Brain-on-a-chipEdit

Brain-on-a-chip-enheter skapar ett gränssnitt mellan neurovetenskap och mikrofluidik genom att: 1) förbättra Odlingens livskraft; 2) stödja screening med hög genomströmning; 3) modellering av organnivå fysiologi och sjukdom in vitro/ex vivo, och 4) lägga till hög precision och avstämbarhet hos mikrofluidiska enheter. Brain-on-a-chip-enheter spänner över flera nivåer av komplexitet när det gäller cellodlingsmetodik. Enheter har gjorts med hjälp av plattformar som sträcker sig från traditionell 2D-cellkultur till 3D-vävnader i form av organotypiska hjärnskivor.

översikt över organotypiska hjärnskivorredigera

Organotypiska hjärnskivor är en in vitro-modell som replikerar in vivo fysiologi med ytterligare genomströmning och optiska fördelar, vilket därmed parar bra med mikrofluidiska enheter. Hjärnskivor har fördelar jämfört med primär cellkultur genom att vävnadsarkitektur bevaras och multicellulära interaktioner kan fortfarande uppstå. Det finns flexibilitet i användningen, eftersom skivor kan användas akut (mindre än 6 timmar efter skivskörd) eller odlas för senare experimentell användning. Eftersom organotypiska hjärnskivor kan bibehålla livskraften i veckor, tillåter de att långsiktiga effekter studeras. Skivbaserade system ger också experimentell åtkomst med exakt kontroll av extracellulära miljöer, vilket gör den till en lämplig plattform för att korrelera sjukdom med neuropatologiska resultat. Eftersom cirka 10 till 20 skivor kan extraheras från en enda hjärna, minskas djuranvändningen signifikant i förhållande till in vivo-studier. Organotypiska hjärnskivor kan extraheras och odlas från flera djurarter (t.ex. råttor), men också från människor.

ApplicationsEdit

mikrofluidiska enheter har parats ihop med organotypiska skivor för att förbättra Odlingens livskraft. Standardproceduren för odling av organotypiska hjärnskivor (cirka 300 mikron i tjocklek) använder halvporösa membran för att skapa ett luftmediumgränssnitt, men denna teknik resulterar i diffusionsbegränsningar av näringsämnen och upplösta gaser. Eftersom mikrofluidiska system introducerar laminärt flöde av dessa nödvändiga näringsämnen och gaser, förbättras transporten och högre vävnadsviabilitet kan uppnås. Förutom att hålla standardskivor livskraftiga har brain-on-a-chip-plattformar möjliggjort framgångsrik odling av tjockare hjärnskivor (cirka 700 mikron), trots en betydande transportbarriär på grund av tjocklek. Eftersom tjockare skivor behåller mer inbyggd vävnadsarkitektur tillåter detta hjärn-on-a-chip-enheter att uppnå mer ”in vivo-liknande” egenskaper utan att offra cellens livskraft. Mikrofluidiska enheter stöder screening med hög genomströmning och toxikologiska bedömningar i både 2D-och skivkulturer, vilket leder till utveckling av nya terapier riktade mot hjärnan. En enhet kunde screena drogerna pitavastatin och irinotekan kombinatoriskt i glioblastoma multiform (den vanligaste formen av mänsklig hjärncancer). Dessa screeningmetoder har kombinerats med modellering av blod-hjärnbarriären (BBB), ett signifikant hinder för läkemedel att övervinna vid behandling av hjärnan, vilket möjliggör läkemedelseffektivitet över denna barriär som ska studeras in vitro. Mikrofluidiska sonder har använts för att leverera färgämnen med hög regional precision, vilket ger plats för lokaliserad mikroperfusion i läkemedelsapplikationer. Eftersom mikrofluidiska enheter kan utformas med optisk tillgänglighet möjliggör detta också visualisering av morfologi och processer i specifika regioner eller enskilda celler. Brain-on-a-chip-system kan modellera organnivå fysiologi i neurologiska sjukdomar, såsom Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och multipel skleros mer exakt än med traditionella 2D-och 3D-cellodlingstekniker. Förmågan att modellera dessa sjukdomar på ett sätt som indikerar in vivo-tillstånd är avgörande för översättning av terapier och behandlingar. Dessutom har brain-on-a-chip-enheter använts för medicinsk diagnostik, såsom vid biomarkördetektering för cancer i hjärnvävnadsskivor.

LimitationsEdit

Brain-on-a-chip-enheter kan orsaka skjuvspänning på celler eller vävnad på grund av flöde genom små kanaler, vilket kan leda till cellskador. Dessa små kanaler introducerar också mottaglighet för infångning av luftbubblor som kan störa flödet och potentiellt orsaka skador på cellerna. Den utbredda användningen av PDMS (polydimetylsiloxan) i hjärn-on-a-chip-enheter har vissa nackdelar. Även om PDMS är billigt, formbart och transparent, kan proteiner och små molekyler absorberas av det och senare leech vid okontrollerade hastigheter.

Lung-on-a-chipEdit

Lung-on-a-chips utformas i ett försök att förbättra den fysiologiska relevansen av befintliga in vitro-alveolära kapillärgränssnittsmodeller. En sådan multifunktionell mikroenhet kan reproducera viktiga strukturella, funktionella och mekaniska egenskaper hos det mänskliga alveolära kapillärgränssnittet (dvs den grundläggande funktionella enheten i den levande lungan).Dongeun Huh från Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard beskriver deras tillverkning av ett system som innehåller två nära apposed mikrokanaler åtskilda av ett tunt (10 occurm) poröst flexibelt membran tillverkat av PDMS. Anordningen består till stor del av tre mikrofluidiska kanaler, och endast den mellersta håller det porösa membranet. Odlingsceller odlades på vardera sidan av membranet: humana alveolära epitelceller på ena sidan och humana lungmikrovaskulära endotelceller på den andra.

avdelningen av kanalerna underlättar inte bara luftflödet som en vätska som levererar celler och näringsämnen till epitelets apikala yta, men möjliggör också tryckskillnader mellan mitten och sidokanalerna. Under normal inspiration i en människas andningscykel minskar intrapleuralt tryck, vilket utlöser en expansion av alveolerna. När luft dras in i lungorna sträcks alveolärt epitel och det kopplade endotelet i kapillärerna. Eftersom ett vakuum är anslutet till sidokanalerna kommer en minskning av trycket att orsaka att mittkanalen expanderar, vilket sträcker det porösa membranet och därefter hela alveolära kapillärgränssnittet. Den tryckdrivna dynamiska rörelsen bakom membranets sträckning, som också beskrivs som en cyklisk mekanisk stam (värderad till ungefär 10%), ökar signifikant hastigheten av nanopartikeltranslokation över det porösa membranet, jämfört med en statisk version av denna enhet och till ett Transwell-kultursystem.

för att fullständigt validera den biologiska noggrannheten hos en enhet måste dess helorganssvar utvärderas. I detta fall orsakade forskare skador på cellerna:

• lunginflammation

Lunginflammatoriska svar medför en flerstegsstrategi, men tillsammans med en ökad produktion av epitelceller och en tidig responsfrisättning av cytokiner, bör gränssnittet genomgå ett ökat antal leukocytadhesionsmolekyler. I Huhs experiment simulerades lunginflammationen genom att införa medium innehållande en potent proinflammatorisk medlare. Endast timmar efter att skadan orsakades reagerade cellerna i den mikrofluidiska anordningen som utsattes för en cyklisk stam i enlighet med det tidigare nämnda biologiska svaret.

• lunginfektion

levande E-coli-bakterier användes för att visa hur systemet till och med kan efterlikna det medfödda cellulära svaret på en bakteriell lunginfektion. Bakterierna infördes på den apikala ytan av det alveolära epitelet. Inom några timmar detekterades neutrofiler i det alveolära facket, vilket innebär att de hade överförts från den vaskulära mikrokanalen där det porösa membranet hade fagocytiserat bakterierna. dessutom tror forskare att det potentiella värdet av detta lung-on-a-chip-system kommer att hjälpa till i toxikologiska tillämpningar. Genom att undersöka lungsvaret på nanopartiklar hoppas forskare att lära sig mer om hälsorisker i vissa miljöer och korrigera tidigare förenklade in vitro-modeller. Eftersom en mikrofluidisk lung-on-a-chip mer exakt kan reproducera de mekaniska egenskaperna hos en levande mänsklig lunga, kommer dess fysiologiska svar att vara snabbare och mer exakta än ett Transwellkultursystem. Icke desto mindre medger publicerade studier att svar från en lung-on-a-chip ännu inte helt reproducerar svaren från infödda alveolära epitelceller.

Heart-on-a-chipEdit

tidigare försök att replikera in vivo hjärtvävnadsmiljöer har visat sig vara utmanande på grund av svårigheter när man efterliknar kontraktilitet och elektrofysiologiska svar. Sådana egenskaper skulle i hög grad öka noggrannheten hos in vitro-experiment.

mikrofluidik har redan bidragit till in vitro-experiment på kardiomyocyter, som genererar de elektriska impulserna som styr hjärtfrekvensen. Till exempel har forskare byggt en rad PDMS-mikrokammare, i linje med sensorer och stimulerande elektroder som ett verktyg som elektrokemiskt och optiskt övervakar kardiomyocyternas metabolism. Ett annat lab-on-a-chip kombinerade på liknande sätt ett mikrofluidiskt nätverk i PDMS med plana mikroelektroder, den här gången för att mäta extracellulära potentialer från enstaka vuxna murina kardiomyocyter.en rapporterad design av ett hjärta-på-ett-chip påstår sig ha byggt ”ett effektivt sätt att mäta struktur-funktionsrelationer i konstruktioner som replikerar de hierarkiska vävnadsarkitekturerna av laminär hjärtmuskel.”Detta chip bestämmer att inriktningen av myocyterna i den kontraktila apparaten gjord av hjärtvävnad och genuttrycksprofilen (påverkad av form och cellstrukturdeformation) bidrar till den kraft som produceras i hjärtkontraktilitet. Detta hjärta-på-ett-chip är en biohybridkonstruktion: ett konstruerat anisotropiskt ventrikulärt myokardium är en elastomer tunnfilm.

design-och tillverkningsprocessen för denna speciella mikrofluidiska anordning innebär att man först täcker kanterna på en glasyta med tejp (eller någon skyddande film), såsom att konturera substratets önskade form. Ett spinnskikt av PNIPA appliceras sedan. Efter upplösningen skalas skyddsfilmen bort, vilket resulterar i en självstående kropp av PNIPA. De sista stegen involverar spinnbeläggningen av skyddande yta av PDMS över täckglidningen och härdningen. Muskulösa tunna filmer (MTF) gör det möjligt för hjärtmuskelmonolager att konstrueras på ett tunt flexibelt substrat av PDMS. För att korrekt frö 2D-cellkulturen användes en mikrokontakttrycksteknik för att lägga ut ett fibronektin ”tegelvägg” – mönster på PDMS-ytan. När de ventrikulära myocyterna såddes på det funktionaliserade substratet orienterade fibronektinmönstret dem för att generera ett anisotropiskt monoskikt.

efter skärning av de tunna filmerna i två rader med rektangulära tänder och efterföljande placering av hela enheten i ett bad stimulerar elektroderna sammandragningen av myocyterna via en fältstimulering-vilket böjer remsorna/tänderna i MTF. Forskare har utvecklat en korrelation mellan vävnadsspänning och krökningsradien hos MTF-remsorna under kontraktil cykeln, validering av det demonstrerade chipet som en ”plattform för kvantifiering av stress, elektrofysiologi och cellulär arkitektur.”

njure-på-en-chipEdit

njurceller och nefroner har redan simulerats av mikrofluidiska enheter. ”Sådana cellkulturer kan leda till nya insikter i cell-och organfunktion och användas för läkemedelsscreening”. En njure-on-a-chip-enhet har potential att påskynda forskning som omfattar artificiell ersättning för förlorad njurfunktion. Numera kräver dialys att patienter går till en klinik upp till tre gånger per vecka. En mer transportabel och tillgänglig behandlingsform skulle inte bara öka patientens allmänna hälsa (genom att öka behandlingsfrekvensen), men hela processen skulle bli effektivare och tolerabel. Konstgjord njurforskning strävar efter att få transportabilitet, bärbarhet och kanske implantationskapacitet till enheterna genom innovativa discipliner: mikrofluidik, miniatyrisering och nanoteknik.

Nephron-on-a-chipEdit

nephronen är den funktionella enheten i njuren och består av en glomerulus och en rörformig komponent. Forskare vid MIT hävdar att de har utformat en bioartificiell enhet som replikerar funktionen hos nefronens glomerulus, proximal invecklad tubule och slinga av Henle.

varje del av enheten har sin unika design, som i allmänhet består av två mikrofabricerade lager åtskilda av ett membran. Det enda inloppet till mikrofluidanordningen är utformat för det inmatade blodprovet. I glomerulussektionen av nefronen tillåter membranet vissa blodpartiklar genom sin vägg av kapillärceller, sammansatta av endotelet, källarmembranet och epitelpodocyterna. Vätskan som filtreras från kapillärblodet till Bowmans utrymme kallas filtrat eller primär urin.

i tubulerna tillsätts vissa ämnen till filtratet som en del av urinbildningen, och vissa ämnen reabsorberas ut ur filtratet och tillbaka i blodet. Det första segmentet av dessa tubuler är den proximala invecklade tubulen. Det är här den nästan fullständiga absorptionen av näringsmässigt viktiga ämnen äger rum. I anordningen är detta avsnitt bara en rak kanal, men blodpartiklar som går till filtratet måste korsa det tidigare nämnda membranet och ett lager av njurproximala tubulärceller. Det andra segmentet av tubulerna är Henles slinga där reabsorptionen av vatten och joner från urinen äger rum. Enhetens looping-kanaler strävar efter att simulera Motströmsmekanismen i Henles slinga. På samma sätt kräver slingan av Henle ett antal olika celltyper eftersom varje celltyp har distinkta transportegenskaper och egenskaper. Dessa inkluderar de fallande lemcellerna, tunna stigande lemceller, tjocka stigande lemceller, kortikala uppsamlingskanalceller och medullära uppsamlingskanalceller.

ett steg mot validering av mikrofluidanordningens simulering av hela filtrerings-och reabsorptionsbeteendet hos en fysiologisk nefron skulle innefatta att visa att transportegenskaperna mellan blod och filtrat är identiska med avseende på var de förekommer och vad som släpps in av membranet. Till exempel sker den stora majoriteten av passiv transport av vatten i den proximala tubulen och den nedåtgående tunna lemmen, eller den aktiva transporten av NaCl förekommer till stor del i den proximala tubulen och den tjocka stigande lemmen. Anordningens konstruktionskrav skulle kräva att filtreringsfraktionen i glomerulus varierar mellan 15-20%, eller att filtreringsreabsorptionen i den proximala invecklade tubulen varierar mellan 65-70% och slutligen ureakoncentrationen i urinen (uppsamlad vid en av enhetens två utlopp) varierar mellan 200-400 mm.

en ny rapport illustrerar en biomimisk nefron på hydrogelmikrofluidiska enheter med upprättande av funktionen av passiv diffusion. Nephrons komplexa fysiologiska funktion uppnås på grundval av interaktioner mellan kärl och tubuler (båda är ihåliga kanaler). Konventionella laboratorietekniker fokuserar emellertid vanligtvis på 2D-strukturer, såsom petriskål som saknar förmåga att rekapitulera verklig fysiologi som förekommer i 3D. därför utvecklade författarna en ny metod för att tillverka funktionella, cellfoder och perfuserbara mikrokanaler inuti 3D-hydrogel. Kärlets endotel-och njurepitelceller odlas inuti hydrogelmikrokanal och bildar cellulär täckning för att efterlikna kärl respektive tubuler. De använde konfokalt mikroskop för att undersöka passiv diffusion av en liten organisk molekyl (vanligtvis droger) mellan kärlen och tubulerna i hydrogel. Studien visar den fördelaktiga potentialen att efterlikna njurfysiologi för regenerativ medicin och läkemedelsscreening.

Vessel-on-a-chipEdit

kardiovaskulära sjukdomar orsakas ofta av förändringar i struktur och funktion hos små blodkärl. Till exempel föreslår självrapporterade frekvenser av högt blodtryck att hastigheten ökar, säger en rapport från 2003 från National Health and Nutrition Examination Survey. En mikrofluidisk plattform som simulerar det biologiska svaret hos en artär kunde inte bara möjliggöra organbaserade skärmar att förekomma oftare under en läkemedelsutvecklingsstudie utan också ge en omfattande förståelse för de underliggande mekanismerna bakom patologiska förändringar i små artärer och utveckla bättre behandlingsstrategier. Axel Gunther från University of Toronto hävdar att sådana MEMS-baserade enheter potentiellt kan hjälpa till vid bedömningen av en patients mikrovaskulära status i klinisk miljö (personlig medicin).

konventionella metoder som används för att undersöka inneboende egenskaper hos isolerade resistenskärl (arterioler och små artärer med diametrar som varierar mellan 30 och 300 kg) inkluderar tryckmyografitekniken. Sådana metoder kräver emellertid för närvarande manuellt skicklig personal och är inte skalbara. En artär-on-a-chip kan övervinna flera av dessa begränsningar genom att rymma en artär på en plattform som skulle vara skalbar, billig och eventuellt automatiserad i sin tillverkning.

en organbaserad mikrofluidisk plattform har utvecklats som ett lab-on-a-chip på vilket ett bräckligt blodkärl kan fixeras, vilket möjliggör determinanter av resistansartärfel att studeras.

artärmikromiljön kännetecknas av omgivande temperatur, transmuralt tryck och luminal & abluminala läkemedelskoncentrationer. De multipla ingångarna från en mikromiljö orsakar ett brett spektrum av mekaniska eller kemiska stimuli på glatta muskelceller (SMCs) och endotelceller (ECs) som leder kärlets yttre respektive luminala väggar. Endotelceller är ansvariga för att frigöra vasokonstriktion och vasodilatorfaktorer, vilket modifierar tonen. Vaskulär ton definieras som graden av förträngning inuti ett blodkärl i förhållande till dess maximala diameter. Patogena begrepp tror för närvarande att subtila förändringar i denna mikromiljö har uttalade effekter på arteriell ton och kan allvarligt förändra perifer vaskulär resistens. Ingenjörerna bakom denna design tror att en specifik styrka ligger i dess förmåga att kontrollera och simulera heterogena rumsliga influenser som finns inom mikromiljön, medan myografiprotokoll har, på grund av sin design, endast etablerade homogena mikromiljöer. De visade att genom att leverera fenylefrin genom endast en av de två kanalerna som ger superfusion till ytterväggarna, drog den läkemedelsvända sidan mycket mer än den motsatta sidan av läkemedlet.

artären-on-a-chip är utformad för reversibel implantation av provet. Enheten innehåller ett mikrokanalnätverk, ett artärbelastningsområde och ett separat artärinspektionsområde. Det finns en mikrokanal som används för att ladda artärsegmentet, och när lastbrunnen är förseglad används den också som en perfusionskanal för att replikera processen för näringstillförsel av arteriellt blod till en kapillärbädd i den biologiska vävnaden. Ett annat par mikrokanaler tjänar till att fixera de två ändarna av artärsegmentet. Slutligen används det sista paret av mikrokanaler för att tillhandahålla superfusionsflödeshastigheter för att upprätthålla organets fysiologiska och metaboliska aktivitet genom att leverera ett konstant upprätthållande medium över abluminalväggen. En termoelektrisk värmare och en termoresistor är anslutna till chipet och upprätthåller fysiologiska temperaturer vid artärinspektionsområdet.protokollet för att ladda och säkra vävnadsprovet i inspektionszonen hjälper till att förstå hur detta tillvägagångssätt erkänner hela organfunktioner. Efter nedsänkning av vävnadssegmentet i laddningsbrunnen drivs laddningsprocessen av en spruta som drar ut en konstant flödeshastighet av buffertlösning vid den bortre änden av laddningskanalen. Detta medför transport av artären mot dess dedikerade position. Detta görs med sluten fixering och superfusion i/utloppsledningar. Efter stopp av pumpen appliceras subatmosfärstryck genom en av fixeringskanalerna. Sedan efter tätning av lastbrunnen stängs den andra fixeringskanalen för ett subatmosfäriskt tryck. Nu är artären symmetriskt etablerad i inspektionsområdet, och ett transmuralt tryck känns av segmentet. De återstående kanalerna öppnas och konstant perfusion och superfusion justeras med separata sprutpumpar.

kärl-på-chips har använts för att studera många sjukdomsprocesser. Till exempel utvecklade Alireza Mashaghi och hans medarbetare en modell för att studera viralt hemorragiskt syndrom, vilket innebär virusinducerad vaskulär integritetsförlust. Modellen användes för att studera Ebolavirussjukdom och för att studera Anti-Ebolaläkemedel.

Skin-on-a-chipEdit

mänsklig hud är den första försvarslinjen mot många patogener och kan i sig vara föremål för en mängd olika sjukdomar och problem, såsom cancer och inflammation. Som sådan, skin-on-a-chip (SoC) applikationer inkluderar testning av topiska läkemedel och kosmetika, studera patologi hudsjukdomar och inflammation, och ”skapa icke-invasiva automatiserade cellulära analyser” för att testa för närvaron av antigener eller antikroppar som kan beteckna närvaron av en patogen. Trots det stora utbudet av potentiella tillämpningar har relativt lite forskning gått in på att utveckla en hud-på-en-chip jämfört med många andra organ-på-en-chips, såsom lungor och njurar. Frågor som avskiljning av kollagenställningen från mikrokanaler, ofullständig cellulär differentiering och övervägande användning av poly(dimethysiloxane) (PDMS) för tillverkning av enheter, vilket har visat sig läcka kemikalier i biologiska prover och kan inte massproduceras stymie standardisering av en plattform. En ytterligare svårighet är variationen i cellkulturställningar, eller basämnet för att odla celler, som används i hud-på-chip-enheter. I människokroppen är detta ämne känt som den extracellulära matrisen.

den extracellulära matrisen (ECM) består huvudsakligen av kollagen, och olika kollagenbaserade byggnadsställningar har testats i SoC-modeller. Kollagen tenderar att lossna från den mikrofluidiska ryggraden under odling på grund av sammandragningen av fibroblaster. En studie försökte ta itu med detta problem genom att jämföra kvaliteterna av kollagenställningar från tre olika djurkällor: grisskinn, råttansvans och ankafötter. Andra studier mötte också lösgöringsproblem på grund av sammandragning, vilket kan problematiskt med tanke på att processen med full huddifferentiering kan ta upp till flera veckor. Sammandragningsproblem har undvikits genom att ersätta kollagenställningar med en fibrinbaserad dermal matris, som inte kom i kontakt. Större differentiering och bildning av cellskikt rapporterades också i mikrofluidisk kultur jämfört med traditionell statisk kultur, överens med tidigare fynd av förbättrade cell-cell-och cellmatrisinteraktioner på grund av dynamisk perfusion eller ökad permeation genom interstitiella utrymmen på grund av trycket från kontinuerligt medieflöde. Denna förbättrade differentiering och tillväxt tros delvis vara en produkt av skjuvspänning skapad av tryckgradienten längs en mikrokanal på grund av vätskeflöde, vilket också kan förbättra näringstillförseln till celler som inte ligger direkt intill mediet. I statiska kulturer, som används i traditionella hudekvivalenter, får celler näringsämnen i mediet endast genom diffusion, medan dynamisk perfusion kan förbättra näringsflödet genom interstitiella utrymmen eller luckor mellan celler. Denna perfusion har också visats förbättra tät korsningsbildning av stratum corneum, det hårda yttre skiktet av epidermis, vilket är huvudbarriären för penetration av hudens ytskikt.

dynamisk perfusion kan också förbättra cellens livskraft, vilket demonstreras genom att placera en kommersiell hudekvivalent i en mikrofluidisk plattform som förlängde den förväntade livslängden med flera veckor. Denna tidiga studie visade också vikten av hårsäckar i hudekvivalenta modeller. Hårsäckar är den primära vägen in i det subkutana skiktet för aktuella krämer och andra ämnen som appliceras på ytan av huden, en funktion som nyare studier ofta inte har redovisat.

en studie utvecklade en SoC bestående av tre lager, epidermis, dermis och endotelskikt, åtskilda av porösa membran, för att studera ödem, svullnad på grund av extracellulär vätskeansamling, ett vanligt svar på infektion eller skada och ett viktigt steg för cellreparation. Det visades att förbehandling av DEX, en steroidkräm med antiinflammatoriska egenskaper, minskade denna svullnad i SoC.