Lever-op-een-chip celkweekapparaten zijn aantrekkelijke biomimetische modellen bij het ontdekken van geneesmiddelen, toxicologisch en weefseltechnisch onderzoek. Om specifieke levercelfuncties op een chip in het lab te behouden, aan adequate celtypen en kweekomstandigheden moet worden voldaan, waaronder 3D-celoriëntatie en een consistente toevoer van voedingsstoffen en zuurstof. Vergeleken met conventionele 2D-celkweektechnieken, organ-on-a-chip-apparaten bieden veelzijdigheid en effectieve biomimicry die geschikt zijn voor geavanceerde toepassingen in de ontdekking van geneesmiddelen en medicijnen.

In een recente studie die nu is gepubliceerd op Biofabricage , Jonas Christoffersson en collega's toonden aan hoe hydrogels die de extracellulaire matrix nabootsen, de functionaliteit en levensvatbaarheid van hepatocyten in een geperfuseerd lever-op-een-chip-apparaat kunnen ondersteunen. De interdisciplinaire onderzoekers van de afdeling biotechnologie en moleculaire fysica ontwierpen een hydrogelsysteem op basis van hyaluronan en poly(ethyleenglycol) (HA-PEG) polymeren. Ze ontwikkelden de hydrogels met behulp van klikchemie. Om het proces mogelijk te maken, de wetenschappers voerden een biorthogonale reactie uit (chemie die plaatsvindt in levende systemen zonder de interferentie van inheemse biochemische reacties) tussen een cyclo-octyngroep en een met alkynazide gelabelde reactiepartner, bekend als stam-promoted alkynazide cycloadditie (SPAAC).

De nieuwe hydrogelmaterialen werden ontwikkeld en gekarakteriseerd in vergelijking met bestaande agarose- en alginaathydrogels voor celcompatibiliteit (cytocompatibiliteit). Voor biofunctionalisatiestudies, de onderzoekers gebruikten humane geïnduceerde-pluripotente stamcel-afgeleide hepatocyten (hiPS-HEP's). Om de oppervlaktecytocompatibiliteit van het biomateriaal te verbeteren, HA-PEG-hydrogels werden gewijzigd met azide-gemodificeerde celadhesiemotieven om effectieve celmateriaalaanhechtingen te vergemakkelijken. In het oppervlaktegefunctionaliseerde biomateriaal, de hepatocytstamcellen migreerden en groeiden in 3D-oriëntaties, met verhoogde levensvatbaarheid. De wetenschappers observeerden een hogere albumineproductie op het nieuwe materiaal (karakteristiek levereiwit), vergeleken met cellen gekweekt op andere hydrogels. De flexibele, SPAAC verknoopt hydrogelsysteem met geperfuseerde 3D-celcultuur van hiPS-HEP's is een veelbelovend materiaal om lever-op-een-chip-apparaten te optimaliseren.

Geminiaturiseerde bioreactoren bekend als 'organ-on-chips', zijn onlangs naar voren gekomen als alternatieve celcultuurmodellen die de in vivo biologische micro-omgeving in het laboratorium beter nabootsen. De lever is een model van speciaal belang in medisch onderzoek vanwege de hepatotoxiciteit van geneesmiddelen die wordt waargenomen in alle fasen van de klinische ontwikkeling van geneesmiddelen. Eerdere publicaties beschrijven het gebruik van organ-on-chips om de uitkomst van de impact van een medicijn in klinische onderzoeken te voorspellen en om geneesmiddelinteracties met hepatocyten in het laboratorium te evalueren.

Vanwege hun bredere acceptatie in academische en industriële omgevingen, de bioreactoren vereisen geoptimaliseerde materialen en omstandigheden voor fabricage met een hoge doorvoer. Voorwaarden zijn onder meer het vervangen van het gemeenschappelijke prototypingmateriaal polydimethylsiloxaan (PDMS), integratie van geïnduceerde pluripotente stamcel (iPSC)-afgeleide cellen op een zacht biomateriaal dat hun groei vergemakkelijkt en het grote dode volume minimaliseert dat wordt veroorzaakt door microfluïdische reservoirs en slangen van organ-on-chips-apparaten.

Het nieuwe biomateriaal dat in het onderzoek werd bereid, bevatte twee hoofdbestanddelen die via SPAAC waren verknoopt; een cycloocyten-gemodificeerd hyaluronan (HA-BCN) en een meerarmige azide-gemodificeerde PEG [p(N ₃ ) ₈ ]. Het BCN reageerde met aziden (N ₃ ) op het 8-armige PEG-polymeer met eindigende N ₃ - resten om een ​​stabiele 1 te vormen 2, 3-triazool. Christoffersson et al. voltooide chemische reacties onder fysiologische omstandigheden om de hydrogels te vormen met instelbare visco-elastische eigenschappen. De verknopingsstrategie was ideaal om hydrogels te fabriceren voor 3D-celkweek; omdat de cellen in het biomateriaal konden worden ingekapseld zonder hun levensvatbaarheid in gevaar te brengen en geschikt waren voor gebruik in microfluïdische apparaten. De wetenschappers gebruikten overtollige SPAAC-resten op het nieuwe biomateriaal om verschillende liganden te hechten, waaronder RGD-peptiden om interacties op het cel-materiaalinterface te bevorderen.

Daarna, de wetenschappers varieerden de samenstelling van de twee hoofdbestanddelen om de resulterende visco-elastische eigenschappen te begrijpen, zoals de opslagmodulus (G') en verliesmodulus (G") van de hydrogels via oscillerende reologie (techniek om het visco-elastische gedrag van zachte materialen te meten). Ze controleerden de geleringskinetiek van de nieuwe hydrogel bij toenemende temperaturen. het nieuwe biomateriaal was langzaam genoeg voor homogene celdistributie, maar snel genoeg om celsedimentatie te voorkomen.Het vermogen om de geleringskinetiek te controleren, stelde de wetenschappers in staat om een ​​verscheidenheid aan biofabricagestrategieën (bijv. Bioprinting) en hydrogelassemblage binnen de microfluïdische systemen voor orgaan-op- chip toepassingen.

Christoffersson et al. vervolgens vergeleek de HA-PEG-hydrogels met de gevestigde 3D-celcultuursteigers - agarose en alginaathydrogels. Om de uiteindelijke visco-elastische eigenschappen te bepalen die geschikt zijn voor 3D-celkweekexperimenten, ze gebruikten oscillerende reologie om de verschillende polymeerconcentraties te onderzoeken. De wetenschappers analyseerden de samenstelling van de definitieve materialen met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden.

Het ontwerp en de opstelling van de lever-op-een-chip moesten voldoen aan twee belangrijke criteria in het onderzoek:

1. Laat perfusie (doorgang van vloeistof) van celkweekmedium over het hydrogeloppervlak toe voor een stabiele uitwisseling van voedingsmedia, van en naar de ingekapselde hepatocyten.

2. Sta bemonstering van de geperfundeerde media toe voor experimentele analyse tijdens lopende celcultuur, zonder de hepatocyten en de hydrogel te beïnvloeden.

Om aan deze criteria te voldoen, de wetenschappers gebruikten een commercieel 3D-celkweekapparaat (μ-Slide III 3D Perfusion IbiTreat) met twee opeenvolgende kamers (2 x 30 µL) in drie parallelle arrays - elk verbonden met mediareservoirs om vloeistof te perfuseren. Voor een effectieve perfusie, ze monteerden het apparaat op een automatische schommeltafel door de perfusaatrichting over de hydrogelbevattende kamers om te keren. De experimentele opstelling maakte perfusie door het apparaat mogelijk, voldoen aan de eerste criteria. Om aan het tweede criterium te voldoen, de gelokaliseerde wanden naast de hydrogelkamers stelden de wetenschappers in staat om het perfusaat te bemonsteren zonder de hydrogel of celbestanddelen te verstoren.

De wetenschappers onderzochten eerst de biofunctionalisatie van lever-op-een-chip-apparaten in de studie met HEPG2-cellen (levercarcinoomcellijn) ingekapseld in hydrogels, na 3, 7 en 9 dagen celcultuur. Ze vergeleken de celmorfologie, levensvatbaarheid en functionaliteit met agarose en alginaathydrogels. De studie omvatte levende/dood-assays om de levensvatbaarheid van de cellen te bevestigen en bevestigde de HepG2-functionaliteit verder door albumine- en ureumsecreties in het supernatant van de celcultuur te detecteren.

Voor verbeterde celfunctionaliteit (oppervlaktehechting en mobiliteit op materialen), de wetenschappers enten celadhesiemotieven zoals lineaire of cyclische RGD-peptiden (lineaire linRGD of cyclische cRGD) op de hydrogels. Op dit moment, hiPS-HEP-cellen (hepatocytstamcellen) werden gedurende 13 dagen in verschillende hydrogelsamenstellingen gekweekt om de morfologie en levensvatbaarheid (levende/dood-kleuring) na cel-materiaalinteracties te onderzoeken. De wetenschappers gebruikten zes verschillende op hydrogel gebaseerde biomateriaaloppervlakken in de experimenten, waaronder; 2D (HEP-laag), agarose, alginaat, HA-PEG, HA-PEG (linRGD) en HA-PEG (cRGD).

De hiPS-HEP-cellen ingekapseld en gekweekt in de gemodificeerde hydrogel groeiden binnen 2D- en echte 3D-constructies. Om de functionaliteit van de gekweekte hiPS-HEP-cellen (stamcellen) te testen, de wetenschappers kwantificeerden hun albumine- en ureumuitscheiding. De resultaten toonden aan dat alleen de supernatanten van stamcellen gekweekt in 2D-oppervlakken en in aanwezigheid van de cRGD-motiefhydrogels albumine afscheidden.

Op basis van de resultaten, de wetenschappers schreven de hogere hoeveelheid albumine op de 2D HEP-laag toe aan de snelheid van albuminediffusie in hydrogels; overdracht over 2D-laag is sneller dan 3D. De hogere concentratie van albumine met aan cRGD-motief gebonden hydrogels, gecorreleerd met de verhoogde celgroei en levensvatbaarheid waargenomen op de cRGD-gebonden biomateriaaloppervlakken. Als resultaat, de wetenschappers zijn van plan om in de toekomst cyclische vormen van RGD-peptide te gebruiken om hepatocytstamcelkweek te ondersteunen op hydrogels die in de toekomst zijn voorbereid voor lever-op-een-chip-apparaten.

Op deze manier, de studie beschreef de voordelen van het gebruik van op hyaluronan-PEG gebaseerde hydrogel gemodificeerd met RGD-peptiden voor 3D-culturen van hepatocyten (ongeveer 13 dagen) in een lever-op-een-chip-opstelling. Als maatstaf voor het onderzoek, Christofferfsson en collega's gebruikten de algemeen beschikbare alginaat- en agarosehydrogels. In de toekomst, de wetenschappers zullen de visco-elastische eigenschappen en de concentratie van celadhesiemotieven op het HA-PEG-hydrogelsysteem optimaliseren voor biomimetische cytocompatibiliteit. The optimized hydrogel system can be combined with the device setup to facilitate physiologically relevant liver-on-a-chip platforms for clinical research in drug toxicology, drug discovery and regenerative medicine.

© 2019 Wetenschap X Netwerk