In den letzten Jahren gab es bedeutende Entwicklungen bei Organ-on-Chip (OoC)-Plattformen. Dennoch gibt es kein universelles „One-fits-all“-Modell und es wird angesichts der Vielfalt der Anwendungen, für die diese Vorrichtungen eingesetzt werden können, wahrscheinlich auch nie eines 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 optimal auf die zu beantwortende wissenschaftliche Fragestellung abgestimmt ist.
Wenn Sie mehr über Organ-on-Chip erfahren möchten, lesen Sie unseren Übersichtsartikel: Organ-On-Chip: a general overview.
Design der Organ-On-Chip-Vorrichtung
Das Design des Chips ist ein entscheidendes Element bei der Entwicklung eines OoC-Modells. Es hängt von der spezifischen Anwendung ab, für die die Vorrichtung verwendet werden soll. Dies bestimmt geometrische Parameter wie die Anzahl, Form und Abmessungen der Kanäle, die Anzahl der Ein- und Auslässe sowie das Vorhandensein von Kulturkammern, Anschlüssen oder anderen Elementen, die zur Erfüllung der beabsichtigten Studie erforderlich sind. Biologisch gesehen sollten auch die Zellzahl, die Zelldichte und das Volumen des Mediums während des Designprozesses berücksichtigt werden. Die präzise Definition dieser Elemente trägt zu einer akkuraten physiologischen Modellierung des untersuchten Organs bzw. der Zellen bei.
Eine weitere sich bei der Implementierung eines OoC-Modells ergebende Frage ist die Notwendigkeit des Multiplexings – also mehrerer Designs auf einer einzigen Plattform –, was häufig das Format der Plattform vorgibt. Mehrere Replikate auf demselben Gerät zu haben, kann eine enorme Zeitersparnis bedeuten und insbesondere für Arzneimitteltests sogar notwendig sein.
Das Design der Plattform sollte auch die Parameter berücksichtigen, die der Forscher mit der Plattform testen oder messen möchte. Einige für die Studie relevante Readouts können den Zugriff auf bestimmte Bereiche des Chips erfordern, um Analysen durchzuführen. Um beispielsweise einen spezifischen Biomarker zu identifizieren, kann es sinnvoll sein, im Laufe der Studie mehrmals Effluente sammeln zu können und daher einen speziellen Anschluss für die einfache Medienentnahme einzuplanen. Wenn am Ende des Experiments Analysen an den Zellen oder dem Gewebe durchgeführt werden müssen, ist es zudem wichtig, diese von der Plattform zurückgewinnen zu können.
Schließlich können logistischere Parameter wie der Platzbedarf (Footprint), die Verwendung in einem Inkubator, die Flusszirkulation und andere Faktoren beeinflussen, wie die Plattform genutzt wird und wie sie dementsprechend designt sein muss.
Wie wählt man das richtige Material für Ihre Organ-On-Chip-Vorrichtung aus?
Die Wahl des Materials ist von großer Bedeutung, doch es ist gar nicht so einfach, ein Material zu finden, das alle Anforderungen des Experiments erfüllt, weshalb bei dieser Auswahl oft Kompromisse eingegangen werden müssen. Zu den Auswahlparametern gehören natürlich die Biokompatibilität, aber auch die gewählte oder verfügbare Mikrofabrikationsstrategie, die zu erreichenden Endpunkte des Modells, die Steifigkeit des Substrats, die Gaspermeabilität, Überlegungen zur Massenproduktion und viele andere.
Die wichtigsten Materialien für Organ-On-Chip-Vorrichtungen
Derzeit gibt es kein absolut ideales Material für OoC-Vorrichtungen. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass das gewählte Material für Zellen nicht toxisch, gasdurchlässig und optisch beobachtbar ist. Es stehen verschiedene Materialoptionen zur Verfügung, die jeweils Vor- und Nachteile in Bezug auf physikalisch-chemische, biologische, wirtschaftliche oder praktische Parameter aufweisen.
Nach Campbell et al., 2021 – Grün: gut, Gelb: mittel, Rot: schlecht
Das am häufigsten verwendete Material für mikrofluidische Chips und OoC ist PDMS (Polydimethylsiloxan), vor allem aufgrund seiner einfachen Handhabung, des niedrigen Preises und der optischen Transparenz. Es weist zudem eine hohe Permeabilität auf, die sowohl ein Vor- als auch ein Nachteil sein kann. Während es eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Zellkulturen ermöglicht, kann es auch den Metabolismus von Wirkstoffen oder die Produktion von Metaboliten durch Gewebe beeinträchtigen, wobei ein höheres Risiko besteht, dass kleine Zielmoleküle in der Polymermatrix absorbiert werden.
Andere häufig für die Chip-Herstellung verwendete Materialien sind Thermoplaste. Ihre geringen Kosten, die geringe Absorption und ihre optischen Transparenzeigenschaften sind wichtige Vorteile für die (Massen-)Produktion von OoC. Die Steifigkeit von Thermoplasten kann jedoch für die physiologische Modellierung problematisch sein. Im Körper kann die Gewebesteifigkeit bei Fettgewebe oder Gehirn auf einige wenige kPa absinken, verglichen mit den wenigen GPa gängiger Thermoplaste. Zudem kann es eine Herausforderung sein, bei der Arbeit mit Thermoplasten komplexe Geometrien zu erzeugen, was somit eine Einschränkung für das Chip-Design darstellen kann.
Ein weiteres Material, das für organe sur puce-Systeme verwendet wird, ist Glas. Es bietet den Vorteil einer hohen Transparenz, ist inert, biokompatibel und weist eine geringe Autofluoreszenz auf. Zudem lässt sich die Glasoberfläche leicht modifizieren, um die Zelladhäsion anzupassen. Dennoch sind Glassysteme wesentlich fragiler und teurer, und der Herstellungsprozess ist deutlich aufwendiger.
Materialsterilisation & Oberflächenbehandlung
Sobald ein Material ausgewählt wurde, stellen sich Fragen hinsichtlich seiner Sterilisation oder Funktionalisierung.
Eine Sterilisation kann erforderlich sein, um mikrobielle Kontaminationen des Systems zu vermeiden, welche die durchgeführte Studie und deren Ergebnisse beeinträchtigen könnten. Es gibt zahlreiche Sterilisationsverfahren wie Autoklavieren, UV-Bestrahlung, Ethanolbehandlung, Gammabestrahlung oder Ethylenoxidbehandlung. Nicht alle dieser Methoden können mit den zuvor genannten Materialien angewendet werden. Während es beispielsweise unbedenklich ist, Polycarbonat (PC) zu autoklavieren, gilt dies möglicherweise nicht für PMMA. Daher ist es wichtig, die geeignete Sterilisationsmethode zu wählen, um eine Beschädigung des ausgewählten Materials zu verhindern.
Auch die Oberflächenbehandlung kann aus mehreren Gründen ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung von organe sur puce-Systemen sein: zur Gewährleistung der Biokompatibilität sowie zur Förderung oder Hemmung der Zelladhäsion. Auch hier stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, wobei sowohl die Kompatibilität mit dem Chipmaterial als auch mit den Zellen bzw. Geweben erforderlich ist.
Referenzen:
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian und Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering 2021 7 (7), 2880-2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke Michael W. und David J. Beebe. „PDMS Absorption of Small Molecules and Consequences in Microfluidic Applications.“ 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. A guide to the organ-on-a-chip. Nat Rev Methods Primers 2, 33 (2022). https://doi.org/10.1038/s43586-022-00118-6
- Yanping Wang, Yanfeng Gao, Yongchun Pan, Dongtao Zhou, Yuta Liu et al., Emerging trends in organ-on-a-chip systems for drug screening, Acta Pharmaceutica Sinica B, Volume 13, Issue 6, 2023, Pages 2483-2509, ISSN 2211-3835, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.02.006.
