Quali sono le tecnologie Organ-on-a-Chip?

I dispositivi Organ-on-a-chip sono sistemi microingegneria che ricreano le caratteristiche fisiologiche chiave degli organi umani all'interno di una piattaforma piccola, spesso trasparente, che integrano le cellule viventi, tipicamente umane-derivate, con canali microfluidici che permettono la perfusione controllata di sostanze nutritive, ossigeno e composti di prova.

La tecnologia è emersa dalla convergenza dei microfluidici, dell’ingegneria dei tessuti e della biologia cellulare. I primi prototipi si concentrano sulle singole funzioni dell’organo, come il polmone-sul-chip sviluppato dal gruppo di Donald Ingber presso l’Istituto Wyss, che replica l’interfaccia alveolare-capillary dei vasi.

Le chip sono tipicamente fabbricate con una litografia morbida con un polidimetilsiloxano (PDMS), un elastomero trasparente e biocompatibile. Le versioni più avanzate incorporano sensori per pH, ossigeno o resistenza elettrica, consentendo un monitoraggio continuo dell'integrità della barriera o dell'attività metabolica. Alcuni sistemi includono anche membrane allungabili per imitare la natura pulsale del flusso sanguigno.

Applicazione in studi di tessuto vascolare

I tessuti vascolari — le arterie, le vene, i capillari — sono centrali per quasi ogni processo fisiologico, dalla consegna dell'ossigeno alla sorveglianza immunitaria. La disfunzione in questi tessuti è sotto le principali malattie, tra cui l'aterosclerosi, le complicanze microvascolari correlate al diabete, ictus e le sostanze cancerogene.

Modellazione di aterosclerosi e trombosi

I test clinici di LTT sono statili, come i test di infiammatori, i test di infiammatorio, i test di eliminazione dei batteri, i biofagi, i lipidi e le cellule muscolari lisce.

Per la trombosi, i chip possono essere rivestiti con substrati trombogeni (ad esempio, collagene o fattore tessuto) e perfusi con sangue intero per studiare formazione di clot sotto flusso. Questo approccio è stato utilizzato per valutare terapie antipiastri e anticoagulanti, indagare disturbi sanguinanti e modellare la clonazione patologica vista in condizioni come la coagulopatia associata a cellule COVID-19.

Studiare l'angiogenesi e la rimodellazione vascolare

L'angiogenesi — la crescita di nuovi vasi sanguigni da quelli esistenti — è fondamentale nello sviluppo, nella guarigione delle ferite e nel cancro. I chip vascolari sono stati progettati con comparti adiacenti per vedere le cellule endoteliali e le cellule perivascolari, separati da una ponteggina matrice.

Inoltre, i chip possono simulare il microambiente tumorale cocolturando le cellule endoteliali con le cellule tumorali. Tali modelli aiutano a studiare come i tumori cooptino i vasi sanguigni per l'alimentazione dei nutrienti e come le terapie anti-angiogeni (ad esempio, bevacizumab) influenzano la normalizzazione dei vasi. Una recente carta scientifica ha descritto un chip multi-canale che ha recidivato le cellule del cancro: 1.

Ipertensione e permeabilità vascolare

I modelli di organi su un chip possono essere esposti a pressioni idrostatiche controllate e portate a condizioni ipertensive mimiche. I ricercatori hanno misurato i cambiamenti nella funzione di barriera attraverso la resistenza elettrica transendoteliale (TEER) e osservata la perdita di tracciatori fluorescenti. Questi chip possono anche incorporare cellule muscolari lisce per studiare la contrarietà dei vasi e gli effetti del vaso disinnesto dei vasi

Vantaggi dell'organo-on-a-chip nella ricerca vascolare

The shift from traditional cell culture and animal models to organ chips brings several concrete benefits for vascular studies:

Rilevamento fisiologico

I piatti della cultura statica non hanno flusso, che è essenziale per l'allineamento cellulare endoteliale, l'espressione genica e la funzione. I chip dell'organo incorporano lo stress della cesta, il tratto ciclico e la rimozione dei rifiuti, tutti critici per mantenere un endotelio differenziato e funzionale. Ciò porta a risposte più accurate della droga e profili di tossicità.

Riduzione dell'uso animale

Mentre i modelli animali sono stati preziosi, spesso non riescono a prevedere le risposte umane a causa delle differenze di specie nel metabolismo della droga, della funzione immunitaria e della biologia vascolare. I chip organi possono sostituire o ridurre il numero di animali utilizzati nei test di primo stadio, allineando con il principio 3R (Sostituzione, Riduzione, Rifinimento) Alcune aziende e laboratori accademici stanno già utilizzando chip di organi ai composti dello schermo prima di passare a studi etici, riducendo i costi.

Schermatura e automazione ad alta velocità

Le moderne piattaforme di chip per organi sono progettate per formati multi-well — 96 o anche 384 chip per piastra — compatibili con i gestori automatici di liquidi e sistemi di imaging. Questo permette ai ricercatori di testare contemporaneamente centinaia di condizioni, screening per l'efficacia, la tossicità e gli effetti collaterali sui tessuti vascolari.

Medicina personalizzata

Utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte da pazienti (iPSC) o cellule endoteliali primarie da donatori specifici, i chip vascolari possono modellare variazioni individuali nella risposta alla droga o nella suscettibilità della malattia. Ad esempio, i chip foderati con cellule di un paziente con una mutazione genetica nel gene di NOTCH3 (associato a CADASIL) possono riprodurre caratteristiche di malattia come la vasoreattività compromessa.

Monitoraggio e Interrogazione in tempo reale

La natura trasparente della maggior parte dei materiali chip consente un'imaging continuo a celle vive di marcatori fluorescenti, una localizzazione delle proteine, un segnale di calcio o una migrazione cellulare. I sensori integrati forniscono i rilievi del consumo di ossigeno, dei cambiamenti di pH o delle gocce di pressione attraverso il recipiente.

Sfide e direzioni future

Nonostante i rapidi progressi, la tecnologia organ-on-a-chip per gli studi vascolari affronta diversi ostacoli che devono essere superati per l'adozione diffusa nell'industria e nelle impostazioni cliniche.

Complessità e Reproducibilità

La lavorazione di chip con geometrie precise, la verniciatura con proteine extracellulari a matrice, e la loro visualizzazione con cellule valide richiede competenze tecniche. La variabilità di Batch-to-batch nella produzione di chip o nell'asperamento cellulare può influenzare i risultati sperimentali.

Scalabilità e costi

Mentre alcune aziende hanno commercializzato chip di organi (ad esempio, chip-S1 di Emulate, piattaforme multi-organ di TissUse), il costo per-unità rimane relativamente alto rispetto a una piastra di 96-well. Scaling up per grandi schermi farmaceutici o diagnostica clinica richiederà materiali più economici (ad esempio, termoplastici invece di PDMS) e montaggio più automatizzato.

Integrazione di sistemi di organi multipli

Il prossimo frontiera è lo sviluppo di piattaforme “body-pharma-a-chip” che interconnettono diversi chip di organo per modellare le interazioni sistemiche. Ad esempio, un chip epatico può metabolizzare un farmaco, e i metaboliti che ne risultano possono essere trasferiti a un chip vascolare per valutare la tossicità endotelica.

Vascularizzazione dei tessuti 3D

La maggior parte dei chip di organi modella i vasi sanguigni come canali 2D, ma i capillari in vivo formano reti 3D intricate. Gli sforzi per creare i tessuti vascolarizzati 3D all'interno di chip - incorporando le cellule endoteliali in idrogele e permettendo l'auto-organizzazione - stanno procedendo. Tuttavia, raggiungere reti dissolventi microvascolari perfusabili che imitano la vaerarchia in vivo rimane una grande sfida di ingegneria.

Accettazione e convalida regolamentari

Per i chip di organi di diventare uno strumento standard nello sviluppo di droga, devono essere convalidati contro i dataset esistenti. La FDA, come parte della sua modernizzazione di Abraviated New Drug Application (2012), ha incoraggiato l'uso di metodi alternativi. Nel 2021, l'agenzia ha avviato un programma pilota per valutare l'uso di chip di organi per il test di efficacia e tossicità.

Tecnologie chiave che guidano il progresso

Varie innovazioni tecnologiche stanno accelerando l'utilità di chip di organi vascolari:

  • Indotto celle staminali pluripotenti (iPSCs): Fornire una fonte illimitata di cellule endoteliali specifiche del paziente e pericytes, consentendo la modellazione di malattie personalizzate.
  • CRISPR-Cas9 editing:[ Permette l'introduzione o la correzione delle mutazioni geniche nelle linee iPSC per studiare disturbi vascolari monogeni.
  • Integrazione del sensore avanzata:[ I sensori ottici, elettrochimici e meccanici incorporati in chip forniscono dati in tempo reale sulla funzione di barriera, sulla salute delle cellule e sugli effetti della droga.
  • Analisi di apprendimento della macchina:[ I dati di imaging ad alto contenuto dagli esperimenti di chip possono essere analizzati da algoritmi di apprendimento profondo per identificare cambiamenti morfologici sottili che prevedono l'efficacia della droga o la tossicità.
  • Controlli microfluidici automatizzati:[] Strumenti che regolano con precisione il flusso, la pressione e la temperatura su più chip contemporaneamente stanno diventando disponibili commercialmente, riducendo la variabilità dipendente dall'utente.

Esempi di Piattaforme Organo-on-a-Chip per Studi Vasculari

Un certo numero di piattaforme commerciali e accademiche sono ora ampiamente utilizzati:

Emulazione VivoChip

Il sistema VivoChip (Emulate, Inc.) utilizza un disegno proprietario di un organ-chip con due canali paralleli separati da una membrana porosa, che consente la cocoltura di cellule endoteliali con altri tipi di cellule (ad esempio, epitelio polmonare o barriera intestinale).

Mimetas OrganoPlate

Mimetas (Paesi Bassi) offre una piastra microfluidica multi-well che utilizza una matrice di gel 3D per supportare la formazione dei vasi. Le cellule endoteliali si autoorganizzano in tubules perfusibili all'interno del gel, creando una rete capillare 3D più fisiologicamente realistica. Questa piattaforma è compatibile con l'imaging ad alto contenuto ed è stata utilizzata per la screening dell'angiogenesi e per le analisi di estrazioni metastatica.

CN Bio Innovations PhysioMimix

Il sistema PhysioMimix multi-organ di CN Bio collega fino a otto chip di tessuto in un loop fluidico ricircolonte. È stato impiegato per studiare il metabolismo della droga e il trasporto attraverso l'asse del fegato-vascolare-liver, catturando gli effetti sistemici che influiscono sull'endotelio.

Outlook

Le tecnologie di organizzazione-a-chip per gli studi sui tessuti vascolari si sono spostate dalla dimostrazione di un'ampia gamma di strumenti convalidati, la loro capacità di ricapitolare il flusso sanguigno, le forze meccaniche e le interazioni multicellulari li rende indispensabili per comprendere la biologia vascolare e i candidati terapeutici di screening.

Nel prossimo decennio, ci si può aspettare di vedere chip vascolari utilizzati nella diagnostica clinica - per esempio, per determinare il rischio di un paziente individuale di tossicità vascolare indotta dalla droga prima di prescrivere. La convergenza di chip di organi con cellule staminali personalizzate, editing genico e intelligenza artificiale creerà un nuovo paradigma per la ricerca vascolare, uno che è più predittivo, più umano, e più direttamente traducibile alla salute umana.