De afgelopen jaren hebben er aanzienlijke ontwikkelingen plaatsgevonden op het gebied van organ-on-chip (OoC)-platformen. Er bestaat echter geen universeel 'one-fits-all'-model, en dat zal waarschijnlijk ook nooit het geval zijn gezien de grote verscheidenheid aan toepassingen waarvoor deze devices kunnen worden ingezet. Daarom is het essentieel om rekening te houden met verschillende cruciale parameters bij het selecteren of ontwikkelen van een Organ-on-Chip-platform, zodat het systeem optimaal aansluit bij de te beantwoorden wetenschappelijke vraag.
Wilt u meer weten over organ-on-chip? Lees dan onze review: Organ-On-Chip: a general overview.
Ontwerp van het Organ-On-Chip-device
Het ontwerp van de chip is een kritisch element bij de ontwikkeling van een OoC-model. Dit hangt af van de specifieke toepassing waarvoor het device zal worden gebruikt. Hierbij worden geometrische parameters bepaald, zoals het aantal, de vorm en de afmetingen van de kanalen, het aantal in- en uitgangen (inlets/outlets), en de aanwezigheid van kweekkamers, poorten of andere elementen die nodig zijn voor het beoogde onderzoek. Biologisch gezien moeten ook het celgetal, de celdichtheid en het vloeistofvolume in overweging worden genomen tijdens het ontwerptrof. Een nauwkeurige definitie van deze elementen draagt bij aan een getrouwe fysiologische modellering van het te onderzoeken orgaan of de cellen.
Een andere vraag die opkomt bij de implementatie van een OoC-model is de behoefte aan multiplexing – het combineren van meerdere ontwerpen op één platform – wat vaak het formaat van het platform bepaalt. Het toepassen van meerdere replicates op dezelfde chip kan enorm veel tijd besparen en is in bepaalde gevallen, zoals bij drug testing, zelfs noodzakelijk.
Bij het ontwerp van het platform moet eveneens rekening worden gehouden met de parameters die de onderzoeker wil testen of meten. Bepaalde analyses (readouts) die relevant zijn voor het onderzoek kunnen vereisen dat specifieke delen van de chip toegankelijk zijn om metingen uit te voeren. Om bijvoorbeeld een specifiek biomarker te identificeren, kan het nuttig zijn om gedurende het onderzoek meerdere keren effluenten te verzamelen en dus te voorzien in een speciale poort voor eenvoudige media-afname. Mocht er aan het einde van het experiment tevens cel- of weefselanalyse nodig zijn, dan is het van belang dat de cellen of weefsels intact van het platform kunnen worden teruggewonnen.
Tot slot kunnen meer logistieke aspecten, zoals de footprint, de geschiktheid voor gebruik in een incubator, de vloeistofcirculatie en andere factoren, van invloed zijn op de uiteindelijke toepassing en daarmee op het ontwerp van het platform.
Hoe kiest u het juiste materiaal voor uw Organ-On-Chip-device?
De materiaalkeuze is van fundamenteel belang. Het is echter geen eenvoudige opgave om een materiaal te vinden dat aan alle experimentele eisen voldoet, wat betekent dat er doorgaans concessies moeten worden gedaan. Belangrijke selectiecriteria zijn uiteraard biocompatibiliteit, maar ook de gekozen of beschikbare microfabricagetechniek, de gewenste eindresultaten van het model, de substraatstijfheid, de gasdoorlaatbaarheid, overwegingen omtrent massaproductie en diverse andere factoren.
De voornaamste materialen voor Organ-On-Chip-devices
Momenteel bestaat er geen perfect ideaal materiaal voor OoC-devices. Over het algemeen geniet het de voorkeur dat het gekozen materiaal niet-toxisch is voor cellen, gasdoorlatend is en optische observatie mogelijk maakt. Er zijn verschillende materiaalsoorten beschikbaar, elk met hun eigen voor- en nadelen op fysisch-chemisch, biologisch, economisch en praktisch vlak.
Naar Campbell et al., 2021 – Groen: goed, geel: matig, rood: slecht
Het meest gebruikte materiaal voor microfluïdische chips en OoC is PDMS (polydimethylsilaan), hoofdzakelijk vanwege de gebruiksvriendelijkheid, de lage kosten en de optische transparantie. Het vertoont tevens een hoge gasdoorlaatbaarheid, wat zowel een voordeel als een nadeel kan zijn. Hoewel dit zorgt voor een adequate zuurstoftoevoer naar celkweken, kan het ook interfereren met het metabolisme van geneesmiddelen of de productie van metabolieten door weefsels, met een verhoogd risico dat kleine moleculen van belang in de polymeermatrix worden geabsorbeerd.
Andere materialen die veelvuldig worden toegepast bij de fabricage van chips zijn thermoplasten. Hun lage kosten, geringe absorptie en optische transparantie vormen grote voordelen voor de (massa)productie van OoC-systemen. De stijfheid van thermoplasten kan echter een obstakel vormen voor fysiologische modellering. In het menselijk lichaam kan de weefselstijfheid dalen tot slechts enkele kPa voor vetweefsel of hersenweefsel, vergeleken met de enkele GPa van gangbare thermoplasten. Bovendien kan het realiseren van complexe geometrieën in thermoplasten complex zijn, wat een beperking kan betekenen voor het chipontwerp.
Een ander materiaal dat voor OoC-devices wordt ingezet is glas. Dit biedt het voordeel van een uitstekende transparantie, inertie, biocompatibiliteit en een lage autofluorescentie. Bovendien kan het glasoppervlak eenvoudig worden gemodificeerd om de celadhesie te sturen. Glazen devices zijn echter aanzienlijk breekbaarder en kostbaarder, en het fabricageproces is arbeidsintensiever.
Sterilisatie van materialen & Oppervlaktebehandeling
Zodra een materiaal is geselecteerd, rijzen er vraagstukken met betrekking tot de sterilisatie of functionalisering ervan.
Sterilisatie kan noodzakelijk zijn om microbiële contaminatie van het device te voorkomen, aangezien dit de uitgevoerde studie en de betrouwbaarheid van de resultaten kan verstoren. Er bestaan diverse sterilisatietechnieken, zoals autoclaveren, UV-blootstelling, ethanolbehandeling, gammastraling of behandeling met ethyleenoxide. Niet al deze methoden zijn geschikt voor elk van de bovengenoemde materialen. Zo is polycarbonaat (PC) doorgaans probleemloos te autoclaveren, terwijl dit voor PMMA mogelijk niet het geval is. Het is derhalve cruciaal om de juiste sterilisatietechniek te selecteren om beschadiging van het gekozen materiaal te voorkomen.
Oppervlaktebehandeling kan eveneens een vereiste stap zijn in de ontwikkeling van een OoC-device om verscheidene redenen: het waarborgen van de biocompatibiliteit, en het bevorderen of juist tegengaan van celadhesie. Ook hier zijn diverse technieken voor beschikbaar, waarbij compatibiliteit met zowel het chipmateriaal als de cellen en weefsels een vereiste is.
Referenties:
- Scott B. Campbell, Qinghua Wu, Joshua Yazbeck, Chuan Liu, Sargol Okhovatian, en Milica Radisic – ACS Biomaterials Science & Engineering 2021 7 (7), 2880-2899 – DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c00640
- Toepke Michael W., en 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 organe sur puce. 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 organe sur puce 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.
