Organoid Çipleri Tasarımı ve Kullanım Alanları


Menşura Feray ÇOŞAR - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi

Organoidler bazı durumlarda net etki gözlemi ve tepki ölçümü açısından oldukça sık kullanılmaktadır. Örneğin, kanser hastası bireylerden elde edilen tümör, laboratuvar ortamında oldukça sık kullanılan farelere aktarıldığında (ksenotograft), kanser tedavisi için hayvan testinin geçerliliğini sorgulamaya sebep olan murine özgü tümör evrimine uğrayabilmektedir. Ayrıca, embriyonik dönemde, fetüs evresinde ve yeni doğmuş bebeklerde etkileyici durumlar için ilaçların geliştirilmesi, uygun modellerin denenmesi de oldukça zordur. Bir başka açıdan bakıldığında insanlarda şu anda mümkün olmayan, ancak gelecekte görülebilecek, giderek kirlenen dünyada ilaçların ve çevresel kimyasalların doğuştan gelen bozukluklar ya da kusurlar üzerindeki etkilerini araştırmak da önemlidir. İlaç keşfi ve sağlık araştırması için yeni yöntem ve yaklaşımlara duyulan ihtiyaç organoid kullanımlarını yaygınlaştırmıştır.[1-3]


Mikroakışkan maddeler, milimetre altı ölçekte sıvıların tasarlanmış manipülasyonu ile karakterize edilmektedirler ve bu mikro ölçekli cihazlar genellikle küçültülmüş ebatlara sahip toplam analiz sistemleri veya çip üzerinde laboratuar teknolojileri olarak tanımlanabilmektedir. [4]


Çiplerde kullanılan plastik temelli mikroakışkan membranlar mekanik olarak gerilebilir bir membran içeren bir mikroakışkan cihazdır. Organizmada bulunan vasküler ve epitel arayüzlerinin organ düzeyinde işlevini yakalayabilmektedir. Sentetik bir polimerik elastomer kullanılarak imal edilebilen mikroakışkan iskeleler mekanik stabilitesini koruyarak, çevreleyen yoğun parankimal dokunun endotelizasyonunu ve kültürünü destekleme niteliğindedir. Mikroakışkan iskele tasarımları, endotelyal hücreler ve parankimal dokular arasında istenilen boyutlarda vasküler arayüzler oluşturulabilmektedir. Mikroakışkan hidrojeller % 90 ila 99 oranında su içeren kolajen, matrigel, jelatin ve fibrin gibi maddeler içerdiğinden, biyomoleküllere karşı oldukça geçirgen özelliktedir ve bu da polidimetilsiloksan(PDMS) -membran bazlı cihazlar veya polimerde olduğu gibi, malzeme geçirgenliğini artırmak için mikro gözeneklerin dahil edilmesi ihtiyacını azaltmaktadır. Basit bir pipetleme tekniği kullanarak hidrojellerin modellemesini kontrol etmek mümkündür. [1-3]


Bütün bu mikroakışkan ekipmanlar kullanılarak yapay olarak tanımlanan asküler-epitel arayüzünün aksine, büyüme faktörleri ve biyokimyasal sinyaller, endotel hücrelerinin hidrojelleri içinde nüfuz edebilir , böylelikle bir mikrovasküler ağın kendi kendine birleşmesini tetiklemek için kullanılabilmektedir. Mikrokanallara uygun bağlantılar kurulmasıyla, kendi kendine monte edilmiş bir mikro damar sistemi oluşturulabilmektedir. Mikroakışkan damar sistemi tasarımında kullanılan mikro kaplar , doğal kılcal damarların boyutuna (7–20 µm) yakın damar çapları ile tasarlanabilmektedir.[4] Üstelik, bu mikrovasküler ağlar biyolojik olarak yeniden şekillenmeye uygundur ve bunlar kullanılarak ilaçlara ve biyokimyasal gradyanlara yanıt olarak vasküler büyüme, bozulma ve olgunlaşma izlenebilmektedir. Tasarlanan ağ cihazları genellikle yerçekimi tahrikli akışa uygundur, ancak daha kolay kullanım için çok oyuklu bir plaka formatına da adapte edilebilmektedir. [1-4] Araştırmacılar kanalların tasarımı için uygun boyut, sayısı ve bölmelerini organa göre adapte etmektedirler. Sonraki aşamada ince kalıplar yetiştirilir ve son cihazlar şeffaf ve yumuşak polidimetilsiloksan (PDMS) kullanılarak yapay kaplama gerçekleşebilir.[4]




Şekil 1: Çok katmanlı olarak tasarlanan bir mikro sistem teknolojisinde, dört katman birleştirilmesini göstermektedir.. (A) rezervuarlar ve kanallar için 2000 μm kalınlığında PDMS katmanıdır. (B) 200 μm kalınlığında, doku beslemesi için delikli cam kapama tabakasıdır. (C) yapılandırılmış organ büyüme bölümleri, kök hücre nişi ve kanalları için 400 μm kalınlığında silikon katmandır. (D) Sensörler ve ısıtıcı için 200 μm kalınlığında alt cam tabakadır. [5]



Organoid sistemleri klasik laboratuvar işlemlerine kıyasla oldukça kolaylık sağlasa da bunun da üzerine çıkan, kültür aşamalarını kolaylaştıran hızlı, küçük ebatlardaki çip dizaynları, mikro mühendislik ürünleridir ve bunların tasarımında mikroakışkan-kanal geçişlerinde oluşabilecek baloncuklar sorun yaratmaktadır. Çip tasarımlarında dikkat edilmesi gereken bir diğer unsur ise çipin üzerine kurulduğu tabaka görevini de üstlenen PDMS’nin küçük organik bileşikleri aktarırken emebilme kapasitesidir. Hidrofobik ilaçlar gibi yağda çözünen bileşikler, PDMS'ye absorpsiyon nedeniyle PDMS cihazlarıyla uyumsuzdur ve mümkün olduğunca az tercih edilmelidir. PDMS üzerine kaplanmış hücre dışı matris yapısının üzeri , cam veya polistiren gibi farklı yüzeylerde kaplandığında kaplanan madde türünün etkisine göre vücutta hücre tipine bağlı bir şekilde, çok fazla deneme yanılma gerektiren farklı etkilere sahip olabilmektedir Aynı çip üzerinde birden fazla organ bölmesini doldurmak için organ spesifikten ziyade genel bir akış dizaynı gerekir.[3-8]


Bazı çalışmalarda farklı denemeleri aynı çip üzerinde yapabilmek için çeşitli hücre kültürü ortamlarının bir karışımı olan tasarım biçimleri kullanılmıştır. Bu karmaşık sisteme nazaran organoid çiplerinde bölmelendirme yöntemiyle her bölüm için farklı kültür ortamları kullanma stratejisi devam etmektedir.[3-8]


Şekil 2: Çipte kültürlenen doku katmanlarında mikroakışkan ortak kültürlerini oluşturma prosedürünü özetlemektedir.[4]



Çip tasarımlarında bir diğer önemli faktör de ölçeklendirmedir.[3,4] Dizaynı yapılacak organların izometrik küçülmesi, organ hacmine ve organ alanına bağlı olan fonksiyonlar nedeniyle organlar arasında dengesiz bir sistem oluşturabilmektedir.. Her organı küçültmenin birçok yolu vardır ve bu küçültme işleminde organın izometrik şekli, geometrik yapısı dikkate alınmalıdır.[3-8]


Organoid çipleri gözlemlemesi zor olan durumlarda, tespit niteliğini kuvvetlendiren ve mikro mühendislikle organoid kültürünü birleştiren tasarımlardır. Üzerinde gözlem yapabilmek için farklı işaretleme,boyama prosedürleri uygulanabilmektedir. Yu ve arkadaşları 2019 yılında yaptıkları çalışmada bu tasarımı doğum öncesinde nikotine maruz kalmanın beyin üzerindeki etkilerini incelemek için kullanmışlardır. Çalışmalarında kurdukları çip üzerinde organodilerin nikotine verdiği tepkiyi değerlendirmek için nöral progenitör işaretleyici SOX2 (kırmızı), nöronal işaretleyici TUJ1 (yeşil), kortikal katman belirteçleri TBR1 (kırmızı) ve CTIP2 (yeşil), spesifik ön beyin belirteci PAX6 (yeşil) ve arka beyin belirteci ISL1 (kırmızı) için immünohistokimyasal boyama yapmışlardır.[9]


Şekil 3: Doğum öncesi nikotin etkisini modellemek için çip üzerinde beyin organoid sisteminin şematik diyagramını göstermektedir. EBs kültürü, nöral farklılaşma ve 3D Matrigel ve sıvı akışını bütünleştirerek çip üzerinde oluşturulan beyin organoidlerini temsil etmektedir.[9]


Şekil 4: Çip üzerindeki beyin organoidlerine uygulanan nöral ayırt edici SOX2 (kırmızı), nöronal işaretleyici TUJ1 (yeşil), kortikal katman belirteçleri TBR1 (kırmızı) ve CTIP2 (yeşil), spesifik ön beyin belirteci PAX6 (yeşil) ve arka beyin belirteci ISL1 (kırmızı) için immünohistokimyasal boyama yöntemi sonrası gözlem sonuçlarını göstermektedir.[9]





Referanslar

  1. Zhang, B., Korolj, A., Lai, B.F.L. et al. Advances in organ-on-a-chip engineering. Nat Rev Mater 3, 257–278 (2018). https://doi.org/10.1038/s41578-018-0034-7

  2. Wu, Q., Pan, Y., Wan, H., Hu, N., & Wang, P. (2019). Research progress of organoids-on-chips in biomedical application. Chinese Science Bulletin, 64(9), 902-910. doi: 10.1360/n972018-00860

  3. Kim, S., & Takayama, S. (2015). Organ-on-a-chip and the kidney. Kidney Research And Clinical Practice, 34(3), 165-169. doi: 10.1016/j.krcp.2015.08.001

  4. Yu, F.; Hunziker, W.; Choudhury, D. Engineering Microfluidic Organoid-on-a-Chip Platforms. Micromachines2019, 10, 165. https://doi.org/10.3390/mi10030165

  5. Sonntag, F., Schilling, N., Mader, K., Gruchow, M., Klotzbach, U., Lindner, G., … Howitz, S. (2010). Design and prototyping of a chip-based multi-micro-organoid culture system for substance testing, predictive to human (substance) exposure. Journal of Biotechnology, 148(1), 70–75. doi:10.1016/j.jbiotec.2010.02.001

  6. Zhang, Y. S., Aleman, J., Shin, S. R., Kilic, T., Kim, D., Mousavi Shaegh, S. A., … Khademhosseini, A. (2017). Multisensor-integrated organs-on-chips platform for automated and continual in situ monitoring of organoid behaviors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(12), E2293–E2302. doi:10.1073/pnas.1612906114

  7. Park, S. E., Georgescu, A., & Huh, D. (2019). Organoids-on-a-chip. Science, 364(6444), 960–965. doi:10.1126/science.aaw7894

  8. Takebe, T., Zhang, B., & Radisic, M. (2017). Synergistic Engineering: Organoids Meet Organs-on-a-Chip. Cell Stem Cell, 21(3), 297–300. doi:10.1016/j.stem.2017.08.016

  9. Wang, Y., Wang, L., Zhu, Y., and Qin, J. (2018). Lab Chip 18, 851–860. doi: 10.1039/C7LC01084B




87 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör

Türkiye'nin Tek Popüler Genetik Bilim Dergisi

Bezelye Dergi ISSN: 2587-0173

  • Beyaz Facebook Simge
  • Beyaz Instagram Simge
  • White Twitter Icon
  • Icon-gmail
  • kisspng-white-logo-brand-pattern-three-d
  • images
  • medium
  • Dergilik
  • YouTube

© 2019 by Bezelye Dergi