Поскольку для выращивания человеческих клеток в неповрежденные дифференцированные и функциональные ткани внутри органических чипов могут потребоваться недели, такие как те, которые имитируют легкие и кишечник, и исследователи стремятся понять, как лекарства, токсины или другие нарушения изменяют структуру и функцию ткани, команда специалистов Институт биологической инженерии Висса под руководством Дональда Ингбера ищет способы неинвазивного мониторинга здоровья и зрелости клеток, культивируемых в этих микрофлюидных устройствах в течение длительного времени. Было особенно сложно измерить изменения в электрических функциях клеток, выращиваемых внутри органических чипов, которые обычно электрически активны, таких как нейронные клетки в головном мозге или бьющиеся клетки сердца, как во время их дифференцировки, так и в ответ на лекарственные препараты.Теперь команда Ингбера сотрудничала с преподавателем Wyss Core Китом Паркером и его группой, чтобы найти решения этих проблем, установив чипы для органов со встроенными электродами, которые обеспечивают точный и непрерывный мониторинг трансэпителиального электрического сопротивления (TEER), широко используемой меры измерения здоровье и дифференциация тканей, а также оценка в реальном времени электрической активности живых клеток, как показано на модели Heart Chip.Ингбер, доктор медицины, доктор философии, является директором-основателем Института Висс, а также профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программе сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе Джона А. Полсона. инженерных и прикладных наук (SEAS).
Паркер также является профессором биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в SEAS.«Эти электрически активные чипы для органов помогают открыть окно в то, как живые человеческие клетки и ткани функционируют в контексте органа, без необходимости проникать в человеческое тело или даже удалять клетки из наших чипов», — сказал Ингбер. «Теперь мы можем начать изучать, как различные тканевые барьеры повреждаются в реальном времени инфекцией, радиацией, воздействием лекарств или даже недоеданием, и как и когда они заживают в ответ на новую регенеративную терапию».Измерение TEER используется для количественной оценки потока ионов между электродами и через поверхность раздела ткань-ткань, состоящую из органоспецифического эпителия и эндотелия, который является основным компонентом многих чипов человеческого органа Института. Эпителиальные клетки образуют тканевые слои, которые покрывают нашу кожу и внутренние поверхности большинства наших внутренних органов, в то время как эндотелиальные клетки выстилают соседние кровеносные сосуды и капилляры, которые поддерживают их функции.
Оба этих клеточных слоя действуют как барьер для небольших молекул и ионов, который защищает органы и обеспечивает выполнение специализированных функций, таких как абсорбция в кишечнике или секреция мочи в почках. И наоборот, токсичность лекарств, инфекции, воспаление и другие повреждающие стимулы могут нарушить эти барьеры.
Таким образом, измерения TEER, основанные на ограничении прохождения ионов или электрического сопротивления, можно использовать для оценки как базовой функциональной целостности этих клеточных слоев, так и ответов на повреждения, которые запускаются лекарствами или другими токсичными агентами. «Используя новый процесс послойного изготовления, мы создали микрожидкостную среду, в которой электроды для измерения TEER являются неотъемлемыми компонентами архитектуры чипа и расположены как можно ближе к тканям, выращенным в одном или обоих из двух параллельных каналов. ", — сказал Оливье Генри, доктор философии, штатный инженер Института Висс, который был движущей силой новых конструкций органных микросхем. «В отличие от прошлых конструкций электродов, эта фиксированная геометрия позволяет проводить точные измерения, которые полностью сопоставимы в рамках экспериментов и между ними, и которые точно говорят нам, как ткани, подобные ткани легких или кишечника, созревают в канале, сохраняют форму и разрушаются под воздействием наркотиков или других манипуляций ".Разработанный командой Wyss дизайн микросхемы органа для измерения TEER опубликован в журнале Lab on a Chip.
Другими авторами, помимо Ингбера и Генри, были Реми Вилленаве, доктор философии, научный сотрудник, работавший с Ингбером во время исследования, и исследователи Wyss Майкл Кронсе, Уильям Лейневебер и Максимилиан Бенц.Во втором исследовании, также опубликованном в Lab on a Chip, команда Ингбера-Генри сотрудничала с Китом Паркером, который имеет большой исследовательский интерес к биологии сердца. Работая вместе, эта междисциплинарная команда Wyss еще больше расширила функциональность чипов TEER, интегрировав в чипы многоэлектродные массивы (MEA), которые могут измерять поведение электрически активных клеток, таких как бьющиеся клетки сердечной мышцы.Используя чип TEER-MEA, исследователи построили сердечный чип с бьющейся васкуляризацией, в котором человеческие кардиомиоциты культивируются в одном микрофлюидном канале, отделенном тонкой полупроницаемой мембраной от второго параллельного сосудистого канала, выстланного эндотелием.
Чтобы проверить новые возможности чипа, команда обработала васкуляризированный Heart Chip известным воспалительным стимулятором, который специально разрушает эндотелиальные барьеры, или сердечным стимулятором, который действует непосредственно на кардиомиоциты.«Этот новый чип позволяет нам проводить электрофизиологические измерения в реальном времени для оценки целостности эндотелиального барьера в сердце с помощью измерений TEER, одновременно определяя частоту сердечных сокращений с помощью MEA.
Это позволяет нам выявить, как лекарства влияют на функции сердца в сценарий, в котором две клеточные популяции тесно связаны », — сказал Бен Маоз, доктор философии, соавтор второго исследования, который также является научным сотрудником по развитию технологий в Институте Висса и членом группы Паркера. Маоз разделила первое авторство с Генри и Анной Херланд, докторами наук, которые работали научным сотрудником в команде Ингбера, а сейчас являются доцентом Королевского технологического института и Каролинского института в Стокгольме, Швеция. Кроме того, авторы исследования — Уильям Лейневебер, три дополнительных члена группы Паркера, Моран Ядид, доктор философии, Джон Дойл и Вилле Куяла, доктор философии, и научный сотрудник Висс Роберт Манникс, доктор философии,. и Эдвард Фицджеральд, бывший аспирант команды Ингбера.«Будущее Organs-on-Chips — это инструментальные чипы: идея о том, что экспериментатор вырывается из цикла во время сбора данных.
Непрерывный сбор данных с имитаторов органов — это то, что нам нужно для измерения эффективности и безопасности лекарств в течение длительного времени. «Такие технологии предлагают нам гранулярность, которой у нас не было раньше», — сказал Кит Паркер.