Blinkende eye-on-a-chip verwendet for disease modeling und drug testing

Blinkende eye-on-a-chip verwendet for disease modeling und drug testing

Menschen verbringen acht oder mehr Stunden am Tag starrte auf einem computer-Bildschirm können feststellen, Ihre Augen müde oder trocken, und, wenn diese Bedingungen sind schwer genug, können Sie schließlich entwickeln dry eye disease (DED). DED ist eine häufige Erkrankung mit erschreckend wenige von der FDA zugelassene medikamentöse Optionen, teilweise aufgrund der Schwierigkeiten bei der Modellierung der komplexen Pathophysiologie der menschlichen Augen. Geben Sie die blinkende eye-on-a-chip: eine künstliche menschliche Auge Replik gebaut, im Labor von Penn Engineering-Forscher.

Diese eye-on-a-chip, komplett mit einem blinkenden Augenlid, hilft Wissenschaftlern und Drogen-Entwickler, um zu verbessern Ihr Verständnis und Behandlung von DED, unter anderen möglichen Verwendungen. Die Forschung, veröffentlicht in der Natur-Medizin, beschreibt die Genauigkeit des eye-on-a-chip als ein organ stehen-in und zeigt seine Nützlichkeit als ein drug-testing-Plattform.

Die Studie wurde unter Leitung von Dan Huh, associate professor in der Abteilung von Biotechnik und student Jeongyun Seo.

Sie arbeitete mit Vivian Lee, Vatinee Bunya und Mina Massaro-Giordano von der Abteilung der Augenheilkunde in Penns Perelman School of Medicine, sowie mit Vivek Shenoy, Eduardo D. Glandt President ‚ s Distinguished Professor in Penn Engineering-Department of Materials Science and Engineering. Andere Mitarbeiter enthalten, Byun Woo, Andrei Georgescu und Yoon-suk Yi, Mitglieder der Huh ‚ s lab und Farid Alisafaei, ein Mitglied der Shenoy s lab.

Huh s lab ist spezialisiert auf die Erstellung Organe-auf-einem-chip, bieten microengineered in-vitro-Plattformen zu imitieren, um Ihre in-vivo-Kollegen, einschließlich der Lunge und Knochenmark-Proxys in den Weltraum gestartet dies Kann zu studieren astronaut Krankheit. Das Labor hat Jahre damit verbracht die fine-tuning-eye-on-a-chip, das verdient Sie im Jahr 2018 Üppigen Preis für seine Versprechen, die tierversuchsfreie Testung von Arzneimitteln, Chemikalien und Kosmetika.

In dieser Studie, Huh und Seo konzentriert sich auf die Technik ein Auge Modell, das man imitieren, einem gesunden Auge und einem Auge mit dem DED, so dass Sie zum testen ein experimentelles Medikament ohne Risiko für die menschliche Schaden.

Zu konstruieren, Ihre Auge-auf-ein-chip, Huh team startet mit einem porösen Gerüst entwickelt, mit dem 3D-Druck, über die Größe eines Cent und die Form einer Kontaktlinse, auf denen Sie wachsen menschliche Auge Zellen. Die Zellen der Hornhaut wachsen auf den inneren Kreis von Gerüsten, gelb gefärbt, und die Zellen der Bindehaut, die spezialisierte Gewebe deckt den weißen Teil der menschlichen Augen, wachsen auf den umliegenden roten Kreis. Eine Platte aus Gelatine wirkt als das Augenlid, mechanisch verschiebbar über dem Auge in der gleichen rate wie die menschliche blinken. Gespeist durch eine tränenkanal, blau gefärbt, das Augenlid breitet künstlichen Träne sekret über dem Auge zu bilden, was man eine Träne-film.

„Aus technischer Sicht, fanden wir es interessant zu denken über die Möglichkeit der Nachahmung der dynamischen Umgebung, die sich von einem blinkenden Auge. Das blinken dient zur Verbreitung von Tränen und erzeugen eine dünne Folie, die hält die Augenoberfläche mit Feuchtigkeit versorgt. Es hilft auch, die form eine glatte brechende Oberfläche für die Lichttransmission. Dies war eine wichtige Funktion der Augenoberfläche, die wir wollten, um zu rekapitulieren, die in unserem Gerät“, sagt Huh.

Für Menschen mit dem DED, dass der Tränenfilm verdunstet schneller, als es wieder aufgefüllt werden, wodurch Entzündungen und Reizungen. Eine häufige Ursache des DED ist die reduzierte blinken, das Auftritt, während eine übermäßige Nutzung des Computers, aber die Menschen entwickeln können, die Krankheit auch aus anderen Gründen. DED betrifft etwa 14 Prozent der Weltbevölkerung, aber wurde vor allem schwer, neue Behandlungsmöglichkeiten zu entwickeln, mit 200 fehlgeschlagen klinische arzneimittelstudien seit 2010 und nur zwei derzeit verfügbaren FDA-zugelassenen Medikamente für die Behandlung.

Huh s lab wurde unter Berücksichtigung der Droge-Tests potential-Organe-auf-einem-chip seit Ihrer ersten Konzeption, und, wegen seiner surface-level-Bereich, der Auswirkungen, DED schien der perfekte Ort zu starten, indem Sie Ihre Augen-Modell zu testen. Aber bevor Sie begannen, ein Medikament Studie hatte das team um sicherzustellen, dass Ihre Modell könnte wirklich imitieren die Bedingungen des DED.

„Zunächst dachten wir, Modellierung DED wäre so einfach wie nur halten die Kultur, die Umgebung trocken. Aber wie es sich herausstellt, es ist eine unglaublich komplexe multifaktorielle Erkrankung mit einer Vielzahl von sub-Typen“, sagt Huh. „Unabhängig von der Art, aber es gibt zwei grundlegende Mechanismen, die die Grundlage der Entstehung und progression des DED. Zuerst, als Wasser verdunstet aus dem Tränenfilm, Salz-Konzentration drastisch erhöht, was in hyperosmolarity der Tränen. Und die zweite, mit einem erhöhten Verschleiß der Verdunstung, der Tränenfilm wird dünner, schneller und oft Brüche vorzeitig, so genannte Tränenfilm Instabilität. Die Frage war: Ist unser Modell in der Lage modeling diesen zentralen Mechanismen des trockenen Auges?“

Die Antwort, nach viel Experimentieren, war ja. Das team evozierte DED Bedingungen im Auge-auf-ein-chip durch trennen des Geräts künstlich zu blinken in der Mitte und sorgfältig erstellen einer abgeschlossenen Umgebung simuliert, dass die Feuchtigkeit von real-life-Bedingungen. Wenn auf die Probe gestellt, gegen echte menschliche Augen, die beide gesund und mit dem DED, dem entsprechenden Auge-auf-ein-chip-Modelle beweisen Ihre ähnlichkeit zu dem eigentlichen organ auf mehreren klinischen Maßnahmen. Die Augen-auf-ein-chip nachgeahmt eigentlichen Augen die Leistung in einem Schirmer-Streifen, die tests liquid-Produktion; in eine Osmolarität zu testen, die sieht auf den Tränenfilm Salz Inhalt; und in einem keratography test, die Auswertung der Zeit, die für einen Tränenfilm zu brechen.

Bestätigt haben Ihre eye-on-a-chip die Fähigkeit zum Spiegel der Leistungsfähigkeit des menschlichen Auges im normalen und DED-induzierende Einstellungen, Huh team wandte sich an die pharmazeutische Industrie zu finden eine viel versprechende DED Medikament zu testen-fahren mit Ihrem Modell. Sie landeten auf eine bevorstehende Drogen-basierend auf lubricin, ein protein hauptsächlich in die schmierende Flüssigkeit, schützt die Gelenke.

„Wenn die Leute denken DED, die Sie normalerweise behandeln Sie es als eine chronische Krankheit getrieben durch eine Entzündung“, sagt Huh, „aber es gibt nun immer mehr Beweise, die darauf hindeutet, dass die mechanische Kräfte sind wichtig für das Verständnis der Pathophysiologie des DED. Wie der Tränenfilm wird dünner und instabiler wird, die Reibung zwischen der Augenlider und der Augenoberfläche erhöht, und dies kann zu Schäden an der epithelialen Oberfläche und führen zu unerwünschten biologischen Reaktionen wie Entzündungen. Basierend auf diesen Beobachtungen, es gibt zunehmend Interesse an der Entwicklung der Augenheilkunde Gleitmittel, wie eine topische Behandlung für trockenes Auge. In unserer Studie verwendeten wir ein lubricin-basierte Medikament, das derzeit in der klinischen Erprobung. Wenn wir getestet haben, dieses Medikament in unser Gerät, wir waren in der Lage zu zeigen, seine Reibung-senkende Effekte, aber, noch wichtiger ist, mit diesem Modell, das wir entdeckt seine bisher unbekannte Fähigkeit zum unterdrücken der Entzündung der Augenoberfläche.“

Durch den Vergleich der Test-Ergebnisse Ihrer Modelle von einem gesunden Auge, ein Auge mit dem DED, und ein Auge mit dem DED plus lubricin, Huh und Seo konnten weitere Wissenschaftler zu verstehen, wie lubricin Werke und zeigen, dass die Droge Versprechen als DED-Behandlung.

Ebenso, den Prozess des Aufbaus eine blinkende eye-on-a-chip nach vorne geschoben Wissenschaftler‘ Verständnis von dem Auge selbst, die Einblicke in die Rolle der mechanik in der Biologie. Die Zusammenarbeit mit Shenoy, Leiter des Center for Engineering MechanoBiology, das team aufmerksam wurde, wie die körperliche blinken Aktion war beeinflussen die Zellen, die Sie angebaut Ingenieur ein künstliches Auge auf der Spitze in Ihrem Gerüst.

„Zunächst werden die Hornhaut-Zellen beginnen als eine einzelne Schicht, sondern Sie werden geschichtet und bilden mehrere Schichten als Ergebnis der Differenzierung, was passiert, wenn diese Zellen werden kultiviert, die an der air-liquid-interface. Sie bilden die engen Zell-Zell-junctions und express eine Reihe von Markern, die während der Differenzierung,“ Was sagt. „Interessanterweise fanden wir heraus, dass die mechanischen Kräfte durch das blinken tatsächlich helfen, die Zellen differenzieren sich schneller und effizienter zu gestalten. Wenn die Hornhaut-Zellen kultiviert wurden unter Luft in Gegenwart von blinken, Geschwindigkeit und Ausmaß der Differenzierung signifikant erhöht im Vergleich zu statischen Modellen, ohne zu blinken. Basierend auf diesem Ergebnis werden wir spekulieren, dass blink-induzierte physiologische Kräfte können einen Beitrag zur Differenzierung und Aufrechterhaltung der Hornhaut.“

In anderen Worten, die menschliche Hornhaut, die Zellen wachsen auf den Wissenschaftler Gerüst mehr schnell spezialisierte und effizient in Ihre spezifischen Aufgaben, wenn das künstliche Augenlid wurde, blinkt auf der Oberseite von Ihnen, was darauf hindeutet, dass die mechanische Kräfte wie blinken, erheblich dazu beitragen, wie die Zelle funktioniert. Diese Arten von konzeptuellen Fortschritt, gepaart mit der drug discovery-Anwendungen, markieren Sie die vielfältigen Wert, entwickelt Organe-auf-einem-chip kann dazu beitragen, die Wissenschaft.

Huh und Seo-Auge-auf-ein-chip ist das einfach nur noch eintauchen seine Zehen in den Bereich der Drogen-Tests, aber dieser erste Schritt ist ein Sieg, stellt die Jahre der Arbeit der Verfeinerung Ihrer künstlichen Auges zu erreichen dieses Niveau der Genauigkeit und Nützlichkeit.

„Zwar haben wir nur demonstriert proof-of-concept“, sagt Seo, „ich hoffe, dass unser Auge-auf-ein-chip-Plattform, die weiter Fortgeschritten ist und für eine Vielzahl von Anwendungen neben dem drug screening, wie die Prüfung der Kontaktlinsen und Augen-Operationen in der Zukunft.“

„Wir sind besonders stolz auf die Tatsache, dass unsere Arbeit bietet eine große und seltene Beispiel für die interdisziplinäre Arbeit umfasst ein breites Spektrum an Forschungsaktivitäten von der Entwicklung und Herstellung von neuartigen biotechnischen Systemen zur in vitro Modellierung komplexer menschlicher Erkrankungen auf Arzneimittel-Prüfungen“, sagt Huh. „Ich denke, das ist, was macht unsere Studie eindeutig und Vertreter von innovation, die herbeigeführt werden kann durch organ-on-a-chip-Technologie.“