Un organ-on-chip (OOC) è un chip microfluidico tridimensionale per colture cellulari 3D che simula le attività, la meccanica e la risposta fisiologica di interi organi o sistemi di organi, rappresentando pertanto un modello in vitro di organo artificiale. Costituisce oggetto di importanti ricerche di ingegneria biomedica, più precisamente nel campo dei bio-MEMS. La convergenza di labs-on-chips (LOC) e biologia cellulare ha permesso lo studio della fisiologia umana in un contesto specifico per l'organo, introducendo il nuovo modello di organismi umani multicellulari in vitro. Tale tecnologia ambisce ad abolire la necessità sperimentazione animale nello sviluppo di farmaci e test delle tossine.
Sebbene più pubblicazioni affermino di avere funzioni d'organo tradotte su questa interfaccia, il passaggio verso questa applicazione microfluidica è ancora ai suoi albori. Gli organ-on-chip variano nel design e nel modo di utilizzo fra i diversi ricercatori. Pertanto, la validazione e l'ottimizzazione di questi dispositivi è un processo ancora in corso. Tra gli organi modellizzati da dispositivi microfluidici vi sono cuore, polmone, rene, arteria, osso, cartilagine, pelle e altro.
La realizzazione di organi artificiali validi, tuttavia, richiede non solo una precisa manipolazione cellulare, ma una comprensione dettagliata della complessa risposta fondamentale del corpo umano a qualsiasi evento. Una preoccupazione comune con gli organ-on-chip sta nell'isolamento degli organi durante i test. Microfabbricazione, microelettronica e microfluidica offrono la prospettiva di modellare sofisticate risposte fisiologiche in vitro in condizioni accuratamente simulate.
Lab-on-a-chip Un lab-on-a-chip è un dispositivo che integra una o più funzioni di laboratorio su un singolo chip che si occupa di gestire le particelle nei canali microfluidici cavi. È stato sviluppato per oltre un decennio. I vantaggi nella gestione delle particelle su scala ridotta includono la riduzione del consumo di volume del fluido (minori costi dei reagenti, meno sprechi), l'aumento della portabilità dei dispositivi, l'aumento del controllo del processo (a causa di reazioni termo-chimiche più rapide) e la riduzione dei costi di fabbricazione. Inoltre, il flusso microfluidico è interamente laminare (cioè senza turbolenza). Di conseguenza, non c'è virtualmente alcuna miscelazione tra flussi vicini in un canale cavo. In biologia cellulare, questa proprietà, rara nei fluidi, è stata sfruttata per studiare meglio i comportamenti cellulari complessi, come la motilità cellulare in risposta a stimoli chemiotattici, differenziazione delle cellule staminali, guida assonica, propagazione subcellulare di segnalazione biochimica e sviluppo embrionale.
Transizione dai modelli di colture cellulari 3D alla tecnologia Organ-on-chip I modelli di coltura cellulare 3D superano i sistemi di coltura 2D promuovendo livelli più elevati di differenziazione cellulare e organizzazione dei tessuti. I sistemi di coltura 3D hanno più successo perché la flessibilità dei gel, che simulano la ECM, è in grado di adattarsi ai cambiamenti di forma e alle connessioni delle celle cellulari, precedentemente impediti dai rigidi substrati di coltura 2D. Tuttavia, anche i migliori modelli di colture 3D non riescono a imitare le proprietà cellulari di un organo sotto molti aspetti, comprese le interfacce tessuto-tessuto (ad es. epitelio ed endotelio vascolare), i gradienti spaziotemporali delle sostanze chimiche e i microambienti meccanicamente attivi (ad esempio la vasocostrizione delle arterie e vasodilatatori, che rispondono a differenziali di temperatura). L'applicazione della microfluidica negli organ-on-chip consente il trasporto e la distribuzione efficienti di sostanze nutritive e altri segnali solubili attraverso i costrutti vitali del tessuto 3D. Gli organi sono indicati come la prossima ondata di modelli di coltura cellulare 3D che imitano le attività biologiche di interi organismi viventi, le proprietà meccaniche dinamiche e le funzionalità biochimiche.
Organi modellizzati Lung-on-a-chip I polmoni su chip sono progettati per migliorare la rilevanza fisiologica degli attuali modelli di interfaccia alveolo-capillare in vitro esistenti. Un tale microdispositivo multifunzionale può riprodurre le proprietà strutturali, funzionali e meccaniche chiave dell'interfaccia alveolo-capillare umano (vale a dire, l'unità funzionale fondamentale del polmone vivente).
Esempio Dongeun Huh del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard descrive la loro fabbricazione di un sistema contenente due microcanali strettamente collegati separati da una sottile membrana flessibile porosa (10 µm) fatta di PDMS. Il dispositivo comprende in gran parte tre canali microfluidici e solo quello centrale contiene la membrana porosa. Cellule di coltura sono state coltivate su entrambi i lati della membrana: cellule epiteliali alveolari umane su un lato e cellule endoteliali microvascolari polmonari umane sull'altro.
La compartimentalizzazione dei canali facilita non solo il flusso di aria come un fluido che fornisce cellule e sostanze nutritive alla superficie apicale dell'epitelio, ma consente anche che esistano differenze di pressione tra i canali centrale e laterale. Durante la normale inspirazione nel ciclo respiratorio di un umano, la pressione intrapleurica diminuisce, innescando un'espansione degli alveoli. Mentre l'aria viene tirata nei polmoni, l'epitelio alveolare e l'endotelio accoppiato nei capillari sono allungati. Poiché un vuoto è collegato ai canali laterali, una diminuzione della pressione farà espandere il canale centrale, allungando così la membrana porosa e, successivamente, l'intera interfaccia alveolare-capillare. Il movimento dinamico guidato dalla pressione dietro lo stiramento della membrana, descritto anche come un ceppo meccanico ciclico (valutato approssimativamente al 10%), aumenta significativamente il tasso di traslocazione delle nanoparticelle attraverso la membrana porosa, rispetto a una versione statica di questo dispositivo, e ad un sistema di cultura Transwell.
Al fine di convalidare pienamente l'accuratezza biologica di un dispositivo, è necessario valutare le risposte dell'intero organo. In questo caso, i ricercatori hanno inflitto lesioni alle cellule: Infiammazione polmonare - Le risposte infiammatorie polmonari comportano una strategia a più stadi, ma accanto a un aumento della produzione di cellule epiteliali e un rilascio precoce della risposta di citochine, l'interfaccia dovrebbe subire un numero maggiore di molecole di adesione dei leucociti. Nell'esperimento di Huh, l'infiammazione polmonare è stata simulata introducendo un mezzo contenente un potente mediatore proinfiammatorio. Solo poche ore dopo la lesione, le cellule del dispositivo microfluidico sottoposte a un ceppo ciclico hanno reagito in accordo con la risposta biologica citata in precedenza. Infezione polmonare - I batteri viventi di E-coli sono stati usati per dimostrare come il sistema possa persino imitare la risposta cellulare innata a un'infezione batterica polmonare. I batteri furono introdotti sulla superficie apicale dell'epitelio alveolare. In poche ore, i neutrofili sono stati rilevati nel compartimento alveolare, nel senso che erano trasmigrati dal microcanale vascolare dove la membrana porosa aveva fagocitato i batteri.
Inoltre, i ricercatori ritengono che il potenziale valore di questo sistema polmone su chip sia di aiuto nelle applicazioni di tossicologia. Studiando la risposta polmonare alle nanoparticelle, i ricercatori sperano di saperne di più sui rischi per la salute in determinati ambienti e correggono modelli in vitro precedentemente semplificati. Poiché un polmone su un chip microfluidico può riprodurre più esattamente le proprietà meccaniche di un polmone umano vivente, le sue risposte fisiologiche saranno più rapide e precise di un sistema di coltura Transwell. Tuttavia, gli studi pubblicati ammettono che le risposte di un polmone su un chip non ancora riproducono pienamente le risposte delle cellule epiteliali alveolari native.
Heart-on-a-chip Sforzi passati a replicare ambienti cardiaci cardiaci in vivo si sono dimostrati difficili a causa delle difficoltà nell'imitare la contrattilità e le risposte elettrofisiologiche. Tali caratteristiche aumenterebbero notevolmente la precisione degli esperimenti in vitro.
La microfluidica ha già contribuito agli esperimenti in vitro sui cardiomiociti, che generano gli impulsi elettrici che controllano la frequenza cardiaca. Ad esempio, i ricercatori hanno costruito una serie di microcamere di PDMS, allineate con sensori e elettrodi stimolanti come uno strumento che monitorerà elettrochimicamente e otticamente il metabolismo dei cardiomiociti. Un altro heart-on-a-chip ha similmente combinato una rete microfluidica in PDMS con microelettrodi planari, questa volta per misurare i potenziali extracellulari da cardiomiociti murini adulti.
Un progetto riportato di un heart-on-a-chip afferma di aver costruito "un mezzo efficace per misurare le relazioni struttura-funzione in costrutti che replicano le architetture gerarchiche dei tessuti del muscolo cardiaco laminare". Questo chip determina che l'allineamento dei miociti nell'apparato contrattile fatto di tessuto cardiaco e il profilo di espressione genica (influenzato dalla deformazione della struttura e della struttura cellulare) contribuisce alla forza prodotta nella contrattilità cardiaca. Questo heart-on-a-chip è un costrutto bioibrido: un miocardio ventricolare anisotropico ingegnerizzato e un film sottile elastomerico.
Il processo di progettazione e fabbricazione di questo particolare dispositivo microfluidico prevede dapprima di coprire i bordi di una superficie di vetro con del nastro (o qualsiasi pellicola protettiva) tale da delineare la forma desiderata del substrato. Viene quindi applicato uno strato di rivestimento a rotazione di PNIPA. Dopo il suo scioglimento, il film protettivo viene rimosso, risultando in un corpo autonomo di PNIPA. Le fasi finali coinvolgono il rivestimento di rotazione della superficie protettiva di PDMS sopra lo scorrimento del vetrino e la polimerizzazione. I film sottili muscolari (MTF) permettono ai monostrati del muscolo cardiaco di essere ingegnerizzati su un sottilissimo substrato flessibile di PDMS. Per seminare correttamente la coltura cellulare 2D, è stata utilizzata una tecnica di stampa del microcontatto per deporre un modello di "muro di mattoni" della fibronectina sulla superficie del PDMS. Una volta che i miociti ventricolari sono stati seminati sul substrato funzionalizzato, il modello di fibronectina li ha orientati a generare un monostrato anisotropico.
Dopo il taglio delle pellicole sottili in due file con denti rettangolari e il successivo posizionamento dell'intero dispositivo in un bagno, gli elettrodi stimolano la contrazione dei miociti tramite una stimolazione sul campo, curvando così le strisce / i denti nell'MTF. I ricercatori hanno sviluppato una correlazione tra lo stress del tessuto e il raggio di curvatura delle strisce MTF durante il ciclo contrattile, convalidando il chip dimostrato come una "piattaforma per la quantificazione dello stress, elettrofisiologia e architettura cellulare".
Kidney-on-a-chip