Forskere fremmer organ-på-chip-teknologi for at fremme udviklingen af ​​lægemidler

Forskere fra Carnegie Mellon University (CMU) og Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet en organ-på-en-elektronisk-chip platform, som bruger bioelektriske sensorer til at måle hjertecellernes elektrofysiologi i tre dimensioner. Disse 3-D, selvrullende biosensor-arrays ruller op over hjertecelle-sfæroidvæv for at danne en "organ-på-e-chip, ", hvilket gør det muligt for forskerne at studere, hvordan celler kommunikerer med hinanden i flercellede systemer såsom hjertet.

Organ-on-e-chip tilgangen vil hjælpe med at udvikle og vurdere effektiviteten af ​​lægemidler til sygdomsbehandling - måske endda gøre det muligt for forskere at screene for lægemidler og toksiner direkte på et menneskelignende væv, i stedet for at teste på dyrevæv. Platformen skal også bruges til at belyse sammenhængen mellem hjertets elektriske signaler og sygdom, såsom arytmier. Forskningen, udgivet i Videnskabens fremskridt , giver forskerne mulighed for at undersøge processer i dyrkede celler, som i øjeblikket ikke er tilgængelige, såsom vævsudvikling og cellemodning.

"I årtier, elektrofysiologi blev udført ved hjælp af celler og kulturer på todimensionelle overflader, såsom kulturretter, " siger lektor i biomedicinsk teknik (BME) og Materials Science &Engineering (MSE) Tzahi Cohen-Karni. "Vi forsøger at omgå udfordringen med at læse hjertets elektriske mønstre i 3-D ved at udvikle en måde at krympe-indpakningssensorer på. omkring hjerteceller og udvinding af elektrofysiologisk information fra dette væv."

"Orgel-på-e-chip"-platformen starter som en lille, fladt rektangel, ikke ulig et smækarmbånd i mikroskala. Et slap armbånd starter som et stift, lineal-lignende struktur, men når du slipper spændingen, vikler den sig hurtigt op til et bånd omkring håndleddet.

Organ-on-e-chippen starter på samme måde. Forskerne fastgør en række sensorer lavet af enten metalliske elektroder eller grafensensorer til chippens overflade, æts derefter et bundlag af germanium af, som er kendt som "offerlaget". Når først dette offerlag er fjernet, biosensor-arrayet frigøres fra sit lastrum og ruller op fra overfladen i en tøndeformet struktur.

Forskerne testede platformen på hjertesfæroider, eller aflange organoider lavet af hjerteceller. Disse 3-D hjertesfæroider er omkring bredden af ​​2-3 menneskehår. At rulle platformen over sfæroiden giver forskerne mulighed for at indsamle elektriske signalaflæsninger med høj præcision.

"I bund og grund, vi har skabt 3-D selvrullende biosensor-arrays til at udforske elektrofysiologien af ​​inducerede pluripotente stamcelle-afledte kardiomyocytter, " siger hovedforfatter af undersøgelsen og BME Ph.D.-studerende Anna Kalmykov. "Denne platform kunne bruges til at forske i hjertevævsregenerering og modning, som potentielt kan bruges til at behandle beskadiget væv efter et hjerteanfald, for eksempel, eller udvikle nye lægemidler til behandling af sygdom."

Gennem samarbejde med laboratorierne for BME/MSE-professor Adam Feinberg og det tidligere CMU-fakultet Jimmy Hsia, nu dekan for Graduate College of NTU Singapore, forskerne var i stand til at designe et proof of concept og teste dem på 3-D mikro-skimmelformede kardiomyocytsfæroider.

"Mekanisk analyse af roll-up processen gør os i stand til præcist at kontrollere formen af ​​sensorerne for at sikre ensartet kontakt mellem sensorerne og hjertevævet, " siger NTU-professor Jimmy Hsia. "Teknikken justerer også automatisk niveauet af den delikate 'berøring' mellem sensorerne og vævet, således at elektriske signaler af høj kvalitet måles uden at ændre vævets fysiologiske forhold på grund af eksternt tryk."

"Hele ideen er at tage metoder, der traditionelt udføres i plan geometri, og gøre dem i tre dimensioner, " siger Cohen-Karni. "Vores organer er 3-D i naturen. I mange år, elektrofysiologi blev udført ved hjælp af kun celler dyrket på en 2-D vævskulturskål. Men nu, disse fantastiske elektrofysiologiske teknikker kan anvendes på 3-D strukturer."