Die Multi-Organ Chip - Ein Mikrofluidik-Plattform für langfristige Multi-Gewebe Cokultur
28. April 2015
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Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Kokultivierung von Primärzellen, Gewebemodellen und Stanzbiopsien in einem mikrofluidischen Multiorgan-Chip für bis zu 28 Tage. Humane dermale mikrovaskuläre Endothelzellen, Leberaggregate und Hautbiopsien wurden erfolgreich in einem gemeinsamen Medienkreislauf kombiniert.
Übersicht
In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Kokultivierung von Primärzellen, Gewebemodellen und Stanzbiopsien mithilfe eines mikrofluidischen Multi-Organ-Chips über einen Zeitraum von bis zu 28 Tagen vorgestellt. Die erfolgreiche Kombination menschlicher dermaler mikrovaskulärer Endothelzellen, Leberaggregaten und Hautbiopsien in einem gemeinsamen Mediumkreislauf wird detailliert beschrieben.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Zellbiologie
- Mikrofluidik
Hintergrund
- Mikrofluidische Systeme ermöglichen die Integration mehrerer Organsysteme.
- Kokultivierungstechniken können die Untersuchung zellulärer Interaktionen verbessern.
- Die Aufrechterhaltung der Zellviabilität und -funktionalität über längere Zeiträume ist entscheidend.
- Diese Studie untersucht das Potenzial eines Multi-Organ-Chips für die Langzeitkultur.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines zuverlässigen Protokolls zum Kokultivieren verschiedener Zelltypen.
- Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen endothelialen Zellen und Gewebemodellen.
- Beurteilung der Zellviabilität in einer mikrofluidischen Umgebung über die Zeit.
Verwendete Methoden
- Design und Herstellung von mikrofluidischen Chips.
- Isolierung primärer humaner dermaler mikrovaskulärer Endothelzellen.
- Herstellung von Leberaggregaten und Hautbiopsien.
- Einrichtung einer gemeinsamen Medienzirkulation für die Kokultur.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Kokultur von Endothelzellen, Leberaggregaten und Hautbiopsien.
- Die Zellen behielten ihre Vitalität bis zu 28 Tage lang aufrecht.
- Beobachtungen zellulärer Interaktionen in der mikrofluidischen Umgebung.
- Mögliche Anwendungen in der Arzneimittelprüfung und Krankheitsmodellierung.
Schlussfolgerungen
- Der mikrofluidische Multi-Organ-Chip eignet sich effektiv für die Langzeit-Kokultur.
- Dieser Ansatz kann die Untersuchung komplexer zellulärer Wechselwirkungen erleichtern.
- Zukünftige Forschung könnte die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie erweitern.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein mikrofluidischer Multi-Organchip?
Ein mikrofluidisches Multi-Organ-Chip ist ein Gerät, das die gleichzeitige Kultivierung mehrerer Zelltypen in einer kontrollierten Umgebung ermöglicht.
Wie lange können Zellen in diesem System kultiviert werden?
Zellen können bis zu 28 Tage im mikrofluidischen Multi-Organ-Chip kultiviert werden.
Welche Arten von Zellen wurden in dieser Studie verwendet?
Die Studie verwendete humane dermale mikrovaskuläre Endothelzellen, Leberaggregatstrukturen und Hautbiopsien.
Welche potenziellen Anwendungen hat diese Forschung?
Mögliche Anwendungen umfassen die Arzneimittelprüfung und die Modellierung von Krankheiten in einer kontrollierten Umgebung.
Welche Vorteile bietet die Verwendung von Kokultivierungstechniken?
Ko-Kultur-Techniken können das Verständnis zellulärer Interaktionen verbessern und die Relevanz von In-vitro-Modellen erhöhen.
Wie funktioniert die Medienzirkulation im Chip?
Die Zirkulation des Kulturmediums ermöglicht den Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten und unterstützt so die Zellviabilität und -funktion.
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Die langfristige Mehrgewebekokultur in einer mikrofluidischen Plattform adressiert den entscheidenden Bedarf an prädiktiven präklinischen Modellen, die Organ-Organe-Interaktionen und die Effekte chronischer Substanzexposition besser erfassen. Durch die Bereitstellung stabiler, nahezu physiologischer Flüssigkeitsströmung und wiederholter Dosierung über 28 Tage ermöglicht das System eine mechanistische Risikominimierung in der frühen Entdeckungsphase und verbessert die Übertragbarkeit bei der Beurteilung von Hepatotoxizität und der Sicherheit von Hautexpositionen. Dies verankert die Technologie als wiederverwendbare Fähigkeit für die Identifizierung von Wirkstoffkandidaten und die prädiktive Modellierung in pharmazeutischen Forschungs- und Entwicklungsprozessen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung von Signalwegen über Gewebe hinweg und die mechanistische Absicherung von durch Wirkstoffe induzierten Organwechselwirkungen.
- Operationaler Wert: Unterstützt die funktionelle Validierung von Zielstrukturen in einem multizellulären Mikroumfeld, das die physiologische Komplexität widerspiegelt.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet eine standardisierte, reproduzierbare Plattform zur quantitativen Bewertung der Wirkungen von Substanzen an miteinander verbundenen Gewebemodellen.
- Operativer Wert: Ermöglicht eine skalierbare, langfristige Kokultur mit Medium-Perfusion für wiederholte Substanzexposition und Datenerhebung.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Krankheitsrelevanz, indem menschliche Leber-Haut-Gefäß-Interaktionen in einem kontrollierten, perfundierten System modelliert werden.
- Operativer Wert: Unterstützt die Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Bewertung, indem die Gewebefunktionalität über längere Kultivierungszeiträume aufrechterhalten wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Der mikrofluidische Multi-Organ-Chip lässt sich in frühe Entdeckungsworkflows integrieren, indem er die Hypothesenprüfung von organspezifischen Toxizitäten und die Modulation von Signalwegen in einem für den Menschen relevanten Kokultursystem ermöglicht.
- Entdeckungsbiologie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung zur Interaktion zwischen Organen und den Wirkungen von Substanzen auf gewebespezifische Funktionen.
- Screening: Bietet Testbereitschaft durch stabile, perfundierte Kokulturbedingungen, die für das Screening von Substanzbibliotheken geeignet sind.
- Analytik: Erzeugt quantitative, zeitlich aufgelöste Messwerte aus mehreren Gewebekompartimenten, um den Vergleich verschiedener Bedingungen zu unterstützen.
- Translationale Forschung: Fördert die präklinische Kontinuität, indem die organotypische Architektur und Funktion über 28-tägige Kulturperioden erhalten bleibt.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine wiederverwendbare Perfusionsplattform, die an verschiedene Gewebekombinationen und Substanztestkampagnen angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verbessert die Vorhersagesicherheit, indem mechanistische Unklarheiten bei der Interaktion zwischen Organen und der Reaktion auf Substanzen reduziert werden.
- Operationaler Wert: Gewährleistet Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von langfristigen multizellulären Kokulturen unter kontrolliertem Durchfluss.
- Strategischer Wert: Unterstützt fundiertere Go/No-Go-Entscheidungen, indem organ-spezifische Risiken frühzeitiger identifiziert werden, wodurch das Risiko von Ausfällen in späteren Entwicklungsstadien verringert wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung von Kandidaten basierend auf der Toleranz gegenüber mehreren Geweben und funktionellen Messgrößen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse im Betrieb mikrofluidischer Systeme, im Umgang mit primären Zellen und bei der Herstellung von Gewebemodellen.
- Ist abhängig von perfusionskompatibler Messtechnik, steriler Flüssigkeitsführung und Infrastruktur zur Echtzeitüberwachung.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams hinsichtlich Medienzusammensetzung, Durchflussraten und Probennahmeprotokollen, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen bei der Integration unterschiedlicher primärer Gewebe oder Biopsien mit variierenden Kulturbedingungen.
- Ist durch den Bedarf an spezialisierten Fertigungs- und Validierungsverfahren für Chip-Designs begrenzt, um physiologische Scherkräfte und Volumenverhältnisse aufrechtzuerhalten.
Biopharma-Häufige Fragen
Warum ist eine Langzeitkultur für Zielvalidierungsstudien wichtig?
Langzeitkulturen ermöglichen wiederholte Substanzexpositionen und die Beobachtung verzögerter oder kumulativer toxischer Wirkungen, die entscheidend sind, um Zielstrukturen in Modellen chronischer Erkrankungen zu validieren. Das System unterstützt die Vitalität von Kokulturen bis zu 28 Tage lang und erlaubt die Bewertung einer anhaltenden Zielstrukturenbindung sowie organspezifischer Reaktionen über die Zeit. Diese Dauer erhöht die Vorhersagesicherheit, da menschliche Applikationsschemata nachgebildet werden und organspezifische Wechselwirkungen mit verzögertem Auftreten erfasst werden können, die in Kurzzeitassays nicht erfasst werden.
Wie verbessert die Isolierung unabhängiger Variablen die Effizienz der Entdeckungspipeline?
Das mikrofluidische Design ermöglicht eine präzise Steuerung des Fluidflusses, der Medienzusammensetzung und der Gewebepositionierung, wodurch die Isolation von Variablen wie Scherstress oder Verbindungskonzentration ermöglicht wird. Diese Kontrolle verringert störende Faktoren in Kokultur-Experimenten und verbessert die Datenzuverlässigkeit für die Zielvalidierung und die Optimierung von Wirkstoffkandidaten. Durch die Standardisierung dieser Parameter können Teams Bedingungen über verschiedene Experimente hinweg mit größerer Reproduzierbarkeit und weniger falsch-positiven Ergebnissen vergleichen.
Welche quantitativen Messungen ermöglicht das System für abhängige Variablen?
Die Plattform unterstützt quantitative Messungen wie Metabolitausscheidung, Enzymaktivität, Barriereintegrität und Vitalitätsmarker aus jedem Geweekompartiment. Diese Messungen ermöglichen die Modellierung von Dosis-Wirkungs-Beziehungen und die kinetische Analyse von Substanzeffekten über verbundene Gewebe hinweg. Die zeitlich aufgelöste Probenahme über das Perfusionsystem erlaubt die longitudinale Verfolgung funktioneller Veränderungen und unterstützt so die Aufklärung von Wirkmechanismen und die Abschätzung von Sicherheitsmargen.
Warum sind Replikationsanforderungen für die Zusammenarbeit über Fachbereiche hinweg unerlässlich?
Die Replikation stellt sicher, dass beobachtete Gewebereaktionen konsistent sind und nicht auf stochastischer Variabilität bei der Zellseeding oder Chip-Präparation beruhen. Standardisierte Protokolle für die Bildung von Leberaggregaten, die Platzierung von Hautbiopsien und das Besiedeln mit endothelialen Zellen ermöglichen es Toxikologie-, DMPK- und Biologie-Teams, vergleichbare Daten zu generieren. Diese Konsistenz unterstützt die gemeinsame Interpretation der Ergebnisse und die Abstimmung über Go/No-Go-Kriterien in multidisziplinären Projektteams.
Welche statistischen Analysefähigkeiten sind vor der Implementierung dieses Systems erforderlich?
Die Durchführung erfordert die Fähigkeit zur Analyse longitudinaler Daten, einschließlich Varianzanalysen mit wiederholten Messungen (repeated measures ANOVA) oder gemischte Modelle (mixed-effects models), um zeitliche Korrelationen bei perfusionsbasierten Messgrößen zu berücksichtigen. Teams müssen außerdem eine Korrektur für multiple Vergleiche anwenden, wenn mehrere Gewebeendpunkte oder Zeitpunkte bewertet werden. Diese Fähigkeiten gewährleisten, dass beobachtete Unterschiede statistisch robust sind und nicht durch Rauschen verursacht werden, und unterstützen fundierte Entscheidungen in der präklinischen Bewertung.
