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Main Title: Emulating the human vasculature in a Multi-Organ-Chip platform
Subtitle: rheology and vasculogenesis
Translated Title: Die Nachbildung der humanen Vaskulatur in einer Multi-Organ-Chip Plattform
Translated Subtitle: Rheologie und Vaskulogenese
Author(s): Hasenberg, Tobias
Advisor(s): Lauster, Roland
Marx, Uwe
Materne, Eva-Maria
Referee(s): Lauster, Roland
Neubauer, Peter
Spielmann, Horst
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The Multi-Organ-Chip platform is a microphysiological system developed to evaluate toxicity and efficacy of drugs, and adverse effects of cosmetics, chemicals and alike in a sub-systemic mode. At the scale of a microscope glass slide, it comprises several compartments for the co-cultivation of human 3D tissue constructs. The organoids are physically separated, yet, interconnected through perfused microfluidics. The incorporated on chip micropump provides pulsatile circulation at a microliter scale – enough to provide oxygen, nutrition and deplete excreted products from the cells. The system contains a minute volume of medium enabling crosstalk and interaction of the organoids. The resulting tissue-to-fluid ratio is more physiological-like than in comparable systems. The organoid cultures are, however, not sufficiently vascularised to overcome limitations in size and complexity. Hence, this dissertation’s objective is to contribute to the recreation of a continuous endothelial barrier throughout the system. For this, three major aspects were addressed: (1) Implementing a near-physiological, pulsatile flow. It should provide an in vivo-like shear stress regime, which is required for a phenotypical behaviour of some of the incorporated cell types, specifically the endothelial cells. The complex fluid dynamics created by the micropump were characterised and – where possible – optimised. (2) Creating an endothelial lining within the chip’s microfluidic system. A prerequisite already set up in previous works. (3) Establishing capillary-like vessels in the cultivation compartments, preferably interconnected with the endothelialised microfluidics, as a direct route to the organoids. Fibrin hydrogels containing an endothelial / stromal cell co culture enabled the self-organised formation of microcapillaries. This work will address issues of dynamic versus static cultivation environments, the stability of the hydrogel, along with the influence of the medium constituents on the cell behaviour. The work will show that basic features of blood vessels could be emulated inside the Multi-Organ-Chip platform. A continuous endothelium is crucial for physiological-like interactions, regulation and homeostasis within organoid (co-)cultures as well as for long-term tissue cultivation. Moreover, it is a requirement for replacing medium with a full blood surrogate and to enable immunological queries.
Die Multi-Organ-Chip Plattform ist ein mikrophysiologisches System, welches für die Beurteilung von Toxizität und Wirksamkeit von Medikamenten, sowie von negativen Auswirkungen von Kosmetika, Chemikalien und ähnlichem entwickelt wurde. Auf Größe eines Objektträgers enthält sie mehrere Kompartimente für jedwede subsystemische Co-Kultur dreidimensionaler Gewebekonstrukte. Diese Organoide sind zwar physisch voneinander getrennt, jedoch durch ein mikrofluidisches System strömungstechnisch miteinander verbunden. Die eingebaute on-chip Mikropumpe erzeugt eine pulsatile Strömung im Mikroliter-Maßstab – genug, um den Zellen Sauerstoff und Nährstoffe bereitzustellen und ausgeschiedene Produkte abzuführen. Das System verfügt über ein sehr geringes Volumen an Nährmedium und ermöglicht so den Austausch sowie Wechselwirkungen zwischen den Organoiden. Daraus resultiert auch ein Volumenverhältnis von Gewebe zu Medium, das näher an physiologischen Maßstäben liegt als in vergleichbaren Systemen. Die Gewebekonstrukte sind jedoch unzureichend vaskularisiert, um Beschränkungen in Größe und Komplexität zu überwinden. Gegenstand dieser Dissertation soll es daher sein, einen Beitrag zur Nachbildung der endothealen Barriere im gesamten System zu leisten. Drei Bedingungen müssen dafür erfüllt werden: (1) Ein nahezu physiologischer, pulsatiler Volumenstrom muss zur Verfügung gestellt werden. Dieser soll eine geeignete Schubspannung aufbauen, welche für ein phänotypisches Verhalten der verwendeten Zelltypen – insbesondere der Endothelzellen – erforderlich ist. Die komplexen Strömungsverhältnisse, die die Mikropumpe hervorruft, wurden charakterisiert. Wo es möglich war, fand eine Optimierung statt. (2) Das mikrofluidische System der Plattform muss komplett endothealisiert sein. Eine Voraussetzung die bereits in vorhergehenden Arbeiten erfüllt wurde. (3) Als direkte Route in die Organoide hinein müssen kapillarartige Gefäße in den Kultivierungskompartimenten erzeugt werden, die möglichst mit der Mikrofluidik verbunden sind. Fibrinhydrogele, die eine Co-Kultur aus Endothel- und Stromazellen enthalten, ermöglichten die sich selbst organisierende Bildung von Mikrokapillaren. Diese Arbeit wird sich mit Fragestellungen bezüglich dynamischer versus statischer Kulturbedingungen befassen, sowie mit der Stabilität der Hydrogele und dem Einfluss der Medienzusammensetzung auf das Verhalten der Zellen. Die Dissertation zeigt, dass grundlegende Charakteristika von Blutgefäßen innerhalb der Multi-Organ-Chip Plattform nachgebildet werden konnten. Ein durchgehendes Endothelium ist entscheidend für physiologische Interaktionen, Regulation und Homöostase innerhalb der Organoid(co)kulturen. Zudem ist es essentiell für Langzeitkultivierung der Gewebe. Darüber hinaus stellt es eine Voraussetzung dar, das Nährmedium mit einem Vollblutäquivalent zu ersetzen und immunologische Fragestellungen zu ermöglichen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7497
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6717
Exam Date: 3-Mar-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 7-Mar-2018
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): mikrophysiologisches System
Vaskulatur
Endothelzellkultur
microphysiological system
organ-on-a-chip
vasculature
endothelial cell culture
Sponsor/Funder: BMBF, 031A597A, ERA Net EuroTransBio-9: VASC-MOC - Biologische Vaskualisierung eines Knochenmark-auf-dem-Chip-Modells
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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