Organ-on-a-Chip

Wie funktioniert die Organ-on-a-Chip-Technologie?

Die Organ-on-a-Chip-Technologie besteht in der Regel aus einem Polymermaterial, das in eine Form gegossen wird, die bestimmte Aspekte der Morphologie des gewünschten Organs nachahmt. Die Zellen werden dann auf dem Chip ausgesät und können wachsen und funktionelle 3D-Strukturen ausbilden, die der Zellzusammensetzung und Struktur von Geweben ähneln. In einigen Fällen kann der Chip so ausgelegt sein, dass er mikrofluidische Kanäle enthält, die das Mikrogefäßsystem eines Organs nachahmen, um den Zellen fließendes Blut zur Verfügung zu stellen oder andere physiologische Bedingungen wie z. B. Nährstoffe und Sauerstoff.

Um eine realistischere Wiedergabe des zu untersuchenden Organs zu erhalten, können verschiedene Zelltypen zur Bildung einer 3D-Struktur kombiniert werden. Dies kann durch das Einsetzen verschiedener Zellschichten oder durch die Verwendung von Hydrogel-basierten Matrizen erfolgen, die die extrazelluläre Matrix des Organs nachahmen. Es können verschiedene Techniken angewendet werden, um die mechanische, elektrische und chemische Mikroumgebung des Organs nachzuahmen. Zum Beispiel kann der Chip mit Flüssigkeiten perfundiert werden, um fließendes Blut bereitzustellen, oder er kann mechanisch stimuliert werden, um Herzkontraktionen zu imitieren. Darüber hinaus können Sensoren in den Chip integriert werden, um Parameter wie Sauerstoffkonzentration, pH-Wert und Temperatur zu messen und so die Gesundheit und Funktion der Zellen zu überwachen.

Der Chip wird in einen Inkubator gestellt, in dem das Zellwachstum mithilfe verschiedener Techniken wie Mikroskopie, Imaging oder biochemischer Assays überwacht werden kann. Sobald der Chip voll funktionsfähig ist, können Wissenschaftler ihn nutzen, um Krankheitsforschung und Studien zur Wirkstoffentwicklung und Toxikologie kontrolliert und hochgradig reproduzierbar auszuführen. Denn mit diesem Chip können bei jedem Experiment dieselben Bedingungen auf dieselbe Weise nachgeahmt werden – so dass Wissenschaftler die Daten aus vielen verschiedenen Experimenten mit verschiedenen Behandlungen konsistent vergleichen können.

Automatisierung des Organ-on-a-Chip-Assays für das High-Throughput-Screening

Abbildung 1. Die Anordnung der einzelnen Instrumente in der Arbeitszelle ist in (A) dargestellt. Die Instrumente werden von einer integrierten Software (Green Button Go) gesteuert, die das Einrichten von Prozessen ermöglicht. Ein Beispiel des Prozesses zur Überwachung von Zellen in Kultur ist in (B) dargestellt. Hier werden die Platten für das Hellfeld-Imaging vom Inkubator zum ImageXpress Confocal HT.ai und dann zurück zum Inkubator bewegt. Der Prozess kann auch geplant werden und die abzulichtenden Platten können als Liste eingegeben werden, um eine einfachere Chargenverarbeitung zu ermöglichen. Auch können komplexere Routinen umgesetzt werden, die den Liquid Handler für den Medienaustausch (Füttern) mit einbeziehen.

Organ-on-a-Chip – Anwendungen und Assays

Die Kombination dieser komplexen Biologie mit fortschrittlichen High-Content-Imaging-Techniken und den 3D-Analysefähigkeiten von KI/maschinellem Lernen ermöglicht Assays auf einer völlig neuen Ebene. Hier teilen wir unsere Methoden zur Automatisierung der Zellkultur, der Assays und der Analyse, die die Werkzeuge liefern können, um die Nutzung von Organ-on-a-Chip-Systemen zu erleichtern und zu erweitern.