Wielonarządowy chip - platforma mikroprzepływowa do długoterminowej kokultury wielotkankowej
28 kwietnia 2015
32.3K wyświetleń
Tutaj prezentujemy protokół kohodowli komórek pierwotnych, modeli tkanek i biopsji dziurkowania w mikroprzepływowym chipie wielonarządowym przez okres do 28 dni. Ludzkie mikronaczyniowe komórki śródbłonka skóry, agregaty wątroby i biopsje skóry z powodzeniem połączono we wspólnym krążeniu pożywki.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół kokultury pierwotnych komórek, modeli tkankowych oraz biopsji wycinanych z wykorzystaniem mikrofluidycznego chipa wieloorganowego przez okres do 28 dni. Szczegółowo opisano udaną kombinację ludzkich mikrovascular endothelial cells skóry, agregatów wątroby oraz biopsji skóry we wspólnym obiegu pożywki.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia komórki
- Mikrofluidyka
Wprowadzenie
- Systemy mikroprzepływowe umożliwiają integrację wielu układów organowych.
- Techniki kokultury mogą usprawnić badanie interakcji komórkowych.
- Kluczowe jest utrzymanie żywotności i funkcjonalności komórek przez dłuższy czas.
- Niniejsze badanie analizuje potencjał wieloorganowego chipa do długoterminowej hodowli.
Cel badania
- Opracowanie wiarygodnego protokołu kokultywacji różnych typów komórek.
- Zbadanie interakcji między komórkami śródbłonka a modelami tkankowymi.
- Ocena żywotności komórek w środowisku mikrofluidycznym w czasie.
Zastosowane metody
- Projektowanie i wykonanie chipa mikroprzepływowego.
- Izolacja pierwotnych ludzkich mikrovascularnych komórek śródbłonka skóry.
- Przygotowanie agregatów wątrobowych i biopsji skóry.
- Ustanowienie wspólnego obiegu pożywki dla kokultury.
Główne wyniki
- Pomyślna kokultura komórek śródbłonka, agregatów wątrobowych i biopsji skóry.
- Zachowanie żywotności komórek przez okres do 28 dni.
- Obserwacje interakcji komórkowych w środowisku mikrofluidycznym.
- Potencjalne zastosowania w badaniach nad lekami i modelowaniu chorób.
Wnioski
- Mikrofluidyczny chip wieloorganowy jest skuteczny w długotrwałej kokulturze.
- Podejście to może ułatwić badanie złożonych oddziaływań komórkowych.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć zastosowania tej technologii.
Najczęściej zadawane pytania
Czym jest mikrofluidyczny chip wieloorganowy?
Mikrofluidyczny chip wieloorganowy to urządzenie umożliwiające jednoczesną hodowlę wielu typów komórek w kontrolowanym środowisku.
Jak długo można hodować komórki w tym systemie?
Komórki mogą być hodowane przez okres do 28 dni w mikrofluidycznym chipie wieloorganowym.
Jakie rodzaje komórek zostały wykorzystane w tym badaniu?
W badaniu wykorzystano ludzkie mikro naczyniowe komórki śródbłonka skóry, agregaty wątroby oraz biopsje skóry.
Jakie są potencjalne zastosowania tych badań?
Potencjalne zastosowania obejmują testowanie leków oraz modelowanie chorób w kontrolowanym środowisku.
Jakie są korzyści z zastosowania technik kokultury?
Techniki kokultury mogą zwiększyć zrozumienie oddziaływań komórkowych i poprawić reprezentatywność modeli in vitro.
W jaki sposób odbywa się cyrkulacja pożywki w chipie?
Cyrkulacja pożywki umożliwia wymianę składników odżywczych i produktów przemiany materii, wspierając żywotność i funkcje komórek.
Znaczenie dla przemysłu
Długoterminowa kokultura wielu tkanek na platformie mikrofluidycznej odpowiada na krytyczną potrzebę tworzenia predykcyjnych modeli przedklinicznych, które lepiej oddają oddziaływania między narządami oraz efekty przewlekłej ekspozycji na substancje. Dzięki zapewnieniu stabilnego, zbliżonego do fizjologicznego przepływu płynów i powtarzanych dawek w ciągu 28 dni, system wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka we wczesnej fazie odkrywania oraz zwiększa pewność translacyjną w ocenie hepatotoksyczności i bezpieczeństwa dermatologicznego. Pozycjonuje to technologię jako wielokrotnego użytku narzędzie do identyfikacji wiodących związków i modelowania predykcyjnego w procesach badawczo-rozwojowych w farmacji.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie szlaków sygnalizacji międzytkankowej oraz mechaniczną weryfikację ryzyka w kontekście interakcji organów indukowanych przez związki chemiczne.
- Wartość operacyjna: Wspiera walidację funkcjonalną celów w wielokomórkowym mikrośrodowisku odzwierciedlającym złożoność fizjologiczną.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowaną, powtarzalną platformę do ilościowej oceny wpływu substancji w połączonych modelach tkankowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia skalowalną, długoterminową kokulturę z perfuzją pożywki w celu wielokrotnej ekspozycji na związek i zbierania wyników.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Zwiększa istotność w badaniach nad chorobami poprzez modelowanie interakcji wątroba-skóra-naczynia u ludzi w kontrolowanym systemie perfuzyjnym.
- Wartość operacyjna: Wspiera ciągłość procesu od etapu odkrycia po ocenę przedkliniczną dzięki utrzymaniu funkcjonalności tkanek podczas przedłużonych okresów hodowli.
Integracja potoku i przepływu pracy
Mikroprzepływowy układ wieloorganowy integruje się z wczesnymi etapami procesów badawczych, umożliwiając weryfikację hipotez dotyczących toksyczności specyficznej dla organów oraz modulacji szlaków sygnałowych w systemie kokultury istotnym dla organizmu ludzkiego.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących komunikacji międzyorganowej oraz wpływu związków na funkcje specyficzne dla tkanek.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do przeprowadzania testów dzięki stabilnym warunkom perfuzji kokultury, odpowiednim do przesiewania bibliotek związków.
- Analityka: Generuje ilościowe, rozdzielone w czasie odczyty z wielu przedziałów tkankowych w celu wsparcia analizy porównawczej warunków.
- Badania translacyjne: Wspiera ciągłość przedkliniczną poprzez zachowanie architektury i funkcji organotypowych w 28-dniowych okresach hodowli.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnego użytku platformę perfuzyjną, którą można dostosować do wielu kombinacji tkanek i kampanii testowania związków.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w komunikacji międzyorganowej i odpowiedzi na substancje.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację, powtarzalność i skalowalność długoterminowych wielokomórkowych kokultur w warunkach kontrolowanego przepływu.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie lepszych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) dzięki wcześniejszej identyfikacji ryzyk specyficznych dla danego organu, co zmniejsza ryzyko niepowodzeń na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o tolerancję wielu tkanek oraz wyniki funkcjonalne.
Kwestie dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w obsłudze systemów mikroprzepływowych, pracy z pierwotnymi komórkami oraz przygotowywania modeli tkankowych.
- Zależy od instrumentacji kompatybilnej z perfuzją, sterylnego obchodzenia się z cieczami oraz infrastruktury do monitorowania w czasie rzeczywistym.
- Wymaga standaryzacji składów pożywek, szybkości przepływu i protokołów pobierania próbek pomiędzy zespołami w celu uzyskania powtarzalnych wyników.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania procedur przy integrowaniu różnych tkankek pierwotnych lub biopsji o zróżnicowanych wymaganiach hodowlanych.
- Ograniczone przez potrzebę specjalistycznego wykonania i walidacji projektów chipów w celu zachowania fizjologicznego naprężenia ścinającego oraz stosunków objętości.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Dlaczego długoterminowa hodowla jest istotna w badaniach nad walidacją celu?
Długoterminowe hodowle umożliwiają wielokrotną ekspozycję na substancje oraz obserwację opóźnionych lub kumulatywnych efektów toksycznych, co ma kluczowe znaczenie dla walidacji celów w modelach chorób przewlekłych. System ten zapewnia przeżywalność kokultur do 28 dni, co pozwala na ocenę trwałości oddziaływania na cel oraz odpowiedzi specyficznych dla organów w czasie. Taki okres trwania zwiększa wiarygodność prognostyczną poprzez naśladowanie ludzkich schematów dawkowania i ujawnianie późnych interakcji międzyorganowych, których nie można uchwycić w testach krótkoterminowych.
W jaki sposób izolacja zmiennych niezależnych poprawia wydajność procesu badawczego?
Konstrukcja mikroprzepływowa pozwala na precyzyjną kontrolę przepływu cieczy, składu mediów oraz rozmieszczenia tkanek, co umożliwia izolację zmiennych, takich jak naprężenie ścinające lub stężenie związku. Kontrola ta ogranicza występowanie czynników zakłócających w eksperymentach z kokulturą, zwiększając wiarygodność danych w procesie walidacji celu i optymalizacji wiodących związków. Dzięki standaryzacji tych parametrów zespoły badawcze mogą porównywać warunki w różnych eksperymentach z większą powtarzalnością i mniejszą liczbą wyników fałszywie dodatnich.
Jakie pomiary ilościowe zmiennych zależnych umożliwia system?
Platforma umożliwia uzyskiwanie ilościowych odczytów, takich jak wydzielanie metabolitów, aktywność enzymatyczna, integralność barier oraz markery żywotności z każdego przedziału tkankowego. Pomiary te pozwalają na modelowanie zależności dawka-odpowiedź oraz analizę kinetyczną efektów działania substancji w połączonych tkankach. Pobieranie próbek w czasie za pomocą systemu perfuzyjnego umożliwia podłużne śledzenie zmian funkcjonalnych, co wspiera analizę mechanizmów działania oraz szacowanie marginesu bezpieczeństwa.
Dlaczego wymagania dotyczące replikacji są niezbędne dla współpracy międzyfunkcyjnej?
Powtórzenia zapewniają, że zaobserwowane odpowiedzi tkanek są spójne i nie wynikają ze stochastycznej zmienności w wysiewaniu komórek lub przygotowaniu chipa. Ustandaryzowane protokoły tworzenia agregatów wątrobowych, umieszczania biopsji skóry oraz wysiewania komórek śródbłonka pozwalają zespołom zajmującym się toksykologią, DMPK oraz biologią na generowanie porównywalnych danych. Taka spójność ułatwia wspólną interpretację wyników i uzgodnienie kryteriów go/no-go w multidyscyplinarnych zespołach projektowych.
Jakie możliwości analizy statystycznej są wymagane przed wdrożeniem tego systemu?
Wdrożenie wymaga umiejętności przeprowadzania analizy danych podłużnych, w tym ANOVA z powtarzanymi pomiarami lub modeli mieszanych, aby uwzględnić korelacje czasowe w odczytach opartych na perfuzji. Zespoły muszą również zastosować korektę dla wielokrotnych porównań podczas oceny wielu punktów końcowych tkanek lub punktów czasowych. Możliwości te zapewniają, że zaobserwowane różnice są statystycznie istotne i nie wynikają z szumu, co pozwala na podejmowanie pewnych decyzji w ocenie przedklinicznej.
Chapters in this video
0:05
Title
1:25
Endothelialization of Multi-organ Co-culture
4:37
Loading the Chip
5:32
Connecting the Chip to the Pump Control Unit
6:24
On-line Analysis of Medium Samples
7:51
Results: Multi-tissue Co-culture Using the Multi-organ Chip
9:36
Conclusion
