In den letzten Jahren gab es bedeutende Fortschritte im Bereich „Organ-on-Chip“ (OoC)-Plattformen Plattformen. Es gibt jedoch kein „Einheitsmodell“, und angesichts der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten dieser Geräte wird es ein solches wahrscheinlich auch nie geben. Daher lohnt es sich, bei der Auswahl oder Entwicklung einer „Organ-on-Chip“-Plattform mehrere Schlüsselparameter zu berücksichtigen, um ein System zu erhalten, das für die zu beantwortende wissenschaftliche Fragestellung am besten geeignet ist.
Wenn Sie mehr über „Organ-on-Chip“ erfahren möchten, lesen Sie unseren Artikel: „Organ-on-Chip“: Ein allgemeiner Überblick.
Entwurf des „Organ-on-Chip“-Geräts
Die Gestaltung des Chips ist ein entscheidender Faktor, der bei der Entwicklung eines OoC-Modells zu berücksichtigen ist. Sie hängt von der jeweiligen Anwendung ab, für die das Gerät eingesetzt werden soll. Davon richten sich geometrische Parameter wie die Anzahl, Form und Abmessungen der Kanäle, die Anzahl der Ein- und Auslässe sowie das Vorhandensein von Kulturkammern, Anschlüssen oder sonstigen Elementen ab, die zur Durchführung der geplanten Untersuchung erforderlich sind. Auf biologischer Seite sollten während des Konstruktionsprozesses auch die Zellzahl, die Zelldichte und das Flüssigkeitsvolumen berücksichtigt werden. Die korrekte Definition dieser Elemente trägt zu einer genauen physiologischen Modellierung des untersuchten Organs bzw. der untersuchten Zellen bei.
Eine weitere Frage, die sich bei der Umsetzung eines OoC-Modells stellt, ist die Notwendigkeit des Multiplexings – also der Durchführung mehrerer Versuche auf einer einzigen Plattform –, was häufig das Format der Plattform bestimmt. Die Durchführung mehrerer Wiederholungen auf demselben Gerät kann eine erhebliche Zeitersparnis bedeuten und ist insbesondere für Arzneimitteltests sogar unerlässlich.
Bei der Konzeption der Plattform sollten auch die Parameter berücksichtigt werden, die der Forscher mit der Plattform testen bzw. messen möchte. Für einige für die Studie relevante Messwerte kann der Zugriff auf bestimmte Teile des Chips erforderlich sein, um Analysen durchzuführen. Um beispielsweise einen bestimmten Biomarker zu identifizieren, kann es sinnvoll sein, im Verlauf der Studie mehrmals Abströmungen zu entnehmen; daher sollte ein spezieller Anschluss für die einfache Entnahme von Medien vorgesehen werden. Auch wenn am Ende des Experiments Analysen an den Zellen oder dem Gewebe durchgeführt werden müssen, ist es wichtig, die Zellen oder das Gewebe von der Plattform zurückgewinnen zu können.
Schließlich können weitere logistische Parameter wie Platzbedarf, Einsatz in einem Inkubator, Durchfluss und andere Faktoren Einfluss darauf nehmen, wie die Plattform genutzt wird, und somit auch auf ihre Gestaltung.
Wie wählt man das richtige Material für sein „Organ-on-Chip“-Gerät aus?
Die Wahl des Materials ist von großer Bedeutung, doch es ist nicht ganz einfach, ein Material zu finden, das alle Anforderungen des Experiments erfüllt, und bei dieser Auswahl müssen möglicherweise Kompromisse eingegangen werden. Zu den Parametern dieser Auswahl gehören natürlich die Biokompatibilität, aber auch die gewählte oder verfügbare Mikrofabrikationsstrategie, die Endpunkte, die das Modell erreichen muss, die Steifigkeit des Substrats, die Gasdurchlässigkeit, Überlegungen zur Massenproduktion und viele weitere Faktoren.
Die wichtigsten Materialien für Organ-on-Chip-Geräte
Derzeit gibt es kein perfektes, ideales Material für OoC-Geräte. Generell wird bevorzugt, dass das gewählte Material für Zellen ungiftig und gasdurchlässig ist und eine optische Beobachtung ermöglicht. Es stehen mehrere Materialoptionen zur Verfügung, die jeweils Vor- und Nachteile hinsichtlich physikalisch-chemischer, biologischer, wirtschaftlicher oder praktischer Parameter aufweisen.
Aus: Campbell et al., 2021 – Grün: gut, Gelb: mittelmäßig, Rot: schlecht
Das am häufigsten verwendete Material für Mikrofluidik-Chips und OoC ist PDMS (Polydimethylsiloxan), was vor allem auf seine einfache Handhabung, seinen niedrigen Preis und seine optische Transparenz zurückzuführen ist. Es weist zudem eine hohe Permeabilität auf, was sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil sein kann. Einerseits ermöglicht es eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Zellkulturen, andererseits kann es den Stoffwechsel von Wirkstoffen oder die Produktion von Metaboliten durch Gewebe beeinträchtigen, wobei ein erhöhtes Risiko besteht, dass kleine Moleküle von Interesse in die Polymermatrix absorbiert werden.
Weitere Materialien, die üblicherweise bei der Chipfertigung zum Einsatz kommen, sindThermoplaste.Ihre geringen Kosten, ihre geringe Absorption und ihre optische Transparenz sind wichtige Vorteile für die OoC-(Massen-)Produktion. Allerdings kann die Steifigkeit von Thermoplasten bei der physiologischen Modellierung ein Problem darstellen. Im Körper kann die Gewebesteifigkeit bei Fettgewebe oder im Gehirn bis auf wenige kPa sinken, während gängige Thermoplaste eine Steifigkeit von mehreren GPa aufweisen. Zudem kann es schwierig sein, komplexe Geometrien aus Thermoplasten herzustellen, was somit eine Einschränkung für das Chipdesign darstellen kann.
Ein weiteres Material, das für OoC-Geräte verwendet wird, ist Glas, das den Vorteil bietet, hochtransparent, inert und biokompatibel zu sein sowie eine geringe Autofluoreszenz aufzuweisen. Die Oberfläche von Glas lässt sich zudem leicht modifizieren, um die Zelladhäsion anzupassen. Allerdings sind Glasgeräte wesentlich zerbrechlicher und teurer, und ihr Herstellungsprozess ist aufwändiger.
Materialsterilisation und Oberflächenbehandlung
Sobald ein Material ausgewählt wurde, können Fragen hinsichtlich seiner Sterilisation oder Funktionalisierung aufkommen.
Eine Sterilisation kann erforderlich sein, um eine mikrobielle Kontamination des Geräts zu vermeiden, die die durchgeführte Untersuchung und deren Ergebnisse beeinträchtigen könnte. Es gibt zahlreiche Sterilisationsverfahren, wie beispielsweise Autoklavieren, UV-Bestrahlung, Ethanolbehandlung, Gamma-Bestrahlung oder Ethylenoxidbehandlung. Nicht alle diese Verfahren sind für alle oben genannten Materialien geeignet. Während beispielsweise Polycarbonat (PC) problemlos autoklaviert werden kann, gilt dies möglicherweise nicht für PMMA. Daher ist es wichtig, das geeignete Sterilisationsverfahren zu wählen, um eine Beschädigung des ausgewählten Materials zu vermeiden.
Die Oberflächenbehandlung kann aus mehreren Gründen ebenfalls ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung von OoC-Geräten sein: zur Gewährleistung der Biokompatibilität sowie zur Förderung oder Verhinderung der Zelladhäsion. Auch hier stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um diese Funktionen zu erreichen, wobei die Kompatibilität sowohl mit dem Chipmaterial als auch mit den Zellen bzw. Geweben gewährleistet sein muss.
Quellenangaben:
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian und Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering2021,7(7), 2880–2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke, Michael W., und David J. Beebe. „PDMS-Absorption kleiner Moleküle und deren Auswirkungen auf mikrofluidische Anwendungen.“Lab on a Chip, Nov. 2006.The Royal Society of Chemistry, https://doi.org/10.1039/b612140c
- Leung C.M., de Haan, P., Ronaldson-Bouchard, K.et al.Ein Leitfaden zur „ organe sur puce “.Nat Rev Methods Primers2, 33 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00118-6
- Yanping Wang, Yanfeng Gao, Yongchun Pan, Dongtao Zhou, Yuta Liu u. a., Neue Trends bei „ organe sur puce “-Systemen für das Wirkstoffscreening, Acta Pharmaceutica Sinica B, Band 13, Ausgabe 6, 2023, Seiten 2483–2509, ISSN 2211-3835, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.02.006.
