Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4066
Main Title: Multi-organ-chip based skin models for research and substance testing
Translated Title: Hautmodelle in einem Multi-Organ-Chip zur Forschung und Substanztestung
Author(s): Wagner, Ilka
Advisor(s): Lauster, Roland
Referee(s): Lauster, Roland
Neubauer, Peter
von Stetten, Otto
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Vorhandene Test zur Substanztestung versagen überdurchschnittlich häufig, die Toxizität von Medikamenten hervorzusagen. Die in vitro Tests im Zellkulturlabor scheitern daran, die Komplexität des Menschen nachzubilden. Die Tierversuche hingegen, scheitern an der schlechten Vorhersage der Medikamente im Menschen. Um dieses ständig wachsende Dilemma von mangelhafter prädiktiver präklinischer Substanzevaluation zu verhindern, sind neue Lösungen nötig. Diese sollten die phylogenetische Distanz zwischen Labortieren und Menschen vermeiden und die Diskrepanz zwischen heutigen in vitro Testsystemen und dem menschlichen Körper eliminieren. Bisher wurden nur sehr wenige multi-Kompartiment Zellkultur Flusssysteme beschrieben, noch weniger in miniaturisierter Form. Der entworfene Multi-Organ-Chip besteht aus einem gewöhnlichen Mikroskopobjektträger aus Glas, das über Plasmabonding an eine Silikonschicht gebunden wird, die das Negativ der Kulturfläche der Organäquivalente, die verbindenden Kanäle, und die Pumpmembranen beinhaltet. Darüber ist eine Channel-Platte verbunden, die die Zugänge und Befestigungen für die Pumpschläuche sowie Nährmedienreservoire und Zugang zu den Organäquivalenten beinhaltet. Dieser Multi-Organ-Chip soll zur Verbesserung der bisherigen Zellkulturbedingungen führen. Zum Beispiel hat die Entwicklung von Hautäquivalenten in den letzten Jahrzehnten erheblichen Fortschritt gemacht. Trotz alledem limitiert die statische Kultivierung der Haut die essentiellen physiologischen Eigenschaften, die entscheidend sind für Toxizitätsstudien und Medikamenten-Screening. Der dynamisch, perfundierte Multi-Organ-Chip Bioreaktor ist im Stande variable, mechanische Schub- und Scherspannung anzuwenden und kann daher die Lebensdauer der Haut in Kultur verlängern. Durch diese Verbesserung der Kultivierungsbedingungen, konnte die Lebensdauer der Haut auf bis zu 14 Tage verlängert werden. Bisherige Kulturen haben im Vergleich 3 Tage selten überschritten. Das Design des Multi-Organ-Chips erlaubt es weiterhin, die Organoide, die kleinste funktionelle Einheit eines Organs, entweder direkt im Strom zu kultivieren oder in einem Transwell®, wobei das Organ an einer Luft/Flüssigkeit Grenze wachsen kann. Versuche unter beiden Bedingungen zeigten erstaunliche Unterschiede der Barriere Funktion der Haut, die deutlich besser ausgebildet war, wenn die Oberfläche der Haut der Luft ausgesetzt wurde. Da die Hautkultivierung in dem Multi-Organ-Chip erfolgreich war, wurde anschließen ein Leberäquivalent hinzugefügt. Für toxikologische und pharmazeutische Studien, ist die Leber mit eines der kritischen Organe, da Lebertoxizität eines der häufigsten Gründe ist, derentwegen Medikamente vom Markt genommen werden müssen. Die Kombination der beiden Organäquivalente, je 1/100.000 der Biomasse des Menschen, zeigte eine erstaunlich gute Kompatibilität der beiden Organoide. Es möglich beide Organäquivalente zusammen stabil 28 Tage zu kultivieren. Funktionalität, Struktur und Überleben der Organoide in dieser Langzeit Kultivierung war erheblich besser als im Vergleich zu bisher beschriebenen Kultivierungsbedinungen. Weiterhin konnte ein Crosstalk der beiden Organoide beobachtet werden. Um die Funktionalität des Systems weiter zu testen, wurde eine Substanz beaufschlagt. Die Substanz wurde täglich beaufschlagt und bereits nach 3 Tagen konnte eine erhöhte LDH Konzentration beobachtet werden, die an Tag 6 der Beaufschlagung signifikant höher war als die Kontrolle. Um die Dissertation zu vervollständigen, wurden die Kanäle des Multi-Organ-Chips weiterhin mit Endothelzellen ausgekleidet. Die Endothelzellen besiedelten die Kanäle vollständig, oben, unten und an den Seiten sowie die komplette Fläche der Kanäle und streckten sich mit dem Strom. Auch die Kombination von den drei verschiedenen Organoiden konnte erfolgreich für 28 Tage durchgeführt werden, und brachte sogar bessere Ergebnisse in Überleben und Funktionalität als in der zwei-Organoid Kultur. In dieser Arbeit wurde demnach ein potentielles, neues Instrument zur Substanztestung entwickelt.
Current in vitro and animal tests for drug development are failing to emulate the systemic organ complexity of the human body and, therefore, to accurately predict drug toxicity. To ban the ever increasing dilemma of poorly predictive preclinical substance evaluation, new solutions are needed. These have to avoid the phylogenetic distance between laboratory animals and humans and eliminate the discrepancy between current in vitro test systems and the human body. Only few multi-compartment cell culture flow systems have been described so far, even less on a miniaturised scale. In the development of skin equivalents, substantial progress has been achieved in the last few decades. However, static culture of the skin limits the emulation of essential physiological properties which are crucial for toxicity testing and compound screening. The dynamically perfused chip-based multi-organ-chip developed in this study is capable of applying variable mechanical shear stress and, therefore, can extend culture periods. This improves culture conditions of integrated in vitro skin equivalents and skin biopsies which have been proven to be viable as long-term cultures of up to 28 days in the multi-organ-chip. The system supports two different culture modes: i) tissue exposed to the fluid flow, or ii) tissue shielded from the underlying fluid flow by standard Transwell® cultures. Hence, skin can either be cultured in the flow or at air/liquid interface with less shear stress which was shown to be beneficial for the skin’s epidermal structure and, hence, its barrier function. The multi-organ-chip was further developed to combine the skin equivalent with a human artificial liver microtissue in co-culture, each a 1/100.000 of the biomass of their original human counterparts. This co-culture successfully showed stable long-term performance of 28 days. In comparison, most other systems are only stable for 72 h. Crosstalk between the two tissues was observed in 14-day co-cultures exposed to fluid flow. Then, troglitazone, a hepatoxic anti-diabeticum, was chronically applied to the skin and liver co-cultures and showed sensitivity at different molecular levels within a 6-day exposure time. Finally, the skin and liver co-cultures were combined with a fully endothelialised multi-organ-chip. Endothelial cells covered all walls of the channels in the multi-organ-chip, as known from blood vessels. This combination of 3 tissues in one co-culture was stable for 28 days, fulfilling the requirement of 21-28 days of exposure that is defined in OECD guidelines for dermal subsystemic repeated dose toxicity testing of chemicals and cosmetics in animals. Thus, in this study, a potential new tool for systemic substance testing has been developed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-52015
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4363
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4066
Exam Date: 29-Nov-2013
Issue Date: 21-Jul-2014
Date Available: 21-Jul-2014
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): Haut
Multi-Organ-Chip
Organmodellierung
Toxizitätstest
Skin
multi-organ-chip
organ modelling
tissue engineering
toxicity testing
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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