Organ-on-a-chip
Sviluppate modelli cellulari organ-on-a-chip automatizzati e ad alto rendimento utilizzando l’imaging ad alto contenuto e l’analisi 3D.
Che cos’è organ-on-a-chip?
Organ-on-a-chip (OoC) è una tecnologia che utilizza tecniche di microfabbricazione per creare modelli in miniatura di organi biologici, come polmoni, cuore o intestino, su un dispositivo delle dimensioni di un chip. Questi dispositivi microfabbricati sono costituiti da cellule vive coltivate su una piattaforma in microscala e imitano la struttura e la funzione dell’organo che rappresentano. Le cellule sono tipicamente disposte in modo da imitare la struttura tridimensionale nativa dell’organo e sono perfuse con fluidi, come sangue o aria, per rappresentare l’ambiente fisiologico dell’organo.
La tecnologia OoC viene utilizzata per creare modelli più accurati e affidabili di organi e tessuti, in grado di replicare meglio il complesso microambiente e le interazioni delle cellule all’interno di un organo. I modelli cellulari 3D possono essere utilizzati per studiare le malattie, lo sviluppo di farmaci e la tossicologia in modo più accurato e realistico rispetto alle tradizionali colture cellulari 2D.
Il chip di coltura OrganoPlate® a 3 corsie 64 e la rappresentazione schematica insieme all’illustrazione di un tubulo di cellule coltivate contro un gel ECM.
Come funziona la tecnologia organ-on-a-chip
La tecnologia organ-on-a-chip consiste tipicamente in un materiale polimerico che viene plasmato in una forma che imita alcuni aspetti della morfologia dell’organo di interesse. Le cellule vengono quindi seminate sul chip e lasciate crescere e formare strutture 3D funzionali che assomigliano alla composizione cellulare e alla struttura dei tessuti. In alcuni casi, il chip può essere progettato per includere canali microfluidici che riproducono la microvascolarizzazione di un organo per fornire alle cellule il flusso sanguigno o altre condizioni fisiologiche, tra cui sostanze nutritive e ossigeno.
Per ottenere una rappresentazione più realistica dell’organo di interesse, si possono combinare vari tipi di cellule per formare una struttura 3D, utilizzando diversi strati di cellule o utilizzando matrici a base di idrogel per imitare la matrice extracellulare dell’organo. Si possono applicare varie tecniche per imitare il microambiente meccanico, elettrico e chimico dell’organo. Ad esempio, il chip può essere perfuso con fluidi per fornire un flusso sanguigno, oppure può essere stimolato meccanicamente per simulare le contrazioni cardiache. Inoltre, nel chip possono essere integrati sensori per misurare elementi quali ossigeno, pH e temperatura, al fine di monitorare la salute e il funzionamento delle cellule.
Il chip viene collocato in un incubatore dove la crescita cellulare può essere monitorata con varie tecniche, come la microscopia, l’imaging o i saggi biochimici. Una volta che il chip sarà completamente funzionante, gli scienziati potranno utilizzarlo per studiare le malattie, lo sviluppo farmacologico e la tossicologia in modo controllato e altamente riproducibile. Questo perché il chip può essere utilizzato per simulare le medesime condizioni, allo stesso modo, ogni volta che si esegue un esperimento, consentendo agli scienziati di confrontare i dati in modo coerente tra diversi esperimenti e trattamenti.
Automazione del saggio organ-on-a-chip per uno screening ad alto rendimento
Qui descriviamo un flusso di lavoro per l’automazione della coltura di OoC, nonché per il monitoraggio e l’analisi automatizzata delle cellule. Il metodo automatizzato utilizza una cella di lavoro integrata che comprende diversi strumenti che consentono l’automazione e il monitoraggio della coltura cellulare. Il sistema di imaging ad alto contenuto consente di caratterizzare lo sviluppo di modelli cellulari 3D e di testare gli effetti dei composti. Il sistema integrato comprende il sistema di imaging ad alto contenuto ImageXpress® Micro Confocal, un incubatore CO2 automatizzato, un manipolatore di liquidi (Biomek i7) e un robot collaborativo. Abbiamo sviluppato metodi per automatizzare la semina delle cellule, lo scambio di terreno di coltura e il monitoraggio dello sviluppo e della crescita della vascolarizzazione 3D. Inoltre, il metodo facilita l’analisi automatizzata dei composti e la valutazione degli effetti di tossicità.
Guardate la presentazione del poster OoC con Oksana Sirenko, Sr. Application Scientist, che illustra il modo in cui le nostre soluzioni di imaging ad alto contenuto possono scalare e automatizzare l’imaging 3D di sistemi organ-on-a-chip.
Figura 1. La disposizione dei singoli strumenti nella cella di lavoro è illustrata in (A). Gli strumenti sono controllati da un software integrato (Green Button Go) che consente di impostare i processi. Un esempio del processo di monitoraggio delle cellule in coltura è mostrato in (B). Qui le piastre vengono spostate dall’incubatore all’ImageXpress Confocal HT.ai per l’imaging in campo chiaro e poi di nuovo all’incubatore. Il processo può anche essere programmato e le piastre da sottoporre a imaging possono essere inserite in un elenco per facilitare l’elaborazione in lotti. È possibile implementare anche routine più complesse che includono il gestore di liquidi per lo scambio di terreni di coltura (alimentazione).
Applicazioni e saggi organ-on-a-Chip
La combinazione di questa complessa biologia con tecniche avanzate di imaging ad alto contenuto e capacità di analisi 3D con intelligenza artificiale/apprendimento automatico introduce un livello completamente nuovo di saggi. Qui condividiamo i nostri metodi per l’automazione della coltura cellulare, dei saggi e delle analisi, che possono fornire gli strumenti necessari per facilitare e scalare l’uso dei sistemi organ-on-a-chip.