Что такое орган-на-чипе?
Устройства «орган-на-чипе» (ООС) сочетают в себе передовые клеточные культуры с микроинженерией для создания передовой биотехнологии, обещающей произвести революцию в различных областях — от разработки лекарств до оценки химических рисков.
Устройство «орган-на-чипе» (ООС) представляет собой микромасштабную биомиметическую систему, которая воспроизводит сложные структуры и ключевые функции живых органов. Они делают это, контролируя движение жидкостей через миниатюрные каналы, мембраны и камеры, выстланные живыми человеческими клетками.
Их конструкция различается в зависимости от рассматриваемого органа, но в целом их можно разделить на одноканальные, двойные и многоканальные чипы. Наиболее распространенной является двухканальная конструкция, которая используется для исследования таких органов, как легкие, кишечник и гематоэнцефалический барьер. Другие конструктивные особенности, такие как форма камеры, диаметр канала и свойства мембраны, также зависят от органа и выбираются соответствующим образом.
Скорость потока жидкости в каналах является еще одним параметром, специфичным для органа, который необходимо точно и точно контролировать, чтобы установить желаемые напряжения сдвига жидкости, градиенты концентрации питательных веществ и кислорода, полярность и различные другие критические параметры в системе.
Это часто достигается за счет регулируемого по давлению потока с помощью шприцевых насосов, но также используются другие подходы, такие как перистальтические, электроосмотические или капиллярные насосы. Сложные многоканальные устройства также потребовали использования микроклапанов для контроля движения жидкости. Они могут быть пассивными по своей природе, такими как сифонные или гидрофобные клапаны, или активными, такими как пневматические или электростатические клапаны.
Устройства похожи по размеру на карту памяти USB с их микромасштабными функциями, которые обычно создаются с помощью таких методов изготовления, как мягкая литография, горячее тиснение и даже 3D-печать. Материалы для изготовления этих устройств должны быть оптически прозрачными (чтобы исследователи могли видеть систему), биосовместимыми (чтобы не оказывать ненадлежащего воздействия на систему) и экономически эффективными.
Таким образом, эластомер полидиметилсилоксан на основе кремния (PDMS) обычно используется для устройств, где требуется гибкость, а стекло - для устройств, где это не так. В последнее время термопласты также привлекли внимание из-за их химической стабильности и пригодности для эффективных методов производства, таких как литье под давлением и лазерная резка.
История
Истоки исследований in vitro восходят к началу двадцатого века, когда простые методы полуконтролируемого двухмерного культивирования дали базовое представление о росте и дифференцировке клеток. С тех пор были разработаны методы для получения физиологических и механических условий в организме ( условия in vivo ) с возрастающей точностью.
Это привело к созданию 3D-моделей культуры, таких как сфероид, органоид и биопечатная ткань, которые могут приспосабливаться к естественным изменениям формы и межклеточным соединениям, ранее запрещенным жестким 2D-культуральным субстратом.
Устройства OOC представляют собой следующий этап развития 3D-моделей культуры, предлагая улучшенную динамическую функциональность по сравнению с традиционными 3D-культурами благодаря использованию в них микромасштабного потока жидкости, называемого микрофлюидикой. Несмотря на то, что исследования проводились более 20 лет, устройства остаются в зачаточном состоянии: первый успешный чип был создан только в 2010 году Гарвардским институтом Висса.
С тех пор технология быстро развивалась, и теперь устройства могут успешно имитировать широкий спектр органов с невероятной точностью.
Приложения
Одним из основных применений устройств OOC является оценка безопасности лекарств до начала клинических испытаний. Современные методы доклинических испытаний in vitro основаны на двухмерных и упрощенных трехмерных культуральных моделях, которые часто дают вводящие в заблуждение результаты из-за неточности воспроизведения физиологических условий in vivo .
Похожие истории
Дополнительный автобус Kandou Bus от EPFL получил награду Academic Enterprise Award за последовательные соединения между чипами
Включение в один чип устройств из нескольких материалов
FSAL в четыре раза увеличивает пропускную способность с определенной скоростью передачи данных OIF для электрического интерфейса «чип-чип»
Ту же неточность можно сказать и об испытаниях на животных. Это приводит к печально известному медленному и дорогому процессу открытия и разработки лекарств: уровень одобрения лекарств для клинических испытаний составляет примерно 12%, при этом для вывода на рынок каждого соединения требуется до 10 лет и 3 миллиарда долларов (Wouters et al., 2020).
Устройства OOC уже демонстрируют свои преимущества для этой цели открытия и разработки. Например, Kostrzewski et al. (2019) разработали устройство «печень на чипе», которое позволило непредвиденно понять механизм, лежащий в основе наиболее распространенного хронического заболевания печени в развитых странах, неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Эти выводы было невозможно сделать с использованием традиционных и статических по своей сути трехмерных моделей культуры, и, по прогнозам, они приведут к первым успешным фармакологическим терапевтическим вариантам распространенного заболевания.
ООС, орган-на-чипе, орган-на-чипе, устройства ООС, органы, 3d культура, модели культур
Изображение предоставлено: luchschenF/Shutterstock.com
Другие области применения OOC включают в себя устройства для поддержки легких у недоношенных детей при дыхательной недостаточности, разработку высоко персонализированной медицины и моделирование инфекционных заболеваний, включая COVID-19.
Проблемы
Перед широким распространением ООС-устройств существует множество критических барьеров, особенно в отношении их стандартизации и проверки. Это связано с тем, что устройства не только включают в себя сложные и междисциплинарные новые технологии, что в настоящее время делает стандартизацию чрезвычайно сложной и, возможно, контрпродуктивной, но также и то, что ни модели животных, ни клинические эффекты человека не могут рассматриваться как однозначные стандарты для измерения достоверности устройств. Это делает применимость процесса валидации сомнительной, при этом некоторые предпочитают более целенаправленные этапы процесса квалификации.
Широкий спектр технических проблем создает дополнительные препятствия для принятия устройств. Это включает неселективное поглощение гидрофобных препаратов, особенно для устройств OOC на основе PDMS. Это ограничение является результатом склонности материала смешиваться с маслянистой фазой (называемой его липофильностью), что ограничивает возможные методы доставки лекарств для устройства и может существенно затруднить интерпретацию его аналитических результатов (Tajeddin and Mustafaoglu, 2021).
Другие технические проблемы включают в себя интеграцию датчиков для обеспечения мониторинга и автоматизации системы в режиме реального времени, ограниченную масштабируемость технологий производства устройств, эффективную изоляцию качественных первичных клеток для использования в качестве источников тканей внутри устройств, а также пагубные последствия доминирующей поверхности. Эффекты микромасштабного потока жидкости.
Будущие разработки
Основная тенденция этой технологии и, возможно, ее конечная цель — интегрировать все больше и больше органов на одном чипе, чтобы, наконец, создать полноценное «тело на чипе». Такое устройство будет состоять из нескольких соответствующим образом масштабируемых и функционально связанных органов, чтобы обеспечить среду тестирования беспрецедентной полноты и точности.
В свою очередь, эта тенденция к «мультиплексированию», несомненно, поставит новые и сложные задачи, требующие множества дальнейших исследований и разработок. Одним из таких новых достижений является включение стволовых клеток в качестве источника ткани для устройств.
Эти «самообновляющиеся» клетки, которые могут дифференцироваться в один или несколько специализированных типов клеток, являются более физиологически репрезентативными, чем другие клеточные линии, и, по прогнозам, они станут основным источником тканей для будущих устройств OOC (Wu et al., 2020). Другие примеры включают использование функциональных гидрогелей, разработку васкуляризированных устройств OOC и внедрение автоматизированной системы управления с обратной связью
Вопросы, отзывы, комментарии (0)
Нет комментариев