinen aus zwei mikrogefertigten Schichten besteht, die durch eine Membran getrennt sind. Der einzige Einlass zum Mikrofluidikgerät ist für die eintretende Blutprobe ausgelegt . Im Glomerulusabschnitt des Nephrons lässt die Membran bestimmte Blutpartikel durch ihre Wand aus Kapillarzellen, die aus dem Endothel, der Basalmembran und den epithelialen Podozyten besteht. Die Flüssigkeit , die aus dem Kapillare Blut in der Bowman-Raum gefiltert heißt Filtrat oder primäre Urin .

In den Tubuli werden dem Filtrat im Rahmen der Urinbildung einige Stoffe zugesetzt, andere aus dem Filtrat wieder ins Blut resorbiert. Das erste Segment dieser Tubuli ist der proximale gewundene Tubulus. Hier findet die nahezu vollständige Aufnahme der ernährungsphysiologisch wichtigen Stoffe statt. In der Vorrichtung ist dieser Abschnitt lediglich ein gerader Kanal, aber Blutpartikel, die zum Filtrat gelangen, müssen die zuvor erwähnte Membran und eine Schicht von proximalen Tubuluszellen der Niere durchqueren. Das zweite Segment der Tubuli ist die Henle-Schleife, in der die Rückresorption von Wasser und Ionen aus dem Urin stattfindet. Die Schleifenkanäle des Geräts versuchen den Gegenstrommechanismus der Henle -Schleife zu simulieren . Ebenso erfordert die Henle-Schleife eine Reihe unterschiedlicher Zelltypen, da jeder Zelltyp unterschiedliche Transporteigenschaften und -charakteristika aufweist. Dazu gehören die absteigenden Gliedmaßenzellen , dünne aufsteigende Gliedmaßenzellen , dicke aufsteigende Gliedmaßenzellen , kortikale Sammelrohrzellen und medulläre Sammelrohrzellen.

Ein Schritt zur Validierung der Simulation des vollständigen Filtrations- und Resorptionsverhaltens eines physiologischen Nephrons durch das mikrofluidische Gerät würde darin bestehen, zu zeigen, dass die Transporteigenschaften zwischen Blut und Filtrat hinsichtlich ihres Auftretens und des Einlasses durch die Membran identisch sind. Zum Beispiel findet der überwiegende Teil des passiven Transports von Wasser im proximalen Tubulus und dem absteigenden dünnen Schenkel statt, oder der aktive Transport von NaCl findet größtenteils im proximalen Tubulus und dem dicken aufsteigenden Schenkel statt. Die Konstruktionsanforderungen des Geräts würden erfordern, dass der Filtrationsanteil im Glomerulus zwischen 15–20 % oder die Filtrationsresorption im proximalen gewundenen Tubulus zwischen 65–70 % und schließlich die Harnstoffkonzentration im Urin (gesammelt an einem der zwei Ausgänge des Geräts) zwischen 200–400 mM variieren.

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht veranschaulicht ein biomimic Nephron auf Hydrogel-Mikrofluidik-Geräten mit der Funktion der passiven Diffusion. Die komplexe physiologische Funktion des Nephrons wird durch Wechselwirkungen zwischen Gefäßen und Tubuli (beide sind Hohlkanäle) erreicht. Herkömmliche Labortechniken konzentrieren sich jedoch normalerweise auf 2D-Strukturen, wie z. B. Petrischalen, die nicht in der Lage sind, die reale Physiologie, die in 3D auftritt, zu rekapitulieren. Daher entwickelten die Autoren eine neue Methode zur Herstellung funktioneller, zellauskleidender und perfundierbarer Mikrokanäle im Inneren von 3D-Hydrogel. Die Gefäß-Endothel- und Nieren-Epithelzellen werden im Hydrogel-Mikrokanal kultiviert und bilden eine zelluläre Abdeckung, um Gefäße bzw. Tubuli zu imitieren. Sie verwendeten ein konfokales Mikroskop, um die passive Diffusion eines kleinen organischen Moleküls (normalerweise Medikamente) zwischen den Gefäßen und Tubuli in Hydrogel zu untersuchen. Die Studie zeigt das vorteilhafte Potenzial, die Nierenphysiologie für die regenerative Medizin und das Medikamentenscreening nachzuahmen.

Leber-on-a-Chip

Die Leber ist ein wichtiges Stoffwechselorgan , das mit der Glykogenspeicherung, dem Abbau roter Blutkörperchen, einer bestimmten Protein- und Hormonsynthese und der Entgiftung zusammenhängt . Innerhalb dieser Funktionen ist seine Entgiftungsreaktion für die Entwicklung neuer Medikamente und klinische Studien von entscheidender Bedeutung . Darüber hinaus ist die Leber aufgrund ihrer Multifunktionen anfällig für viele Krankheiten, und Lebererkrankungen sind zu einer globalen Herausforderung geworden.

Überblick

Liver-on-a-Chip-Geräte verwenden mikrofluidische Techniken, um das Lebersystem zu simulieren, indem komplexe Leberläppchen imitiert werden , die Leberfunktionen betreffen. Liver-on-a-Chip-Geräte bieten ein gutes Modell, um Forschern dabei zu helfen, mit relativ geringen Kosten an der Dysfunktion und Pathogenese der Leber zu arbeiten. Die Forscher nutzen primäre Ratten - Hepatozyten und andere Nichtparenchymzellen Zellen. Diese Kokulturmethode wurde umfassend untersucht und hat sich als vorteilhaft für die Verlängerung der Überlebenszeit von Hepatozyten und für die Unterstützung der Ausführung leberspezifischer Funktionen erwiesen. Viele Leber-on-a-Chip-Systeme bestehen aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) mit mehreren Kanälen und Kammern, basierend auf spezifischem Design und Ziel. PDMS wird verwendet und ist populär geworden, da es einen relativ niedrigen Preis für Rohstoffe hat und sich auch leicht für mikrofluidische Geräte formen lässt.

Anwendungen

Ein Design von Kane et al. kokultiviert primäre Rattenhepatozyten und 3T3-J2- Fibroblasten in einem 8*8-Element-Array von Mikrofluidik-Wells. Jedes Well ist in zwei Kammern unterteilt. Die Primärkammer enthält Rattenhepatozyten und 3T3-J2-Fibroblasten und besteht aus Glas zur Zelladhäsion. Jede der Primärkammern ist mit einem mikrofluidischen Netzwerk verbunden, das metabolisches Substrat liefert und metabolische Nebenprodukte entfernt. Eine 100 µm dicke Membran aus PDMS trennt die Primär- und Sekundärkammer, wodurch die Sekundärkammer mit einem weiteren mikrofluidischen Netzwerk verbunden werden kann, das 37 °C warme Raumluft mit 10 % Kohlendioxid durchströmt und einen Luftaustausch für Rattenhepatozyten herstellt. Die Produktion von Harnstoff und Steady-State-Protein beweist die Eignung dieses Geräts für den Einsatz in Hochdurchsatz-Toxizitätsstudien.

Ein anderes Design von Kang et al. kokultiviert primäre Rattenhepatozyten und Endothelzellen . Zuerst wird ein Einzelkanal erstellt. Hepatozyten und Endothelzellen werden dann auf das Gerät gepflanzt und durch eine dünne Matrigel- Schicht dazwischen getrennt. Das metabolische Substrat und die metabolischen Nebenprodukte teilen sich diesen Kanal, um zugeführt oder abgeführt zu werden. Später wird ein Doppelkanal hergestellt, und Endothelzellen und Hepatozytenzellen haben ihre eigenen Kanäle, um das Substrat zu liefern oder das Nebenprodukt zu entfernen. Die Produktion von Harnstoff und das positive Ergebnis des Replikationstests des Hepatitis-B-Virus (HBV) zeigen sein Potenzial zur Untersuchung hepatotroper Viren.

Es gibt noch einige andere Anwendungen auf Leber-on-a-Chip. Luet al. ein Lebertumor-on-a-Chip-Modell entwickelt. Die dezellularisierten Leber Matrix (DLM) -Gelatine Methacryloyl (Gelma) -basierten biomimetischen Lebertumor -on-a-Chip erwies sich als ein geeignetes Design für eine weitere anti-Tumor - Studien sein. Zhouet al. analysiert Alkoholschäden an den Hepatozyten und die Signalgebung und Erholung.

Der Leber-on-a-Chip hat sein großes Potenzial für die leberbezogene Forschung gezeigt. Zukünftige Ziele für Leber-on-a-Chip-Geräte konzentrieren sich auf die Rekapitulation einer realistischeren Leberumgebung, einschließlich Reagenzien in Flüssigkeiten, Zelltypen, Verlängerung der Überlebenszeit usw.

Prostata-on-a-Chip

Die Prostata-on-a-Chip-Forschung befasst sich im Allgemeinen mit der Nachbildung des Prostataepithels, da die Pathologie dies in den meisten Fällen als Ursache des Karzinoms zeigt. Mikrofluidische Nachbildungen von Epithelgewebe dienen im Wesentlichen als der nächste logische Schritt in der Evolution von Prostatazellen, die aus Mäusen isoliert wurden, hin zu 2-dimensionalen und 3-dimensionalen menschlichen Zellkulturen. PDMS-Entwicklungen haben die Entwicklung mikrofluidischer Systeme ermöglicht, die den Vorteil einer einstellbaren Topographie sowie eines Gas- und Flüssigkeitsaustauschs und einer einfachen Beobachtung durch Mikroskopie bieten .

Forscher der Universität Grenoble Alpes haben eine Methode skizziert, die ein mikrofluidisches System verwendet, um ein lebensfähiges Prostataepithel wiederherzustellen. Der Ansatz konzentriert sich auf eine zylindrische Mikrokanalkonfiguration, die die Morphologie eines menschlichen Sekretionsgangs nachahmt, in dem sich das Epithel befindet. </ref> Verschiedene Mikrokanaldurchmesser wurden für eine erfolgreiche Förderung von Zellkulturen bewertet, und es wurde beobachtet, dass Durchmesser von 150-400 µm am erfolgreichsten waren. Darüber hinaus hielt die Zelladhäsion während dieses Experiments an, trotz der Einführung von physischem Stress durch Variationen in den Mikrofluidikströmen.

Das Ziel dieser Konstruktionen besteht darin, das Sammeln von Prostataflüssigkeit zu erleichtern sowie die zellulären Reaktionen auf Veränderungen der Mikroumgebung zu messen . Darüber hinaus ermöglicht Prostata-on-a-Chip die Nachbildung von Metastasierungsszenarien , was die Bewertung von Medikamentenkandidaten und anderen therapeutischen Ansätzen ermöglicht. Die Skalierbarkeit dieser Methode ist auch für Forscher attraktiv, da der Ansatz mit wiederverwendbaren Formen eine niedrige Herstellungskosten gewährleistet.

Schiff-on-a-Chip

Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden oft durch Veränderungen der Struktur und Funktion kleiner Blutgefäße verursacht. Zum Beispiel deuten selbstberichtete Raten von Bluthochdruck darauf hin, dass die Rate zunimmt, heißt es in einem Bericht der National Health and Nutrition Examination Survey aus dem Jahr 2003 . Eine mikrofluidische Plattform, die die biologische Reaktion einer Arterie simuliert, könnte nicht nur ermöglichen, dass organbasierte Screenings während einer Arzneimittelentwicklungsstudie häufiger auftreten, sondern auch ein umfassendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen hinter pathologischen Veränderungen in kleinen Arterien und die Entwicklung besserer Behandlungsstrategien ermöglichen. Axel Gunther von der University of Toronto argumentiert, dass solche MEMS- basierten Geräte möglicherweise bei der Beurteilung des mikrovaskulären Status eines Patienten in einer klinischen Umgebung ( personalisierte Medizin ) helfen könnten .

Herkömmliche Methoden zur Untersuchung der intrinsischen Eigenschaften isolierter Widerstandsgefäße (Arteriolen und kleine Arterien mit Durchmessern zwischen 30 µm und 300 µm) umfassen die Druckmyographie- Technik. Solche Verfahren erfordern jedoch derzeit manuell geschultes Personal und sind nicht skalierbar. Eine Arterie-on-a-Chip könnte mehrere dieser Beschränkungen überwinden, indem eine Arterie auf einer Plattform untergebracht wird, die skalierbar, kostengünstig und möglicherweise in ihrer Herstellung automatisiert wäre.

Als Lab-on-a-Chip wurde eine organbasierte mikrofluidische Plattform entwickelt, auf der ein fragiles Blutgefäß fixiert werden kann, um Determinanten von Funktionsstörungen der Widerstandsarterie zu untersuchen.

Die Mikroumgebung der Arterie ist durch die Umgebungstemperatur, den transmuralen Druck und die luminalen und abluminalen Arzneimittelkonzentrationen gekennzeichnet. Die vielfältigen Eingaben aus einer Mikroumgebung verursachen eine Vielzahl mechanischer oder chemischer Stimuli auf die glatten Muskelzellen (SMCs) und Endothelzellen (ECs), die die Außen- bzw. Lumenwände des Gefäßes auskleiden . Endothelzellen sind für die Freisetzung von Vasokonstriktions- und Vasodilatatorfaktoren verantwortlich und modifizieren so den Tonus. Der Gefäßtonus ist definiert als der Grad der Verengung innerhalb eines Blutgefäßes relativ zu seinem maximalen Durchmesser. Pathogenetische Konzepte gehen derzeit davon aus, dass geringfügige Veränderungen dieser Mikroumgebung ausgeprägte Auswirkungen auf den arteriellen Tonus haben und den peripheren Gefäßwiderstand stark verändern können . Die Ingenieure hinter diesem Design glauben, dass eine besondere Stärke in seiner Fähigkeit liegt, heterogene raumzeitliche Einflüsse innerhalb der Mikroumgebung zu kontrollieren und zu simulieren , während Myographieprotokolle aufgrund ihres Designs nur homogene Mikroumgebungen etabliert haben. Sie bewiesen, dass durch die Abgabe von Phenylephrin durch nur einen der beiden Kanäle, die eine Superfusion an die Außenwände lieferten , die dem Wirkstoff zugewandte Seite viel stärker einschnürte als die dem Wirkstoff gegenüberliegende Seite.

Der Artery-on-a-Chip ist für die reversible Implantation der Probe ausgelegt. Das Gerät enthält ein Mikrokanalnetzwerk, einen Arterienladebereich und einen separaten Arterieninspektionsbereich. Es gibt einen Mikrokanal, der zum Laden des Arteriensegments verwendet wird, und wenn die Lademulde verschlossen ist, wird er auch als Perfusionskanal verwendet, um den Prozess der Nährstoffzufuhr von arteriellem Blut zu einem Kapillarbett im biologischen Gewebe zu replizieren . Ein weiteres Paar von Mikrokanälen dient der Fixierung der beiden Enden des Arteriensegments. Schließlich wird das letzte Paar von Mikrokanälen verwendet, um Superfusionsflussraten bereitzustellen, um die physiologische und metabolische Aktivität des Organs aufrechtzuerhalten, indem ein konstantes Erhaltungsmedium über die abluminale Wand geliefert wird. Eine thermoelektrische Heizung und ein Thermowiderstand sind mit dem Chip verbunden und halten die physiologischen Temperaturen im Untersuchungsbereich der Arterien aufrecht.

Das Protokoll des Ladens und Sicherns der Gewebeprobe in der Inspektionszone hilft zu verstehen, wie dieser Ansatz ganze Organfunktionen anerkennt. Nach dem Eintauchen des Gewebesegments in die Lademulde wird der Ladevorgang durch eine Spritze angetrieben, die eine konstante Flussrate der Pufferlösung am anderen Ende des Ladekanals abzieht. Dies bewirkt den Transport der Arterie zu ihrer bestimmten Position. Dies geschieht mit geschlossenen Fixations- und Superfusions-Ein-/Austrittsleitungen. Nach dem Stoppen der Pumpe wird durch einen der Fixierungskanäle Unterdruck aufgebracht. Dann wird nach dem Verschließen des Ladeschachts der zweite Fixierungskanal einem Unterdruck ausgesetzt. Nun ist die Arterie im Inspektionsbereich symmetrisch angelegt und ein transmuraler Druck wird durch das Segment gespürt. Die verbleibenden Kanäle werden geöffnet und eine konstante Perfusion und Superfusion mit separaten Spritzenpumpen eingestellt.

Vessel-on-Chips wurden verwendet, um viele Krankheitsprozesse zu untersuchen. Zum Beispiel entwickelten Alireza Mashaghi und seine Mitarbeiter ein Modell zur Untersuchung des viralen hämorrhagischen Syndroms, das einen virusinduzierten Verlust der Gefäßintegrität beinhaltet. Das Modell wurde zur Untersuchung der Ebola- Viruserkrankung und zur Untersuchung von Anti-Ebola-Medikamenten verwendet. Im Jahr 2021 wurde der Ansatz angepasst, um das Lassa-Fieber zu modellieren und die therapeutischen Wirkungen des Peptids FX-06 bei der Lassa-Virus-Krankheit zu zeigen.

Skin-on-a-Chip

Die menschliche Haut ist die erste Verteidigungslinie gegen viele Krankheitserreger und kann selbst einer Vielzahl von Krankheiten und Problemen wie Krebs und Entzündungen ausgesetzt sein. Zu den Skin-on-a-Chip-Anwendungen (SoC) gehören daher das Testen von topischen Arzneimitteln und Kosmetika, die Untersuchung der Pathologie von Hautkrankheiten und Entzündungen sowie die „Erstellung nicht-invasiver automatisierter Zellassays “ zum Testen auf das Vorhandensein von Antigenen oder Antikörpern, die weisen auf das Vorhandensein eines Krankheitserregers hin. Trotz der Vielzahl möglicher Anwendungen wurde im Vergleich zu vielen anderen Organ-on-a-Chips, wie Lunge und Niere, relativ wenig Forschung in die Entwicklung eines Skin-on-a-Chips geforscht. Probleme wie die Ablösung des Kollagengerüsts von Mikrokanälen, unvollständige Zelldifferenzierung und die vorherrschende Verwendung von Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) für die Geräteherstellung, das nachweislich Chemikalien in biologische Proben auslaugt und nicht massenproduziert werden kann Standardisierung von a Plattform. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist die Variabilität des Zellkulturgerüsts oder der Grundsubstanz, in der Zellen kultiviert werden, die in Skin-on-Chip-Geräten verwendet wird. Im menschlichen Körper wird diese Substanz als extrazelluläre Matrix bezeichnet.

Die extrazelluläre Matrix (ECM) besteht hauptsächlich aus Kollagen, und verschiedene Gerüste auf Kollagenbasis wurden in SoC-Modellen getestet. Kollagen neigt dazu, sich während der Kultivierung aufgrund der Kontraktion von Fibroblasten vom mikrofluidischen Rückgrat abzulösen . Eine Studie versuchte, dieses Problem anzugehen, indem sie die Qualitäten von Kollagengerüsten aus drei verschiedenen tierischen Quellen verglich: Schweinehaut, Rattenschwanz und Entenfüße. Andere Studien hatten auch Probleme mit der Ablösung aufgrund von Kontraktionen, was problematisch sein kann, wenn man bedenkt, dass der Prozess der vollständigen Hautdifferenzierung bis zu mehreren Wochen dauern kann. Kontraktionsprobleme wurden vermieden, indem das Kollagengerüst durch eine Fibrin- basierte dermale Matrix ersetzt wurde, die sich nicht zusammenzog. Eine stärkere Differenzierung und Bildung von Zellschichten wurde auch in Mikrofluidikkulturen im Vergleich zur traditionellen statischen Kultur berichtet, was mit früheren Ergebnissen von verbesserten Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen aufgrund dynamischer Perfusion oder erhöhter Permeation durch Zwischenräume aufgrund des Drucks von übereinstimmt kontinuierlicher Medienfluss. Es wird angenommen, dass diese verbesserte Differenzierung und dieses verbesserte Wachstum teilweise ein Produkt von Scherspannung ist, die durch den Druckgradienten entlang eines Mikrokanals aufgrund des Flüssigkeitsflusses erzeugt wird, was auch die Nährstoffversorgung von Zellen verbessern kann, die nicht direkt an das Medium angrenzen . In statischen Kulturen, die in traditionellen Hautäquivalenten verwendet werden, erhalten Zellen Nährstoffe im Medium nur durch Diffusion, während dynamische Perfusion den Nährstofffluss durch Zwischenräume oder Lücken zwischen Zellen verbessern kann. Es wurde auch gezeigt, dass diese Perfusion die Tight-Junction-Bildung des Stratum corneum verbessert , der harten äußeren Schicht der Epidermis, die die Hauptbarriere gegen das Eindringen der Oberflächenschicht der Haut ist.

Die dynamische Perfusion kann auch die Lebensfähigkeit der Zellen verbessern, was durch das Einbringen eines kommerziellen Hautäquivalents in eine mikrofluidische Plattform nachgewiesen wurde, das die erwartete Lebensdauer um mehrere Wochen verlängerte. Diese frühe Studie zeigte auch die Bedeutung von Haarfollikeln in hautäquivalenten Modellen. Haarfollikel sind der Hauptweg in die subkutane Schicht für topische Cremes und andere Substanzen, die auf die Hautoberfläche aufgetragen werden, ein Merkmal, das neuere Studien oft nicht berücksichtigt haben.

In einer Studie wurde ein SoC entwickelt, das aus drei Schichten besteht, der Epidermis , Dermis und der Endothelschicht , die durch poröse Membranen getrennt sind, um Ödeme , Schwellungen aufgrund extrazellulärer Flüssigkeitsansammlung, eine häufige Reaktion auf Infektionen oder Verletzungen und einen wesentlichen Schritt für die Zellreparatur zu untersuchen. Es wurde gezeigt, dass die Voranwendung von Dex, einer steroidalen Creme mit entzündungshemmenden Eigenschaften, diese Schwellung im SoC reduzierte.

Mensch auf einem Chip

Die Forscher arbeiten daran, ein mehrkanaliges 3D- Mikrofluidik-Zellkultursystem aufzubauen, das Mikroumgebungen unterteilt, in denen 3D-Zellaggregate kultiviert werden, um mehrere Organe im Körper nachzuahmen. Die meisten Organ-on-a-Chip-Modelle kultivieren heute nur einen Zelltyp, so dass die systemische Wirkung eines Medikaments auf den menschlichen Körper nicht verifiziert ist, obwohl sie gültige Modelle für die Untersuchung ganzer Organfunktionen sein können.

Insbesondere wurde ein integriertes Zellkulturanalogon (µCCA) entwickelt, das Lungenzellen, arzneimittelmetabolisierende Leber- und Fettzellen umfasste . Die Zellen wurden in einem 2D-Fluidnetzwerk mit einem als Blutersatz zirkulierenden Kulturmedium verbunden, wodurch ein Transportsystem für die Nährstoffzufuhr effizient bereitgestellt und gleichzeitig Abfallstoffe aus den Zellen entfernt wurden. "Die Entwicklung des µCCA legte den Grundstein für ein realistisches pharmakokinetisches In-vitro- Modell und lieferte ein integriertes biomimetisches System zur Kultivierung mehrerer Zelltypen mit hoher Genauigkeit in In-vivo-Situationen", behaupten C. Zhang et al. Sie haben einen mikrofluidischen Human-on-a-Chip entwickelt, der vier verschiedene Zelltypen kultiviert, um vier menschliche Organe nachzuahmen: Leber, Lunge, Niere und Fett. Sie konzentrierten sich auf die Entwicklung eines Standards Serum -freien Kulturmedien , die in dem Gerät enthalten wertvoll für alle Zelltypen sein würde. Optimierte Standardmedien sind im Allgemeinen auf einen bestimmten Zelltyp ausgerichtet, während ein Human-on-a-Chip offensichtlich ein gemeinsames Medium (CM) erfordert. Tatsächlich behaupten sie, eine Zellkultur-CM identifiziert zu haben, die, wenn sie zur Perfusion aller Zellkulturen in der mikrofluidischen Vorrichtung verwendet wird, das Funktionsniveau der Zellen aufrechterhält. Die Erhöhung der Empfindlichkeit der in vitro kultivierten Zellen gewährleistet die Validität des Geräts oder dass jedes in die Mikrokanäle injizierte Medikament eine identische physiologische und metabolische Reaktion der Probenzellen als ganze Organe beim Menschen stimuliert.

Mit einer weitergehenden Entwicklung dieser Art von Chip werden Pharmaunternehmen möglicherweise in der Lage sein, direkte Auswirkungen der Reaktion eines Organs auf ein anderes zu messen. Zum Beispiel würde die Abgabe biochemischer Substanzen gescreent, um zu bestätigen, dass sie, obwohl sie einem Zelltyp zugute kommt, nicht die Funktionen anderer beeinträchtigt. Es ist wahrscheinlich schon möglich, diese Organe mit 3D-Druckern zu drucken, aber die Kosten sind zu hoch. Die Entwicklung biomimetischer Ganzkörper-Geräte trägt einem großen Vorbehalt entgegen, den Pharmaunternehmen gegenüber Organ-on-Chips haben, nämlich der Isolierung von Organen. Da diese Geräte immer zugänglicher werden, nimmt die Komplexität des Designs exponentiell zu. Systeme müssen bald gleichzeitig für mechanische Störungen und Flüssigkeitsströmung durch ein Kreislaufsystem sorgen . „Alles, was eine dynamische Steuerung und nicht nur eine statische Steuerung erfordert, ist eine Herausforderung“, sagt Takayama von der University of Michigan .

Tierversuche ersetzen

In der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung waren Tiermodelle die einzige Möglichkeit, In-vivo-Daten zu erhalten, die die pharmakokinetischen Reaktionen des Menschen vorhersagen würden. Tierversuche sind jedoch langwierig, teuer und umstritten. Tiermodelle werden beispielsweise häufig mechanischen oder chemischen Techniken ausgesetzt, die menschliche Verletzungen simulieren. Es bestehen auch Bedenken hinsichtlich der Validität solcher Tiermodelle aufgrund des Mangels an artenübergreifender Extrapolation. Darüber hinaus bieten Tiermodelle eine sehr begrenzte Kontrolle einzelner Variablen und es kann mühsam sein, spezifische Informationen zu sammeln.

Daher muss die Nachahmung der physiologischen Reaktionen des Menschen in einem In-vitro-Modell erschwinglicher werden und eine Kontrolle auf zellulärer Ebene in biologischen Experimenten ermöglichen: Biomimetische mikrofluidische Systeme könnten Tierversuche ersetzen . Die Entwicklung von MEMS-basierten Biochips, die komplexe pathologische Reaktionen auf Organebene reproduzieren, könnte viele Bereiche revolutionieren, einschließlich der Toxikologie und des Entwicklungsprozesses von Pharmazeutika und Kosmetika, die auf Tierversuchen und klinischen Studien beruhen .

Kürzlich wurden In-vitro-Perfusionssysteme auf physiologischer Basis entwickelt, um eine Zellkulturumgebung nahe der In-vivo-Zellumgebung bereitzustellen. Eine neue Testplattform, die auf perfundierten Systemen mit mehreren Kompartimenten basiert, hat ein bemerkenswertes Interesse in der Pharmakologie und Toxikologie gefunden. Es zielt darauf ab, eine Zellkulturumgebung nahe der in-vivo-Situation bereitzustellen, um zuverlässiger in-vivo- Mechanismen oder ADME-Prozesse zu reproduzieren , die ihre Absorption, Verteilung, Metabolisierung und Eliminierung beinhalten. Perfundierte In-vitro-Systeme in Kombination mit kinetischer Modellierung sind vielversprechende Werkzeuge zur In-vitro-Untersuchung der verschiedenen Prozesse, die an der Toxikokinetik von Xenobiotika beteiligt sind.

Bemühungen um die Entwicklung von mikrogefertigten Zellkultursystemen, die darauf abzielen, Modelle zu erstellen, die Aspekte des menschlichen Körpers so genau wie möglich nachbilden und Beispiele geben, die ihren möglichen Einsatz in der Arzneimittelentwicklung demonstrieren, wie die Identifizierung synergistischer Arzneimittelinteraktionen sowie die Simulation von Multi -Organmetabolische Interaktionen. Mikrofluidik-basierte Multikompartiment-Geräte, insbesondere solche, die physikalische Darstellungen von physiologisch basierten pharmakokinetischen ( PBPK )-Modellen sind, die den Massentransfer von Verbindungen in Kompartimentmodellen des Säugetierkörpers darstellen, können zur Verbesserung des Arzneimittelentwicklungsprozesses beitragen.

Mathematische pharmakokinetische (PK)-Modelle zielen darauf ab, Konzentrations-Zeit-Profile innerhalb jedes Organs auf der Grundlage der anfänglichen Arzneimitteldosis abzuschätzen. Solche mathematischen Modelle können relativ einfach sein und den Körper als ein einzelnes Kompartiment behandeln, in dem die Arzneimittelverteilung nach der Verabreichung ein schnelles Gleichgewicht erreicht. Mathematische Modelle können sehr genau sein, wenn alle beteiligten Parameter bekannt sind. Modelle, die PK- oder PBPK- Modelle mit PD-Modellen kombinieren, können die zeitabhängigen pharmakologischen Wirkungen eines Arzneimittels vorhersagen. Heutzutage können wir mit PBPK- Modellen die PK von ungefähr jeder Chemikalie beim Menschen fast aus den ersten Prinzipien vorhersagen . Diese Modelle können entweder sehr einfach sein, wie statistische Dosis-Wirkungs-Modelle, oder ausgefeilt und systembiologisch basieren, je nach dem verfolgten Ziel und den verfügbaren Daten. Alles, was wir für diese Modelle brauchen, sind gute Parameterwerte für das interessierende Molekül.

Mikrofluidische Zellkultursysteme wie Mikrozellkulturanaloga (μCCAs) könnten in Verbindung mit PBPK-Modellen verwendet werden. Diese verkleinerten μCCAs-Geräte, auch Body-on-a-Chip-Geräte genannt, können Multi-Gewebe-Interaktionen unter nahezu physiologischen Flüssigkeitsflussbedingungen und mit realistischen Gewebe-zu-Gewebe-Größenverhältnissen simulieren . Mit diesen Systemen gewonnene Daten können verwendet werden, um mechanistische Hypothesen zu testen und zu verfeinern. Mikrofabrikationsgeräte ermöglichen es uns auch, sie individuell zu gestalten und die Kompartimente der Organe zueinander korrekt zu skalieren.

Da das Gerät sowohl mit tierischen als auch mit menschlichen Zellen verwendet werden kann, kann es die speziesübergreifende Extrapolation erleichtern. In Verbindung mit PBPK-Modellen ermöglichen die Geräte eine Abschätzung der effektiven Konzentrationen, die für Studien mit Tiermodellen verwendet werden können oder die menschliche Reaktion vorhersagen. Bei der Entwicklung von Multikompartiment-Geräten können Darstellungen des menschlichen Körpers, wie sie in verwendeten PBPK-Modellen verwendet werden, verwendet werden, um das Gerätedesign hinsichtlich der Anordnung von Kammern und fluidischen Kanalverbindungen zu leiten, um den Medikamentenentwicklungsprozess zu verbessern, was zu einem erhöhten Erfolg bei der Entwicklung führt klinische Versuche.

Siehe auch

Verweise

Externe Links