Brain-on-a-chipEdit

Brain-on-a-Chip-Geräte schaffen eine Schnittstelle zwischen Neurowissenschaften und Mikrofluidik durch: 1) Verbesserung der Kulturlebensfähigkeit; 2) Unterstützung des Hochdurchsatz-Screenings; 3) Modellierung der Physiologie und Krankheit auf Organebene in vitro / ex vivo und 4) Hinzufügen einer hohen Präzision und Abstimmbarkeit von mikrofluidischen Geräten. Brain-on-a-Chip-Geräte umfassen mehrere Komplexitätsebenen in Bezug auf die Zellkulturmethodik. Geräte wurden unter Verwendung von Plattformen hergestellt, die von traditioneller 2D-Zellkultur bis zu 3D-Geweben in Form von organotypischen Gehirnschnitten reichen.

Überblick über organotypische Hirnschnittebearbeiten

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 weiterhin multizelluläre Interaktionen auftreten können. Ihre Verwendung ist flexibel, da Scheiben akut (weniger als 6 Stunden nach der Scheibenernte) verwendet oder für spätere experimentelle Zwecke kultiviert werden können. Da organotypische Hirnschnitte wochenlang lebensfähig bleiben können, können Langzeiteffekte untersucht werden. Slice-basierte Systeme bieten auch experimentellen Zugang mit präziser Kontrolle der extrazellulären Umgebungen, was sie zu einer geeigneten Plattform für die Korrelation von Krankheiten mit neuropathologischen Ergebnissen macht. Da etwa 10 bis 20 Scheiben aus einem einzigen Gehirn extrahiert werden können, ist die Verwendung von Tieren im Vergleich zu In-vivo-Studien signifikant reduziert. Organotypische Hirnschnitte können von mehreren Tierarten (z. B. Ratten), aber auch von Menschen extrahiert und kultiviert werden.

ApplicationsEdit

Mikrofluidische Geräte wurden mit organotypischen Scheiben gepaart, um die Lebensfähigkeit der Kultur zu verbessern. Das Standardverfahren für die Kultivierung von organotypischen Hirnschnitten (etwa 300 Mikrometer dick) verwendet halbporöse Membranen, um eine Luft-Medium-Grenzfläche zu schaffen, aber diese Technik führt zu Diffusionsbeschränkungen von Nährstoffen und gelösten Gasen. Da mikrofluidische Systeme eine laminare Strömung dieser notwendigen Nährstoffe und Gase einführen, wird der Transport verbessert und eine höhere Lebensfähigkeit des Gewebes kann erreicht werden. Zusätzlich zur Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit von Standardschnitten haben Brain-on-a-Chip-Plattformen die erfolgreiche Kultivierung von dickeren Gehirnschnitten (etwa 700 Mikron) ermöglicht, trotz einer signifikanten Transportbarriere aufgrund der Dicke. Da dickere Scheiben eine native Gewebearchitektur beibehalten, können Brain-on-a-Chip-Geräte mehr „in vivo-ähnliche“ Eigenschaften erzielen, ohne die Zelllebensfähigkeit 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 in Glioblastoma multiform (die häufigste Form von menschlichem Hirntumor) zu screenen. Diese Screening-Ansätze wurden mit der Modellierung der Blut-Hirn-Schranke (BBB) kombiniert, einer signifikanten Hürde für Medikamente, die bei der Behandlung des Gehirns überwunden werden müssen, so dass 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, wodurch eine lokalisierte Mikroperfusion in Arzneimittelanwendungen ermöglicht wird. Da mikrofluidische Bauelemente mit optischer Zugänglichkeit 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 von wesentlicher Bedeutung. Darüber hinaus wurden Brain-on-a-Chip-Geräte für die medizinische Diagnostik verwendet, beispielsweise zur Erkennung von Biomarkern für Krebs in Hirngewebeschnitten.

Grenzwertebearbeiten

Brain-on-a-Chip-Geräte können aufgrund des Durchflusses kleiner Kanäle eine Scherbelastung von Zellen oder Gewebe verursachen, die zu Zellschäden führen kann. Diese kleinen Kanäle führen auch zu einer Anfälligkeit für das Einfangen von Luftblasen, die den Fluss stören 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 Blutegel bilden.

Lung-on-a-chipEdit

Lung-on-a-Chips werden entwickelt, um die physiologische Relevanz bestehender in vitro alveolar-kapillarer Grenzflächenmodelle zu verbessern. Ein solches multifunktionales Mikrogerät kann wichtige strukturelle, funktionelle und mechanische Eigenschaften der menschlichen Alveolar-Kapillaren-Grenzfläche (d. H. 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 anliegende Mikrokanäle enthält, die durch eine dünne (10 µm) poröse flexible Membran aus PDMS getrennt sind. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus drei mikrofluidischen Kanälen, und nur der mittlere hält die poröse Membran. Kulturzellen wurden auf beiden Seiten der Membran gezüchtet: menschliche Alveolarepithelzellen auf der einen Seite und menschliche pulmonale mikrovaskuläre 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 der normalen Inspiration im Atemzyklus eines Menschen nimmt der intrapleurale Druck ab und löst eine Ausdehnung der Alveolen aus. Wenn Luft in die Lunge gezogen wird, werden das Alveolarepithel und das gekoppelte Endothel in den Kapillaren gedehnt. Da ein Vakuum an die Seitenkanäle angeschlossen ist, führt ein Druckabfall dazu, dass sich der mittlere Kanal ausdehnt, wodurch die poröse Membran und anschließend die gesamte alveolar-kapillare Grenzfläche gedehnt wird. Die druckgetriebene dynamische Bewegung hinter der Dehnung der Membran, die auch als zyklische mechanische Dehnung (mit einem Wert von ungefähr 10%) beschrieben wird, erhöht die Rate der Nanopartikeltranslokation über die poröse Membran im Vergleich zu einer statischen Version dieses Geräts und zu einem Transwell-Kultursystem signifikant.

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:

• Pulmonale Entzündung

Pulmonale Entzündungsreaktionen erfordern eine mehrstufige Strategie, aber neben einer erhöhten Produktion von Epithelzellen und einer frühen Freisetzung von Zytokinen sollte die Grenzfläche eine erhöhte Anzahl von Leukozyten-Adhäsionsmolekülen aufweisen. In Huhs Experiment wurde die Lungenentzündung simuliert, indem Medium eingeführt wurde, das einen potenten proinflammatorischen Mediator enthielt. Nur Stunden nach der Verursachung der Verletzung reagierten die Zellen in der mikrofluidischen Vorrichtung, die einer zyklischen Belastung ausgesetzt waren, entsprechend der zuvor erwähnten biologischen Reaktion.

• Lungeninfektion

Lebende E-coli-Bakterien wurden verwendet, um zu demonstrieren, 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 weniger Stunden wurden Neutrophile im Alveolarkompartiment nachgewiesen, was bedeutet, dass sie aus dem vaskulären Mikrokanal, in dem die poröse Membran die Bakterien phagozytiert hatte, transmigriert waren. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass der potenzielle Wert dieses Lung-on-a-Chip-Systems in toxikologischen Anwendungen helfen wird. Durch die Untersuchung der pulmonalen Reaktion auf Nanopartikel hoffen die Forscher, mehr über Gesundheitsrisiken in bestimmten Umgebungen zu erfahren und zuvor stark vereinfachte In-vitro-Modelle zu korrigieren. Da ein mikrofluidischer Lung-on-a-Chip die mechanischen Eigenschaften einer lebenden menschlichen Lunge genauer reproduzieren kann, sind seine physiologischen Reaktionen schneller und genauer als bei einem Transwell-Kultursystem. Veröffentlichte Studien geben jedoch zu, dass die Reaktionen einer Lunge auf einem Chip die Reaktionen nativer Alveolarepithelzellen noch nicht vollständig reproduzieren.

Heart-on-a-chipEdit

Frühere Versuche, in vivo kardiale Gewebeumgebungen zu replizieren, haben sich aufgrund von Schwierigkeiten bei der Nachahmung von Kontraktilität und elektrophysiologischen Reaktionen als schwierig erwiesen. Solche Merkmale würden die Genauigkeit von In-vitro-Experimenten erheblich erhöhen.

Die Mikrofluidik hat bereits zu In-vitro-Experimenten an Kardiomyozyten beigetragen, die die elektrischen Impulse erzeugen, die die Herzfrequenz steuern. Zum Beispiel haben Forscher eine Reihe von PDMS-Mikrokammern gebaut, die mit Sensoren und stimulierenden Elektroden 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 um extrazelluläre Potentiale von einzelnen adulten murinen Kardiomyozyten zu messen.Ein berichtetes Design eines Heart-on-a-Chip behauptet, „ein effizientes Mittel zur Messung von Struktur-Funktions-Beziehungen in Konstrukten aufgebaut 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 Zellstrukturdeformation) zur Kraft beitragen, die bei der Herzkontraktilität erzeugt wird. Dieses Heart-on-a-Chip ist ein biohybrides Konstrukt: Ein konstruiertes anisotropes ventrikuläres Myokard ist ein elastomerer Dünnfilm.

Der Entwurfs- und Herstellungsprozess dieser speziellen mikrofluidischen Vorrichtung besteht darin, zuerst die Kanten einer Glasoberfläche mit Klebeband (oder einem beliebigen Schutzfilm) abzudecken, um die gewünschte Form des Substrats zu konturieren. Anschließend wird eine Spincoat-Schicht PNIPA aufgetragen. Nach seiner Auflösung wird der Schutzfilm abgezogen, was zu einem selbststehenden Körper von PNIPA führt. Die letzten Schritte umfassen die Schleuderbeschichtung der Schutzoberfläche von PDMS über den Deckschlicker und das Aushärten. Muskuläre Dünnfilme (MTF) ermöglichen die Herstellung von Herzmuskel-Monoschichten auf einem dünnen flexiblen Substrat aus PDMS. Um die 2D-Zellkultur richtig zu säen, wurde eine Mikrokontaktdrucktechnik verwendet, um ein Fibronektin- „Ziegelwand“ -Muster auf der PDMS-Oberfläche auszulegen. Sobald die ventrikulären Myozyten auf dem funktionalisierten Substrat ausgesät waren, orientierte das Fibronektin-Muster sie, um eine anisotrope Monoschicht zu erzeugen.

Nach dem Schneiden der dünnen Filme in zwei Reihen mit rechteckigen Zähnen und anschließender Platzierung des gesamten Geräts in einem Bad stimulieren Elektroden die Kontraktion der Myozyten über eine Feldstimulation – wodurch die Streifen / Zähne im MTF gekrümmt werden. Forscher haben eine Korrelation zwischen Gewebestress und dem Krümmungsradius der MTF-Streifen während des Kontraktionszyklus entwickelt und den demonstrierten Chip als „Plattform für die Quantifizierung von Stress, Elektrophysiologie und zellulärer Architektur“ validiert.“

Kidney-on-a-chipEdit

Nierenzellen und Nephrone wurden bereits von mikrofluidischen Geräten simuliert. „Solche Zellkulturen können zu neuen Einblicken in die Zell- und Organfunktion führen und für das Arzneimittelscreening genutzt werden“. Ein Kidney-on-a-Chip-Gerät hat das Potenzial, die Forschung zu beschleunigen, die einen künstlichen Ersatz für die verlorene Nierenfunktion umfasst. Heutzutage müssen Dialysepatienten bis zu dreimal pro Woche in eine Klinik gehen. Eine transportablere und zugänglichere Behandlungsform würde nicht nur die allgemeine Gesundheit des Patienten verbessern (durch Erhöhung der Behandlungshäufigkeit), sondern der gesamte Prozess würde effizienter und erträglicher. Die Forschung an künstlichen Nieren ist bestrebt, durch innovative Disziplinen die Transportierbarkeit, Tragbarkeit und möglicherweise Implantationsfähigkeit der Geräte zu verbessern: mikrofluidik, Miniaturisierung und Nanotechnologie.

Nephron-on-a-chipEdit

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 repliziert.

Jedes Teil der Vorrichtung hat sein einzigartiges Design, das im Allgemeinen aus zwei mikrofabrizierten Schichten besteht, die durch eine Membran getrennt sind. Der einzige Einlass zur mikrofluidischen Vorrichtung ist für die eintretende Blutprobe ausgelegt. Im Glomerulusabschnitt des Nephrons lässt die Membran bestimmte Blutpartikel durch ihre Wand aus Kapillarzellen, die aus Endothel, Basalmembran und epithelialen Podozyten bestehen. Die Flüssigkeit, die aus dem Kapillarblut in den Bowman-Raum gefiltert wird, wird Filtrat oder Primärurin genannt.

In den Tubuli werden dem Filtrat im Rahmen der Urinbildung einige Substanzen zugesetzt und einige Substanzen aus dem Filtrat wieder in das Blut resorbiert. Das erste Segment dieser Tubuli ist der proximale gewundene Tubulus. Hier findet die fast vollständige Aufnahme ernährungsphysiologisch wichtiger Substanzen 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 nierenproximalen Tubuluszellen 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 sind bestrebt, den Gegenstrommechanismus der Henle-Schleife zu simulieren. Ebenso erfordert die Henle-Schleife eine Reihe verschiedener Zelltypen, da jeder Zelltyp unterschiedliche Transporteigenschaften und -eigenschaften aufweist. Dazu gehören die absteigenden Gliedmaßenzellen, dünne aufsteigende Gliedmaßenzellen, dicke aufsteigende Gliedmaßenzellen, kortikale Sammelkanalzellen und Marksammelkanalzellen.

Ein Schritt zur Validierung der Simulation des vollständigen Filtrations- und Reabsorptionsverhaltens eines physiologischen Nephrons durch das mikrofluidische Gerät wäre der Nachweis, dass die Transporteigenschaften zwischen Blut und Filtrat in Bezug auf den Ort ihres Auftretens und das, was von der Membran eingelassen wird, identisch sind. Zum Beispiel tritt die große Mehrheit des passiven Transports von Wasser im proximalen Tubulus und dem absteigenden dünnen Glied auf, oder der aktive Transport von NaCl tritt weitgehend im proximalen Tubulus und dem dicken aufsteigenden Glied auf. Die Konstruktionsanforderungen der Vorrichtung würden erfordern, dass die Filtrationsfraktion im Glomerulus zwischen 15-20% variiert oder die Filtrationsreabsorption im proximalen gewundenen Tubulus zwischen 65-70% variiert und schließlich die Harnstoffkonzentration im Urin (gesammelt an einem der beiden Ausgänge der Vorrichtung) zwischen 200-400 mm variiert.

Ein kürzlich veröffentlichter Bericht veranschaulicht ein biomimic Nephron auf Hydrogel-Mikrofluidik-Vorrichtungen mit der Etablierung der Funktion der passiven Diffusion. Die komplexe physiologische Funktion von Nephron wird auf der Grundlage von 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, zellverkleideter und perforierbarer Mikrokanäle innerhalb von 3D-Hydrogel. Die Gefäßendothel- und Nierenepithelzellen werden innerhalb des Hydrogelmikrokanals kultiviert und bilden eine Zellabdeckung, um Gefäße bzw. Sie verwendeten ein konfokales Mikroskop, um die passive Diffusion eines kleinen organischen Moleküls (normalerweise Arzneimittel) zwischen den Gefäßen und Tubuli in Hydrogel zu untersuchen. Die Studie zeigt das vorteilhafte Potenzial, die Nierenphysiologie für die regenerative Medizin und das Arzneimittelscreening nachzuahmen.

Vessel-on-a-chipEdit

Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden häufig durch Veränderungen der Struktur und Funktion kleiner Blutgefäße verursacht. Zum Beispiel deuten selbstberichtete Bluthochdruckraten 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 es 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 liefern und bessere Behandlungsstrategien entwickeln. Axel Gunther von der University of Toronto argumentiert, dass solche MEMS-basierten Geräte möglicherweise bei der Beurteilung des mikrovaskulären Status eines Patienten in einem klinischen Umfeld (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 derzeit jedoch manuell geschultes Personal und sind nicht skalierbar. Ein Artery-on-a-Chip könnte mehrere dieser Einschränkungen überwinden, indem er eine Arterie auf einer Plattform aufnimmt, die skalierbar, kostengünstig und möglicherweise in ihrer Herstellung automatisiert wäre.

Eine organbasierte mikrofluidische Plattform wurde als Lab-on-a-Chip entwickelt, auf dem ein fragiles Blutgefäß fixiert werden kann, wodurch Determinanten von Resistenzarterienfehlfunktionen untersucht werden können.

Die Mikroumgebung der Arterie ist durch Umgebungstemperatur, Transmuraldruck und luminale & abluminale Wirkstoffkonzentrationen gekennzeichnet. Die vielfältigen Eingaben aus einer Mikroumgebung verursachen eine Vielzahl mechanischer oder chemischer Reize auf die glatten Muskelzellen (SMCs) und Endothelzellen (ECs), die die äußeren und luminalen Wände 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. Pathogene Konzepte glauben derzeit, dass subtile 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 spezifische Stärke in seiner Fähigkeit liegt, heterogene Raum-Zeit-Einflüsse innerhalb der Mikroumgebung zu kontrollieren und zu simulieren, während Myographie-Protokolle 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 zu den Außenwänden ermöglichen, die dem Arzneimittel zugewandte Seite viel mehr verengt wird als die dem Arzneimittel gegenüberliegende Seite.

Der Artery-on-a-Chip ist für die reversible Implantation der Probe ausgelegt. Das Gerät enthält ein Mikrokanalnetzwerk, einen Arterienbeladebereich und einen separaten Arterieninspektionsbereich. Es gibt einen Mikrokanal, der zum Laden des Arteriensegments verwendet wird, und wenn der Ladeschacht versiegelt 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 zur Fixierung der beiden Enden des arteriellen Segments. 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 abgegeben wird. Eine thermoelektrische Heizung und ein Thermoresistor werden an den Chip angeschlossen und halten physiologische Temperaturen am Arterieninspektionsbereich aufrecht.

Das Protokoll zum Laden und Sichern der Gewebeprobe in die Inspektionszone hilft zu verstehen, wie dieser Ansatz die Funktionen des gesamten Organs erkennt. Nach dem Eintauchen des Gewebesegments in die Beschickungsmulde wird der Beschickungsvorgang durch eine Spritze angetrieben, die am fernen Ende des Beschickungskanals eine konstante Flussrate an Pufferlösung entnimmt. Dies bewirkt den Transport der Arterie in Richtung ihrer dedizierten Position. Dies geschieht mit geschlossenen Fixierungs- und Superfusions-Ein- / Auslassleitungen. Nach dem Stoppen der Pumpe wird durch einen der Fixierungskanäle Unterdruck angelegt. Dann wird nach dem Verschließen des Ladeschachtes der zweite Fixierkanal mit einem Unterdruck beaufschlagt. Jetzt ist die Arterie symmetrisch im Inspektionsbereich etabliert, und ein transmuraler Druck wird durch das Segment gefühlt. Die verbleibenden Kanäle werden geöffnet und die konstante Perfusion und Superfusion werden mit separaten Spritzenpumpen eingestellt.

Vessel-on-Chips wurden zur Untersuchung vieler Krankheitsprozesse eingesetzt. Zum Beispiel entwickelten Alireza Mashaghi und seine Mitarbeiter ein Modell zur Untersuchung des viralen hämorrhagischen Syndroms, das einen virusinduzierten vaskulären Integritätsverlust beinhaltet. Das Modell wurde verwendet, um Ebola-Virus-Krankheit zu studieren und Anti-Ebola-Medikamente zu studieren.

Skin-on-a-chipEdit

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. Als solche umfassen Skin-on-a-Chip (SoC) -Anwendungen das Testen von topischen Pharmazeutika und Kosmetika, das Studium der Pathologie von Hautkrankheiten und Entzündungen sowie das „Erstellen nichtinvasiver automatisierter zellulärer Assays“, um auf das Vorhandensein von Antigenen oder Antikörpern zu testen, die das Vorhandensein eines Pathogens anzeigen könnten. Trotz der großen Vielfalt an möglichen Anwendungen ist im Vergleich zu vielen anderen Organ-on-a-Chips wie Lunge und Nieren relativ wenig Forschung in die Entwicklung eines Skin-on-a-Chips geflossen. Probleme wie die Ablösung des Kollagengerüsts von Mikrokanälen, unvollständige Zelldifferenzierung und vorherrschende Verwendung von Poly (Dimethysiloxan) (PDMS) für die Geräteherstellung, von denen gezeigt wurde, dass sie Chemikalien in biologische Proben auslaugen und nicht in Massen hergestellt werden können Standardisierung einer Plattform. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist die Variabilität des Zellkulturgerüsts oder der Basissubstanz, in der Zellen kultiviert werden, die in Skin-on-Chip-Geräten verwendet wird. Im menschlichen Körper ist diese Substanz als extrazelluläre Matrix bekannt.

Die extrazelluläre Matrix (ECM) besteht hauptsächlich aus Kollagen, und verschiedene kollagenbasierte Gerüste wurden in SoC-Modellen getestet. Kollagen neigt dazu, sich während der Kultivierung aufgrund der Kontraktion von Fibroblasten vom mikrofluidischen Rückgrat zu lösen. In einer Studie wurde versucht, dieses Problem anzugehen, indem die Eigenschaften von Kollagengerüsten aus drei verschiedenen tierischen Quellen verglichen wurden: Schweinehaut, Rattenschwanz und Entenfüße. Andere Studien hatten auch Ablösungsprobleme aufgrund von Kontraktion, 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 Hautmatrix auf Fibrinbasis ersetzt wurde, die sich nicht zusammenzog. Eine größere Differenzierung und Bildung von Zellschichten wurde auch in der mikrofluidischen Kultur im Vergleich zur herkömmlichen statischen Kultur berichtet, was mit früheren Befunden einer verbesserten Zell-Zell- und Zell-Matrix-Wechselwirkung aufgrund dynamischer Perfusion oder einer erhöhten Permeation durch interstitielle Räume aufgrund des Drucks durch kontinuierlichen Medienfluss übereinstimmt. Es wird angenommen, dass diese verbesserte Differenzierung und dieses Wachstum teilweise ein Produkt der Scherspannung ist, die durch den Druckgradienten entlang eines Mikrokanals aufgrund des Flüssigkeitsstroms 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, der harten äußeren Schicht der Epidermis, verbessert, die die Hauptbarriere für das Eindringen in die Oberflächenschicht der Haut darstellt.Die dynamische Perfusion kann auch die Zelllebensfähigkeit verbessern, was durch die Platzierung eines kommerziellen Hautäquivalents in einer mikrofluidischen Plattform demonstriert wird, die die erwartete Lebensdauer um mehrere Wochen verlängert. Diese frühe Studie zeigte auch die Bedeutung von Haarfollikeln in hautäquivalenten Modellen. Haarfollikel sind der primäre Weg 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 System entwickelt, das aus drei Schichten besteht, der Epidermis, der Dermis und der Endothelschicht, die durch poröse Membranen getrennt sind, um Ödeme, Schwellungen aufgrund der Ansammlung von extrazellulärer Flüssigkeit, 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.