Ölçeklenebilir gerilebilir, Çift kanal, mikrosıvısal Organ cips imalatı
Summary
Burada, açıklar gerilebilir, Çift Kanal imalatı, organ çip mikrosıvısal hücre kültür cihazlar organ düzeyi işlevlerine içinde in vitrorecapitulating için bir iletişim kuralı mevcut.
Abstract
Hayvan çalışmaları insan hastalarda klinik yanıt tahmin etmek sık sık başarısız olmaları nedeniyle çok sayıda kurşun bileşikleri ilaç boru hattı başarısız. Etkinlik, toksisite ve farmakokinetik (PK) profilleri insanlarda değerlendirmek için bir deneysel vitro platformu sağlayan insan Organ-on-a-Chip (Organ Chip) mikrosıvısal hücre kültür aygıtları,-ebilmek var olmak daha iyi tedavi edici etkinliği belirleyicileri ve Emanet için hayvan çalışmaları karşılaştırıldığında Kliniği. Bu cihazların hemen hemen herhangi bir organ türü işlevini model oluşturmak için kullanılan ve fluidically gerek kalmadan organ ve tüm vücut düzeyi insan fizyolojisi üzerinde vitro çalışmalar gerçekleştirmek için ortak endotel kaplı mikro aracılığıyla bağlanabilir insanlar üzerinde deneyler. Bu Organ fişleri geçirgen bir elastomerik membran organ özgü parenkima hücreleri bir tarafta ve hangi cyclically sağlamak için gergin olabilir diğer mikrovasküler endotel ile ayrılmış iki periosteum mikrosıvısal kanal oluşur organ özgü mekanik yardımlar (hareketleri akciğer nefesmesela ). Bu iletişim kuralı esnek, Çift Kanal imalatı detayları, Organ cips 3D kullanarak bölümlerinin döküm yoluyla kalıpları, birden fazla döküm kombinasyonu etkinleştirme ve adımları post-processing basılmış. Gözenekli poli (dimetil siloxane) (PDMS) membranlar boyutlu mikrometre ile döküm delik aracılığıyla silikon ayağı dizileri altında sıkıştırma kullanarak. İmalat ve montaj Organ fiş ekipman ve geleneksel bir temiz oda dışında uygulanabilir adımları içerir. Bu iletişim kuralı araştırmacılar vitro organ ve vücut düzey çalışmalar ilaç bulma, güvenlik ve etkinliğini test yanı sıra temel biyolojik süreçlerin mekanik çalışmaları için Organ çip teknolojisine erişim sağlar.
Introduction
Burada, Çift kanallı, imalatı bozukluklarına Organ-on-a-Chip (Organ Chip) mikrosıvısal kültür aygıtları kullanarak bir ölçeklenebilir protokol mükellef üniteleri ve geleneksel yumuşak litografi araçlarına erişim eksik araştırma grupları tarafından kullanılacak açıklayın. Bu cihazlar insan organ-düzey işlevleri anlayış normal ve hastalık Fizyoloji yanı sıra uyuşturucu yanıt vitro1,2için özetlemek için geliştirilmiştir. Kritik Mühendislik için bu işlevselliği yarı geçirgen bir zar (Şekil 1) tarafından ayrılmış iki periosteum mikrosıvısal kanallar vardır. Bu tasarım rekreasyon dokular, genellikle geçirgen membran bir tarafındaki organ parenkima hücreleri ve diğer vasküler endotel yanı sıra sıvı akış maruz kaldıkları en az iki tür arasındaki doku doku arayüzlerin sağlar. Ayrıca, çünkü elastomerik polimer, poli (dimetil siloxane) (PDMS) imal Organ çip vücut için kullanılır ve membran bileşenleri, döngüsel mekanik zorlanma mühendislik tüm uygulanabilir doku doku arabirim üzerinden elastik membran organlarının hareketleri akciğer ve bağırsak bağırsakların nefes gibi yaşam, doğal fiziksel microenvironment taklit etmek için.
Şekil 1: Organ çip kesiti. Organ cips iki kanal her iki tarafta hücrelerle seribaşı gözenekli, elastik zar ayrılmış oluşur. En iyi kanal kesitleri vardır 1 mm x 1 mm yüksek, alt geniş kanal çapraz bölüm 1 mm x 0.2 mm yüksek ve vakum kanalları hem de ve alt bölümleri geniş 0.3 mm genişliğinde, 0,5 mm yüksek vardır ve sıvı kanallardan 0.3 mm aralıklı vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Bu gerilebilir, Çift kanal, Organ cips nanopartikül emme akciğer ve akciğer ödemi ilaçla3,4hareket nefes etkisini gösteren için kullanılmıştır; farklılaşma5 ve bağırsak5,6,7bakteriyel büyüme üzerindeki etkileri peristaltik hareket; ve döngüsel deformasyonlar nedeniyle nabız kalp farklılaşması üzerine etkisi ve olgunlaşma böbrek8glomerular podocytes. Ayrıca, bir endotel kaplı vasküler kanal bir hücre dışı matriks (ECM) tarafından ayrılmış içeren bu iki lümen cihazlar-ayrı olarak erişilebilir bir kanal içinde parenkima hücrelerden kaplı membran uyuşturucu PK karakterizasyonu için uygundur parametreleri ve sınırlı tek perfüzyon yeni hedef bulma sistemleri kanal. Ayrıca, birden fazla Organ cips birlikte yolu ile bağlantılı olabilir etkili bir insan vücut-Tarih-hangi tedavi geliştirme9için bir çekici insan vitro platform teklif verebilir, cips, oluşturmak için onların vasküler kanallar 10. En mikro-fizyolojik sistemleri (MPS)11,12,13farklı olarak, Organ cips parenkima vasküler etkileşimlerine kolaylaştırır gözenekli bir zar ayrılmış iki mikrosıvısal kanal içerir. vivo organ fonksiyon özetlemek. Bu sadece vasküler kanallar aracılığıyla ortak bir orta ventriküler tarafından farklı organların birlikte bağlama kolaylaştırır, ancak doku ve sıvıları compartmentalization vivo içinde işlevlerini taklit eder ve farmakokinetik deneme destekler ve vitro–vivo içinde ekstrapolasyon9,zor veya imkansız tek kanal MPS14,15,1610 yanı sıra modelleme. PDMS popülaritesi mikrosıvısal aygıtları araçları geliştirme için malzemenin doğal yetenek küçük moleküller10,17emmek için üstesinden gelmek için açmıştır. Ancak, cips nerede PDMS emici bileşikleri ve mikrobiyal ajanlar kullanımı olun Organ fiş zor yeniden biyolojik çalışmaları desteklemek için gereken çok sayıda küçük araştırma grupları için bile bir ölçeklenebilir üretim süreci gerektirir. Burada açıklanan protokolü erişim üniteleri ve yumuşak litografi eksik dahil olmak üzere akademik laboratuarlarında kullanılmaya uygun cihaz imalat için bir yöntem sunar. Bu iletişim kuralı çok çeşitli temel biyolojik süreçlerin yanı sıra translasyonel terapötik geliştirme keşfetmek için gerilebilir, Çift Kanal aygıtları kullanmak isteyen araştırmacılar tarafından Organ yongaları için erişim genişletmek amaçlamaktadır.
Micromanufacturing alanları birleştirmek ile üretim için tasarım en iyi yöntemleri yararlanarak, sağlam bir yaklaşım yüksek tekrarlanabilirlik ve verim ile Organ çip cihazlar büyük miktarlarda imalatı için geliştirilmiştir. Burada açıklanan imalat Protokolü Organ çip üretimi için ölçeklenebilir bir yöntem sağlar. Biz kadar ölçeklendirme PDMS bileşenleri döküm etkinleştirmek için poliüretan conta şeritler ile birleştiğinde bir isteğe bağlı kalıp yerinde Jig (MIP; Ekmalzeme sökülüp takılması) nasıl kullanılacağını açıklar. Demolding dokulu yan kolaylaştırır süre poliüretan şeritler parlak yüz optik pürüzsüz PDMS parçalar üretmek. Ayrıca, bir isteğe bağlı otomatik membran fabrikatör (toplu iş başına 24 membranlar kadar imalatı için kür sırasında membran gofret kalıp Tekdüzen sıkıştırması sağlayan AMF) nasıl kullanılacağını açıklar. Tasarım geniş deneyim mekanik zorlanma ve perfüzyon dokuların oluşan organ çalışmaları için geçerlidir ve bu fişleri ile küçük ve büyük ihtiyaçlarını karşılamak için gereken miktarlar düşük çip çip değişkenlik üretilebilir araştırma grupları aynı. Bir toplu iş veya seri üretim bandından biçimine mükellef ve kolayca üretim süreçleri, personel eğitimi ve duyarlı sorun giderme kontrol için kalite değerlendirmesi protokolleri ile uyumlu akışıdır. Umarız bu protokolü erişim çift kanallı, gerilebilir, Organ yongaları için temel ve translasyonel araştırma yeteneklerini için genişleyecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İmalat işleminin yüksek çözünürlükte 3D yazdırılan kalıpları için PDMS üst ve alt Organ çip karoserisi micromolded gözenekli PDMS Membranlar ile birleştiğinde desen kullanır. Bu kritik yaklaşım kurmak ölçeklendirilen imalat ve takım değiştirme içine hızlı geçiş ile birlikte prototipleme kolaylığı nedeniyle seçildi. Üst bileşen kalıp döküm adımı sırasında tanımlanmış dikey profilleri ile hassas yerlerde desen noktalarına tasarlanmıştır. Bu sadece emek erişim bağlantı n…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M. Rousseau ve S. Kroll ilk fabrikasyon Protokolü gelişimine katkıları için fotoğraf ve videografisi ve M. Ingram, J. Nguyen, ö. Shea ve N. Wen ile yardım için teşekkür. Bu araştırma için biyolojik ilham mühendislik Harvard Üniversitesi ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı işbirliği anlaşmaları #W911NF-12-2-0036 ve #W911NF-16-C-0050 altında Wyss Enstitüsü tarafından sponsor oldu ve FDA verin # HHSF223201310079C, hibe NIH #R01-EB020004 ve #UG3-HL141797-01 ve Bill ve Melinda Gates Vakfı DEI için verir #OPP1163237 ve #OPP1173198. Sayısı ve sonuçlar bu belgede yer alan yazarlar ve resmi ilkelerine, ifade veya ima, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, gıda ve İlaç İdaresi, temsil olarak yorumlanmalıdır değil Ulusal Sağlık Enstitüleri, veya ABD hükümeti.
Materials
| Personal Protective Equipment | |||
| Hairnet | VWR | 89107-770 | |
| Tyvek lab coat | VWR | 13450-506 | |
| Extended cuff gloves | VWR | 89521-898 | |
| Equipment | |||
| Cutting mat | VWR | 102096-430 | |
| Tile cutter | McMaster-Carr | 26765A31 | |
| Mold-in-place (MIP) top molds | Protolabs, Inc. | custom | printed in Prototherm 12120 |
| Mold-in-place (MIP) bottom molds | Protolabs, Inc. | custom | printed in Prototherm 12121 |
| Duckbill curved forceps | VWR | 63041-864 | |
| Sharp tipped forceps | Electron Microscopy Sciences | 72700-D | |
| Metal spatula | VWR | 82027-528 | |
| Deep reactive ion etch (DRIE) pillar array wafers | Sensera, Inc. | custom | Four 50 x 50 mm pillar arrays per wafer; pillars 7 um wide, 50 um tall, spaced hexagonally 40 um apart |
| Textured polycarbonate .01” thick | McMaster-Carr | 85585K33 | cut to 45 mm square |
| PDMS blocks (40 x 40 x 5 mm) | n/a | custom | |
| Laminar flow hood | Germfree | BVBI | cast in-house |
| Air gun | |||
| 60°C level oven | |||
| Vacuum desiccator | |||
| Mass balance | accuracy to 0.1 g | ||
| Plasma machine | Diener | Nano | oxygen plasma capability is critical |
| Supplies | |||
| Sylgard 184 poly (dimethylsiloxane) (PDMS) base/curing agent kit | Ellsworth Adhesives | 4019862 | |
| Mixing cup | Ensure adequate ventilation when handling prepolymer due to low levels of ethylbenzene | ||
| 1 mL syringe | VWR | 10099-395 | |
| Cleanroom wipes | VWR | TWTX1080 | |
| 25 x 75 mm glass microscope slides | VWR | 48311-703 | |
| Packing tape | VWR | 500043-724 | |
| Scotch tape | VWR | 500026-873 | |
| Die-cut Polyurethane (PU) strips | Atlantic Gasket, Inc. | custom: AGWI2X3 | 1/8” thick; 60 Durometer Black Polyurethane; 2” x 3” |
| Polycarbonate film .005” thick | McMaster-Carr | 85585K102 | |
| 100 x 100 x 15 mm square gridded petri dishes | VWR | 60872-480 | |
| Aluminum foil | |||
| Optional Equipment | |||
| Thinky PDMS Mixer | Thinky | ARE-310 | |
| Mold-in place (MIP) jig | in-house | screw clamp compression jig | |
| Automated membrane fabricator (AMF) | in-house | pneumatic compression piston array with programmable heater |
References
- Bhatia, S. N., Ingber, D. E. Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology. 32 (8), 760-772 (2014).
- Benam, K. H., et al. Engineered In vitro Disease Models. Annual Review of Pathology Mechanisms of Disease. 10 (1), 195-262 (2015).
- Huh, D., et al. A Human Disease Model of Drug Toxicity-Induced Pulmonary Edema in a Lung-on-a-Chip Microdevice. Science Translational Medicine. 4 (159), 159ra147 (2012).
- Huh, D., et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).
- Kim, H. J., Huh, D., Hamilton, G., Ingber, D. E. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab on a Chip. 12 (12), 2165-2174 (2012).
- Kim, H. J., Ingber, D. E. Gut-on-a-Chip microenvironment induces human intestinal cells to undergo villus differentiation. Integrative Biology. 5 (9), 1130-1140 (2013).
- Kim, H. J., Li, H., Collins, J. J., Ingber, D. E. Contributions of microbiome and mechanical deformation to intestinal bacterial overgrowth and inflammation in a human gut-on-a-chip. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (1), E7-E15 (2016).
- Musah, S., et al. Mature induced-pluripotent-stem-cell-derived human podocytes reconstitute kidney glomerular-capillary-wall function on a chip. Nature Biomedical Engineering. 1 (5), s41551-017-0069–017 (2017).
- Somayaji, M. R., Das, D., Przekwas, A. Computational approaches for modeling and analysis of human-on-chip systems for drug testing and characterization. Drug Discovery Today. 21 (12), 1859-1862 (2016).
- Prantil-Baun, R., et al. Physiologically Based Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Analysis Enabled by Microfluidically Linked Organs-on-Chips. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 58 (1), 37-64 (2018).
- Mahler, G. J., Esch, M. B., Stokol, T., Hickman, J. J., Shuler, M. L. Body-on-a-chip systems for animal-free toxicity testing. Alternatives to laboratory animals: ATLA. 44 (5), 469-478 (2016).
- Miller, P. G., Shuler, M. L. Design and demonstration of a pumpless 14 compartment microphysiological system. Biotechnology and Bioengineering. 113 (10), 2213-2227 (2016).
- Coppeta, J. R., et al. A portable and reconfigurable multi-organ platform for drug development with onboard microfluidic flow control. Lab Chip. 17 (1), 134-144 (2016).
- Wikswo, J. P., et al. Scaling and systems biology for integrating multiple organs-on-a-chip. Lab on a Chip. 13 (18), 3496-3511 (2013).
- Sung, J. H., et al. Using PBPK guided "Body-on-a-Chip" Systems to Predict Mammalian Response to Drug and Chemical Exposure. Experimental biology and medicine (Maywood, N.J.). 239 (9), 1225-1239 (2014).
- Stokes, C., Cirit, M., Lauffenburger, D. Physiome-on-a-Chip: The Challenge of "Scaling" in Design, Operation, and Translation of Microphysiological Systems. CPT: Pharmacometrics & Systems Pharmacology. 4 (10), 559-562 (2015).
- Shirure, V. S., George, S. C. Design considerations to minimize the impact of drug absorption in polymer-based organ-on-a-chip platforms. Lab Chip. , (2017).
- Huh, D., et al. Microfabrication of human organs-on-chips. Nature Protocols. 8 (11), 2135-2157 (2013).
- Tran, T. T., et al. Exact kinetic analysis of passive transport across a polarized confluent MDCK cell monolayer modeled as a single barrier. Journal of Pharmaceutical Sciences. 93 (8), 2108-2123 (2004).
- Henry, O. Y. F., et al. Organs-on-chips with integrated electrodes for trans-epithelial electrical resistance (TEER) measurements of human epithelial barrier function. Lab on a Chip. 17 (13), 2264-2271 (2017).
- Maoz, B. M., et al. Organs-on-Chips with combined multi-electrode array and transepithelial electrical resistance measurement capabilities. Lab on a Chip. 17 (13), 2294-2302 (2017).
- Benam, K. H., et al. Matched-Comparative Modeling of Normal and Diseased Human Airway Responses Using a Microengineered Breathing Lung Chip. Cell Systems. 3 (5), 456-466 (2016).
