Negli ultimi anni si sono registrati importanti sviluppi nel campo piattaforme «organ-on-chip» (OoC) . Tuttavia, non esiste un modello “universale” e probabilmente non ci sarà mai, vista la varietà di applicazioni per cui tali dispositivi possono essere utilizzati. Pertanto, vale la pena tenere conto di diversi parametri chiave nella scelta o nello sviluppo di una piattaforma “organ-on-chip”, al fine di ottenere un sistema che si adatti al meglio alla domanda scientifica a cui si vuole dare risposta.
Se desideri saperne di più sull’organ-on-chip, leggi la nostra recensione: Organ-on-chip: una panoramica generale.
Progettazione del dispositivo “Organ-On-Chip”
La progettazione del chip è un elemento fondamentale da considerare nello sviluppo di un modello OoC. Dipende dall’applicazione specifica per cui il dispositivo verrà utilizzato. Ciò determinerà i parametri geometrici quali il numero, la forma e le dimensioni dei canali, il numero di ingressi/uscite e la presenza di camere di coltura, porte o qualsiasi altro elemento necessario per portare a termine lo studio previsto. Dal punto di vista biologico, durante il processo di progettazione occorre tenere conto anche del numero di cellule, della loro densità e del volume del fluido. Una corretta definizione di questi elementi contribuirà a una modellizzazione fisiologica accurata dell’organo o delle cellule oggetto di studio.
Un’altra questione che emerge nell’implementazione di un modello OoC è la necessità del multiplexing – ovvero la presenza di più progetti su un’unica piattaforma – che spesso determina il formato della piattaforma stessa. La presenza di più repliche sullo stesso dispositivo può rappresentare un notevole risparmio di tempo e risultare addirittura necessaria, in particolare ai fini dei test farmacologici.
La progettazione della piattaforma dovrebbe inoltre tenere conto dei parametri che il ricercatore intende testare/misurare con la piattaforma. Alcuni risultati rilevanti per lo studio possono richiedere l’accesso a parti specifiche del chip per eseguire le analisi. Ad esempio, per identificare un biomarcatore specifico può essere utile poter raccogliere gli effluenti più volte nel corso dello studio e quindi prevedere una porta speciale per facilitare la raccolta dei fluidi. Inoltre, se al termine dell’esperimento è necessario eseguire analisi sulle cellule o sui tessuti, è importante poter recuperare le cellule o i tessuti dalla piattaforma.
Infine, altri parametri logistici, quali l’ingombro, l’utilizzo in incubatrice, la circolazione del flusso e altri ancora, possono influenzare le modalità di utilizzo della piattaforma e, di conseguenza, la sua progettazione.
Come scegliere il materiale giusto per il proprio dispositivo “Organ-On-Chip”?
La scelta del materiale riveste grande importanza, ma non è così facile trovare un materiale che soddisfi tutti i requisiti sperimentali e nella selezione potrebbero essere necessari alcuni compromessi. Tra i parametri di questa selezione figurano, ovviamente, la biocompatibilità, ma anche la strategia di microfabbricazione scelta o disponibile, gli endpoint che il modello deve raggiungere, la rigidità del substrato, la permeabilità ai gas, le considerazioni relative alla produzione di massa e molti altri.
I principali materiali utilizzati nei dispositivi “Organ-On-Chip”
Attualmente non esiste un materiale ideale e perfetto per i dispositivi OoC. In generale, è preferibile che il materiale scelto non sia tossico per le cellule, sia permeabile ai gas e consenta l’osservazione ottica. Sono disponibili diverse opzioni di materiali, ciascuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi in termini di parametri fisico-chimici, biologici, economici o pratici.
Da Campbell et al., 2021 – Verde: buono, giallo: medio, rosso: scarso
Il materiale più utilizzato per i chip microfluidici e l’OoC è il PDMS (polidimetilsilossano), soprattutto per la sua facilità d’uso, il costo contenuto e la trasparenza ottica. Presenta inoltre un’elevata permeabilità, che può rappresentare sia un vantaggio che uno svantaggio. Se da un lato consente un adeguato apporto di ossigeno alle colture cellulari, dall’altro può interferire con il metabolismo dei farmaci o con la produzione di metaboliti da parte dei tessuti, con un rischio maggiore che le piccole molecole di interesse vengano assorbite nella matrice polimerica.
Altri materiali comunemente utilizzati nella produzione di chip sonoi termoplastici.Il loro basso costo, il basso assorbimento e la trasparenza ottica rappresentano importanti vantaggi per la produzione OoC (di massa). Tuttavia, la rigidità dei termoplastici può rappresentare un problema per la modellazione fisiologica. All’interno del corpo, la rigidità dei tessuti può arrivare a valori minimi di pochi kPa, come nel caso del tessuto adiposo o del cervello, rispetto ai pochi GPa dei comuni materiali termoplastici. Può inoltre risultare difficile realizzare geometrie complesse quando si lavora con i materiali termoplastici, il che può quindi costituire un limite per la progettazione dei chip.
Un altro materiale utilizzato per i dispositivi OoC è il vetro, che presenta il vantaggio di essere altamente trasparente, inerte, biocompatibile e caratterizzato da una bassa autofluorescenza. La superficie del vetro può inoltre essere facilmente modificata per regolare l’adesione cellulare. Tuttavia, i dispositivi in vetro sono molto più fragili e costosi, oltre a richiedere un processo di fabbricazione più laborioso.
Sterilizzazione dei materiali e trattamento delle superfici
Una volta scelto un materiale, possono sorgere domande relative alla sua sterilizzazione o alla sua funzionalizzazione.
La sterilizzazione potrebbe essere necessaria per evitare la contaminazione microbica del dispositivo, che potrebbe interferire con lo studio condotto e con i relativi risultati. Esistono numerose tecniche di sterilizzazione, quali la sterilizzazione in autoclave, l’esposizione ai raggi UV, il trattamento con etanolo, l’irradiazione gamma o il trattamento con ossido di etilene. Non tutti questi metodi possono essere utilizzati con tutti i materiali sopra citati. Ad esempio, mentre il policarbonato (PC) può essere sterilizzato in autoclave in tutta sicurezza, lo stesso non vale necessariamente per il PMMA. È quindi importante scegliere la tecnica di sterilizzazione appropriata per evitare di danneggiare il materiale selezionato.
Il trattamento superficiale può inoltre rappresentare una fase necessaria nello sviluppo di dispositivi OoC per diversi motivi: garantire la biocompatibilità e favorire o impedire l’adesione cellulare. Anche in questo caso, sono disponibili diverse tecniche per ottenere tali funzioni; è inoltre richiesta la compatibilità non solo con il materiale del chip, ma anche con le cellule e i tessuti.
Riferimenti:
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian e Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering20217(7), 2880-2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke Michael W. e David J. Beebe. “Assorbimento di piccole molecole da parte del PDMS e conseguenze nelle applicazioni microfluidiche”.Lab on a Chip, novembre 2006.The Royal Society of Chemistry, https://doi.org/10.1039/b612140c
- Leung C.M., de Haan, P., Ronaldson-Bouchard, K.et al.Guida all’ 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, et al., Tendenze emergenti nei sistemi “ organe sur puce ” per lo screening dei farmaci, Acta Pharmaceutica Sinica B, Volume 13, Numero 6, 2023, Pagine 2483-2509, ISSN 2211-3835, https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.02.006.
