Gastles Organ on a chip.docx

# Ontwerp en materialen voor organ-on-chip apparaten Dit onderwerp verkent de essentiële materialen en ontwerpstrategieën die ten grondslag liggen aan de creatie van organ-on-chip (OoC) apparaten, met een focus op de uitdagingen en voordelen die gepaard gaan met materialen zoals glas, PDMS en plastic chips. ## 1. Ontwerp en materialen voor organ-on-chip apparaten ### 1.1 Fundamenten van organ-on-chip ontwerp Organ-on-chip (OoC) technologie streeft ernaar om fysiologische omstandigheden van menselijke organen zo nauwkeurig mogelijk na te bootsen in een chipomgeving, wat leidt tot meer accurate en betrouwbare in-vitro modellen. Dit omvat het integreren van de specifieke celtypen van een orgaan, het nabootsen van hun 3D-structuur en het simuleren van relevante mechanische en chemische prikkels, zoals vloeistofstromen. ### 1.2 Materialen voor OoC-apparaten De keuze van materialen is cruciaal voor de functionaliteit en betrouwbaarheid van OoC-apparaten. Verschillende materialen bieden specifieke voordelen en brengen uitdagingen met zich mee. #### 1.2.1 Glas Glas is een ideaal materiaal vanwege zijn uitstekende optische helderheid, wat essentieel is voor real-time celobservatie onder een microscoop. Het is ook inert, wat ongewenste interacties met de cellen of de experimentele media minimaliseert. * **Voordelen:** * Uitstekende optische transparantie. * Chemische inertie. * **Nadelen:** * Moeilijk te bewerken voor de creatie van microfluïdische kanalen, wat krachtige en dure apparatuur vereist (bijvoorbeeld lasers). * Glas laat geen lucht door, wat een uitdaging kan zijn aangezien cellen zuurstof en kooldioxide nodig hebben. Dit kan echter worden opgelost door slim ontwerp of specifieke coatings. #### 1.2.2 Polydimethylsiloxaan (PDMS) PDMS is een elastisch polymeer dat veel wordt gebruikt in de beginfase van OoC-onderzoek vanwege de toegankelijkheid en kosteneffectiviteit. * **Voordelen:** * Zeer goedkoop en gemakkelijk te fabriceren. * Laat zuurstof door, wat essentieel is voor cellevensvatbaarheid. * Eenvoudige creatie van microfluïdische kanalen door middel van giettechnieken. * **Nadelen:** * Absorptie van medicijnen en andere verbindingen uit de experimentele media, wat kan leiden tot onderestimatie van de werkelijke concentraties en dus tot misleidende resultaten. Dit wordt beschouwd als een "blinde vlek" bij het testen van medicijnen. * Flexibel, wat betekent dat het kan vervormen en bewegingen kan veroorzaken die de vloeistofstromen beïnvloeden. Cellen kunnen daardoor minder stabiel gepositioneerd zijn. #### 1.2.3 Plastic chips Commercieel verkrijgbare plastic chips bieden een oplossing met complexe designs die direct beschikbaar zijn. * **Voordelen:** * Beschikbaarheid van complexe, kant-en-klare ontwerpen. * Lage absorptie van verbindingen in vergelijking met PDMS. * Stevig en mechanisch stabiel. * **Nadelen:** * Potentieel meer interactie met de inhoud van de chip vergeleken met glas. * Het zelf maken van mallen voor plastic chips kan kostbaar zijn (ongeveer 20.000 dollar). ### 1.3 Ontwerpfilosofieën voor celintegratie en fysiologische simulatie De manier waarop cellen in de chip worden geplaatst en de fysiologische omgeving die wordt nagebootst, zijn fundamenteel voor het succes van een OoC-apparaat. #### 1.3.1 Cell-based engineering versus self-assembly Er zijn twee primaire benaderingen voor het creëren van weefselstructuren in OoC: * **Engineering van cellen:** Hierbij worden cellen direct gemanipuleerd en geplaatst, bijvoorbeeld door gebruik te maken van transwells. Transwells zijn membranen die een celkweekkamer opdelen in twee compartimenten, waardoor verschillende media aan de boven- en onderkant kunnen worden toegevoegd om celgroei te analyseren. Dit kan leiden tot artificiële omstandigheden. * **Self-assembly van cellen:** Dit is de ultieme vorm van engineering waarbij de cellen zichzelf organiseren tot de gewenste structuur. Dit bootst natuurlijke weefselvorming na. #### 1.3.2 Nabootsing van de fysiologische omgeving Het simuleren van de fysiologische omgeving is essentieel voor nauwkeurige modellen. * **Microfluïdische kanalen:** Deze worden gebruikt om vloeistofstromen te creëren die de bloedcirculatie of andere lichaamsvloeistoffen nabootsen. * **Vloeistofstromen:** Het variëren van vloeistofstromen kan verschillende fysiologische processen simuleren, zoals het knipperen van het oog door pulsatiele stromen te introduceren. * **3D-structurering:** Het gebruik van structuren zoals "pilaren" kan helpen om weefsel op zijn plaats te houden of zelfs dienen als sensoren. * **ECM-nabootsing:** Extracellulaire matrix (ECM) kan worden nagebootst met materialen zoals hydrogels (bijvoorbeeld op basis van gelatine of collageen). Gelatine is vaak makkelijker te hanteren dan collageen. #### 1.3.3 Positionering van weefsel in de chip De oriëntatie en positionering van weefsel in de chip zijn kritisch: * **Cellen op de bodem:** De cellen worden direct op de bodem van de plaat geplaatst. * **Vloeistof boven en onder cellen:** Dit vereist ondersteuning, zoals een membraan, om te voorkomen dat het weefsel naar beneden zakt. * **Vloeistof links en rechts van weefsel:** Deze opstelling minimaliseert de impact van zwaartekracht op het weefsel. #### 1.3.4 Gebruik van sensoren en metingen Integratie van sensoren, zoals gouden elektroden, maakt het mogelijk om fysiologische signalen te meten zonder het weefsel te beschadigen. Dit kan variëren van weerstandsmetingen tot het detecteren van celactiviteit. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) en non-linear Electrical Resistance (nTEER) zijn voorbeelden van technieken die worden gebruikt voor barrièresensing. ### 1.4 Toepassingen en specifieke voorbeelden #### 1.4.1 Cornea-on-a-chip Een specifiek voorbeeld is de ontwikkeling van een cornea-on-a-chip. Dit omvat het nabootsen van de verschillende lagen van de cornea: epitheel, stroma en endotheel. * **Stroma:** Kan worden nagebootst met hydrogels zoals gelatine, waarin stromale cellen (keratinocyten) worden ingebed. * **Epitheel:** Kan worden aangebracht op de stromale laag. * **Endotheel:** De derde laag, die essentieel is voor hydratatie, is vaak de meest uitdagende om succesvol te integreren. * **Simulatie van ooglidbewegingen:** Door pulsatiele vloeistofstromen te gebruiken, kan het knipperen van het oog worden nagebootst. #### 1.4.2 Spier-on-a-chip OoC-apparaten kunnen ook worden gebruikt om spierweefsel, zoals hartspiercellen, te bestuderen. Pilaren kunnen hier worden gebruikt om de cellen te stimuleren tot samentrekken en de effecten van medicijnen te meten. ### 1.5 Voordelen en nadelen van organ-on-chip technologie #### 1.5.1 Voordelen * **Fit-for-purpose ontwerp:** De complexiteit van de chip kan worden aangepast aan de specifieke onderzoeksvraag. * **Verbeterde fysiologische relevantie:** Nabootsing van de fysiologische omgeving leidt tot accuratere modellen dan statische modellen. * **Niet-invasieve monitoring:** Weefsel kan worden gemonitord zonder de integriteit ervan te doorbreken. * **Miniaturisatie en replicaten:** Door het miniaturiseren van weefsels kunnen meer replicaten worden gemaakt, wat de statistische kracht van experimenten verhoogt. #### 1.5.2 Nadelen * **Complexiteit en customisatie:** Er zijn veel commerciële chips beschikbaar, wat de keuze complex maakt. * **Validatie van biologisch weefsel:** Eerst moet worden getest of het biologische weefsel goed functioneert buiten de chip. * **Technische uitdagingen:** Problemen met zuurstofuitwisseling, mechanische stabiliteit van componenten (zoals tubing) en contaminatie. * **Tijdsintensief proces:** De ontwikkeling en validatie van robuuste OoC-modellen kan jaren duren. * **Schaalbaarheid:** Technieken zoals EIS zijn momenteel niet schaalbaar genoeg voor massale screening. ### 1.6 De weg naar robuuste OoC-modellen Het creëren van een succesvol OoC-model vereist een gestructureerde aanpak: * **Biomateriaal screening:** Selectie van geschikte biocompatibele materialen, zoals hydrogels, en het uitvoeren van viabiliteitstesten. * **Cellulaire integriteit:** Zorgen dat de cellen individueel functioneren zoals verwacht buiten de chip en zich goed gedragen binnen de chip. * **Fysiologische stimulatie:** Nabootsen van relevante omstandigheden zoals stroming om celgedrag en barrièrefunctie te evalueren. * **Robuuste metingen:** Ontwikkelen van snelle, schaalbare en betrouwbare methoden voor het meten van barrièrefunctie en celrespons. * **Validatie:** Het model moet worden gevalideerd tegen bekende fysiologische en farmacologische reacties, waarbij de resultaten vergeleken worden met diermodellen waar nodig. > **Tip:** Bij het werken met PDMS is het cruciaal om rekening te houden met de absorptie van medicijnen. Dit kan leiden tot onjuiste conclusies over de effectiviteit van medicijnen. Overweeg alternatieve materialen of corrigerende maatregelen indien mogelijk. > **Tip:** De validatie van een OoC-model is net zo belangrijk als het ontwerp zelf. Een model is slechts zo goed als de karakterisatie en de bewijzen die de superioriteit ervan aantonen ten opzichte van bestaande methoden. > **Tip:** Combineer verschillende meetmethoden om een compleet beeld te krijgen van de barrièrefunctie en celgezondheid. Niet één enkele techniek is altijd perfect. --- # Nabootsten van de fysiologische omgeving en celgedrag in organ-on-chip modellen Organ-on-chip systemen hebben tot doel de fysiologische omgeving van menselijke organen zo nauwkeurig mogelijk na te bootsen om zo accuratere en betrouwbaardere modellen te creëren dan traditionele methoden. ### 2.1 De fysiologische omgeving nabootsen Het nabootsen van de fysiologische omgeving is cruciaal voor het creëren van accurate modellen. Dit omvat het repliceren van de complexe architectuur, de mechanische stimuli en de vloeistofstromen die in vivo aanwezig zijn. #### 2.1.1 Fysiologische omgeving in de cornea De cornea, het voorste transparante deel van het oog, is een complex weefsel dat uit meerdere lagen bestaat, elk met specifieke functies: * **Epitheel:** Een meerlagige structuur van keratinocyten die het oog beschermen en geactiveerd worden bij verwondingen. * **Stroma:** De dikste laag, voornamelijk bestaande uit collageenvezels, die zorgt voor de structurele integriteit en transparantie. * **Endotheel:** Een enkele laag cellen die de hydratatie van de cornea reguleert en de transparantie behoudt. Het endotheel neemt af bij veroudering, wat bij konijnen anders is, aangezien het endotheel daar goed blijft groeien. #### 2.1.2 Microfluïdische chips en vloeistofstromen Microfluïdische chips maken het mogelijk om dynamische fysiologische omstandigheden na te bootsen, zoals de vloeistofstromen die in het lichaam voorkomen. Door vloeistofstromen door microkanalen te leiden, kunnen mechanische prikkels op de cellen worden toegepast, wat belangrijk is voor het behoud van hun fenotype en functie. #### 2.1.3 Vormgeven van celarchitectuur en weefselintegriteit Verschillende methoden worden gebruikt om celarchitectuur en weefselintegriteit te creëren en te behouden: * **Transwells:** Deze systemen gebruiken een membraan om een celkweekput op te delen in twee compartimenten. Dit maakt het mogelijk om verschillende groeimedia toe te voegen, wat de cellen helpt bij het organiseren in specifieke structuren, zoals meerlagige epithelia. * **Spheroids:** Cellen kunnen zichzelf organiseren tot 3D-bolletjes (spheroids) in suspensie, wat een meer representatieve weefselstructuur biedt dan 2D-celculturen. * **Zelf-engineering door cellen:** In organ-on-chip systemen kunnen cellen zichzelf organiseren en lagen opbouwen, vergelijkbaar met de manier waarop weefsels zich in vivo ontwikkelen. * **Pilaren en Fasegeleiders:** Pilaren kunnen worden gebruikt om weefsels op hun plaats te houden of als sensoren. Fasegeleiders (plastic randen tussen extracellulaire matrix (ECM) en cellen of kanalen) kunnen capillaire krachten gebruiken om weefsels op hun plaats te houden. ### 2.2 Materialen voor organ-on-chip systemen De keuze van materiaal voor de chip is essentieel voor de functionaliteit en reproduceerbaarheid van het model. #### 2.2.1 Glas Glas is een ideaal materiaal vanwege zijn optische transparantie, wat visualisatie van de cellen mogelijk maakt. Echter, het maken van microfluïdische kanalen in glas vereist dure apparatuur en technieken zoals krachtige lasers of sterke chemicaliën. Bovendien laat glas geen lucht door, wat een uitdaging kan zijn aangezien cellen zuurstof en CO2 nodig hebben. #### 2.2.2 Polydimethylsiloxaan (PDMS) PDMS is een elastisch polymeer dat goedkoop is en makkelijk te verwerken. Het laat zuurstof door, wat gunstig is voor celgroei. Echter, PDMS heeft ook nadelen: * **Absorptie van medicijnen:** PDMS kan medicijnen absorberen, wat kan leiden tot 'blinde vlekken' in experimenten en tot onderschatting van de werkelijke concentratie van stoffen. * **Mechanische flexibiliteit:** De elasticiteit van PDMS kan leiden tot ongewenste vloeistofstromen en moeilijkheden bij het positioneren van cellen. #### 2.2.3 Kunststof chips Commercieel verkrijgbare kunststof chips bieden vaak complexe designs en hebben een lage absorptie voor verschillende stoffen. Het zelf produceren van kunststof chips kan echter kostbaar zijn vanwege de benodigde mallen. Kunststof kan ook meer interactie vertonen met de cellen en de experimentele stoffen. ### 2.3 Methoden voor celgedrag en weefselintegriteit monitoren en stimuleren Het monitoren en stimuleren van celgedrag is cruciaal voor het valideren van organ-on-chip modellen. #### 2.3.1 Barrière Sensing De integriteit van celbarrières kan worden gemeten met behulp van verschillende technieken: * **Weerstandmetingen:** De elektrische weerstand van de celbarrière kan worden gemeten met sensoren. Een hogere weerstand indiceert een intacte barrière. * **Diffusiesnelheid van tracers:** Fluorescente stoffen (tracers) kunnen worden toegevoegd om de diffusiesnelheid door de celbarrière te meten. Een langzamere diffusie duidt op een betere barrière. * **Elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS):** Een techniek die de elektrische eigenschappen van de celbarrière onderzoekt. Het nadeel is dat het relatief lang duurt (ongeveer 7 minuten per staal), wat de schaalbaarheid beperkt. * **Normalized Transepithelial Electrical Resistance (nTEER):** Een meer robuuste methode die de weerstand normaliseert ten opzichte van de barrière in open toestand (bijvoorbeeld cellen in PBS). Dit helpt om onderscheid te maken tussen functionele barrières en dode barrières. #### 2.3.2 Stimulatie van celgedrag Fysiologische omstandigheden kunnen worden nagebootst om celgedrag te stimuleren: * **Variëren van vloeistofstromen:** Door de snelheid en frequentie van vloeistofstromen te variëren, kan bijvoorbeeld het knipperen van het oog worden nagebootst. Dit kan de celrespons beïnvloeden en de stabiliteit van de celbarrière testen. * **Toedienen van stoffen:** Medicijnen of andere chemicaliën kunnen worden toegevoegd om de effecten op het weefsel te evalueren. #### 2.3.3 Hydrogelen en ECM-componenten Hydrogelen, zoals gelatine, worden gebruikt om de extracellulaire matrix (ECM) na te bootsen. Gelatine is makkelijker te hanteren dan puur collageen. Low-viscosity gelatine vereist geen verwarming of afkoeling, wat de procesvoering vereenvoudigt. ### 2.4 Voordelen en nadelen van organ-on-chip modellen #### 2.4.1 Voordelen * **Accuratere modellen:** Nabootsing van de fysiologische omgeving leidt tot meer representatieve modellen dan traditionele 2D-celculturen. * **Fit-for-purpose design:** Chips kunnen worden ontworpen voor specifieke toepassingen, waardoor de complexiteit kan worden aangepast aan de behoefte. * **Niet-invasieve monitoring:** Weefsels kunnen worden gemonitord zonder ze te beschadigen, bijvoorbeeld door geautomatiseerd te samplen. * **Miniaturisatie:** De kleine schaal maakt het mogelijk om meer replicaten te produceren en efficiënter te werken. * **Geautomatiseerde testen:** Automatisering van processen zoals hydrogel testen verhoogt de efficiëntie. #### 2.4.2 Nadelen * **Focus op custom chips:** Er zijn veel verschillende chips op de markt, wat de keuze kan bemoeilijken. * **Validatie van biologisch weefsel:** Het is cruciaal om te verifiëren of het biologische weefsel daadwerkelijk goed functioneert in de chip en niet de chip zelf problemen veroorzaakt (bv. zuurstofuitwisseling). * **Tijdsintensief proces:** De ontwikkeling en validatie van organ-on-chip modellen kan lang duren (5-10 jaar). * **Technische uitdagingen:** Tubing kan leiden tot contaminatie en chaos. Het integreren van chips in geautomatiseerde systemen kan complex zijn. * **Interpretatie van data:** Het combineren van verschillende meetmethoden en het correct interpreteren van de data is essentieel. **Tip:** De validatie van een organ-on-chip model is net zo belangrijk als de constructie ervan. Het model is slechts zo goed als de karakterisering die ervan wordt gedaan. **Voorbeeld:** Het testen van de permeabiliteit van medicijnen door een cornea-on-chip model moet worden vergeleken met de permeabiliteit in een echt cornea-weefsel om de representativiteit te valideren. Naast het meten van de barrière-integriteit met sensoren, is het essentieel om ook visueel te inspecteren hoe de cellen zich gedragen onder verschillende omstandigheden. --- # Validatie en toepassing van organ-on-chip modellen voor onderzoek Dit deel behandelt de essentiële stappen in de validatie van organ-on-chip (OOC) modellen, inclusief het beoordelen van barrièrefuncties en toxiciteitstesten, alsook de uitdagingen bij het interpreteren van data voor de ontwikkeling van betrouwbare in vitro modellen. ### 3.1 Ontwerpfilosofieën en materialen voor organ-on-chip chips De keuze van materialen voor OOC-chips is cruciaal en wordt bepaald door de vereisten van het specifieke orgaan of weefsel dat wordt nagebootst. #### 3.1.1 Materiaaloverwegingen * **Glas:** * **Voordelen:** Optisch helder, wat essentieel is voor celobservatie. * **Nadelen:** Moeilijk te bewerken om microfluïdische kanalen te creëren. Glas is impermeabel voor gassen zoals zuurstof en kooldioxide, wat essentieel is voor celmetabolisme. Dit vereist geavanceerde technieken om diffusie mogelijk te maken. Het maken van microstructuren in glas vereist krachtige lasers of sterke chemicaliën, wat leidt tot dure apparatuur. * **PDMS (Polydimethylsiloxaan):** * **Voordelen:** Een elastisch polymeer dat goedkoop is en waarmee gemakkelijk microfluïdische kanalen gemaakt kunnen worden. Het laat zuurstof door, wat een groot voordeel is voor celcultuur. * **Nadelen:** PDMS heeft een inherente absorptie van bepaalde medicijnen, wat kan leiden tot een "blinde vlek" in experimenten. Dit kan ten onrechte suggereren dat een medicijn langzaam door een barrière gaat, terwijl het feitelijk aan het PDMS hecht. Vanwege de flexibiliteit kan PDMS echter vervormen, wat onbedoelde vloeistofstromen kan veroorzaken en cellen kunnen zich verplaatsen naar ongewenste locaties. * **Kunststof chips:** * **Voordelen:** Complexe designs zijn direct verkrijgbaar op de markt. Ze hebben een lage absorptie voor verschillende verbindingen en zijn stevig. * **Nadelen:** Meer interactie met de inhoud van de chip is mogelijk. Het zelf produceren van kunststof chips met specifieke mallen kan kostbaar zijn, tot wel twintigduizend dollars. #### 3.1.2 Structurele componenten en celoriëntatie OOC-chips bieden diverse manieren om weefsel te structureren en te ondersteunen, wat afwijkt van traditionele methoden zoals transwells. * **Ondersteuning van weefsel:** * **Transwells:** Weefsel ligt op een membraan in een afgescheiden compartiment. * **Chip-gebaseerde systemen:** * Cellen op de bodem van een plaat. * Vloeistof zowel boven als onder de cellen, wat ondersteuning zoals een membraan vereist om instorting door zwaartekracht te voorkomen. * Vloeistofstromen links en rechts van het weefsel, wat minder risico op zwaartekrachtproblemen met zich meebrengt. * **Mechanische ondersteuning en positionering:** * **Dunne membranen:** Gebruikt voor ondersteuning in vloeistofstromen. * **Speciale membranen:** Ontwikkeld voor specifieke toepassingen. * **Flexibele structuren:** Kunnen de druk in onderste vloeistofkanalen veranderen om fysiologische omstandigheden, zoals ademhaling, na te bootsen. * **Pilaren:** Kunnen gebruikt worden om weefsel op zijn plaats te houden, zoals pilaren die collageen in een cornea-on-chip model positioneren. Deze kunnen ook als sensoren functioneren. * **Phase guides:** Plastische randen tussen de extracellulaire matrix (ECM) en cellen of kanalen die capillaire krachten benutten om het weefsel op zijn plaats te houden. #### 3.1.3 Het creëren van de fysiologische omgeving Het nabootsen van de natuurlijke fysiologische omgeving is essentieel voor het verkrijgen van accurate modellen. * **Vloeistofstromen:** Microfluïdische kanalen in de chips maken het mogelijk om de vloeistofstromen van het lichaam na te bootsen. Dit kan door middel van pompen die continu of pulsatieel medium verversen en blootstelling aan fysiologische stromingssnelheden simuleren. * **3D-structurering van weefsel:** * **Spheroids:** Cellen organiseren zich in 3D-bollen. * **Hydrogels:** Vaak gebaseerd op gelatine, om de ECM na te bootsen. Gelatine wordt gebruikt als een afgeleide van collageen, wat makkelijker te hanteren is. Low-viscositeit gelatine, afkomstig van vis, vereist geen verwarming of koeling en kan via fotomaskers worden gestold. * **Zelf-assemblage versus engineering:** * **Cellen zelf laten organiseren:** De cellen worden in de chip geplaatst en krijgen de vrijheid om zichzelf te organiseren. * **Gemanipuleerde celcultuur:** Cellen worden genetisch aangepast of behandeld met stoffen om ze richting specifieke celtypes te sturen. Dit kan echter leiden tot onverwachte resultaten, zoals het ontwikkelen van corneale organoïden in plaats van retinale organoïden. * **Transwells:** Een traditionele methode waarbij een membraan de well verdeelt, waardoor verschillende media aan boven- en onderkant toegevoegd kunnen worden. Dit is echter een artificiële opstelling. #### 3.1.4 Voorbeelden van orgaanmodellen * **Cornea-on-a-chip:** * **Constructie:** Kan bestaan uit gelatine met stromale cellen, gevolgd door het selectief verharden van de gel tussen twee kanalen. De epitheel- en endotheellaag worden vervolgens aangebracht. * **Validatie:** De barrièrefunctie van de cornea wordt getest door middel van sensoren die de weerstand meten of door de diffusiesnelheid van fluorescente stoffen te meten. Het simuleren van oogknipperen door variërende vloeistofstromen is een belangrijk onderdeel van de validatie. * **Hartspier-on-a-chip:** * **Concept:** Hartcellen vormen organoïden rond twee pilaren, die tevens als sensoren dienen. Medicijnen kunnen worden toegevoegd om de effecten op de hartcellen te bestuderen. ### 3.2 Validatie van organ-on-chip modellen De validatie van OOC-modellen is een multidisciplinair proces dat erop gericht is om de betrouwbaarheid en accuraatheid van de in vitro systemen te waarborgen. #### 3.2.1 Barrière-eigenschappen en permeabiliteitstesten Het meten van de barrièrefunctie is cruciaal voor modellen die fysiologische barrières nabootsen, zoals de cornea of darmepitheel. * **Weerstandsmetingen:** * **Elektrische weerstand:** Kan gemeten worden met sensoren, wat een indicatie geeft van de integriteit van de celbarrière. * **TEER (Transepithelial Electrical Resistance):** Een standaardmethode om de barrière-integriteit te meten. * **nTEER (normalized TEER):** Een geavanceerdere methode die rekening houdt met het feit dat de barrière open en gesloten kan zijn, en normaliseert de metingen. Dit maakt het mogelijk om onderscheid te maken tussen functionele barrières en dode cellen of debris. * **Permeabiliteitstesten met tracers:** * **Fluorescente stoffen (tracers):** Worden toegevoegd om de diffusiesnelheid door de celbarrière te meten. Dit kan gecombineerd worden met fluorescente microscopie om gaten in de barrière te visualiseren. * **Uitdagingen:** Tracers zijn niet altijd representatief voor de werkelijke farmacokinetiek van medicijnen. Het selecteren van medicijnen met verschillende eigenschappen is nodig om de permeabiliteit van de cornea-on-chip te correleren met die van een echte cornea. * **Multiplexing:** Het combineren van verschillende meetmethoden, zoals weerstandsmetingen en tracer-diffusie, voor een meer complete karakterisering. * **Groeisnelheden en celviabiliteit:** * Het monitoren van celgroei en viabiliteit over tijd is essentieel. Modellen worden geëvalueerd op basis van hun vermogen om fysiologische groeisnelheden te behalen. * **KSFM (Keratinocyte Serum-Free Medium):** Een medium dat gebruikt kan worden om celgroei te beoordelen. * **Testen met chemicaliën:** * **Calcium:** Kan gaten in de barrière veroorzaken. * **DMSO (Dimethylsulfoxide):** Kan kleine gaten veroorzaken. * **PBS (Phosphate-Buffered Saline):** Veroorzaakt doorgaans geen schade. * **Biomaterialen screening:** Het testen van de biocompatibiliteit van hydrogels is cruciaal, aangezien vervorming of loslaten van het materiaal de resultaten kan beïnvloeden. #### 3.2.2 Toxiciteitstesten en medicijnontwikkeling OOC-modellen worden steeds vaker ingezet voor toxiciteitstesten en het screenen van potentiële medicijnen. * **Toxiciteitsbeoordeling:** * **Categorieën van stoffen:** Stoffen worden gecategoriseerd op basis van hun schadelijkheid (bv. stoffen die alles vernietigen, stoffen die geen schade aanrichten, en stoffen die milde irritatie veroorzaken). * **Vergelijking met diermodellen:** Voor mild irriterende stoffen kunnen OOC-modellen een alternatief bieden voor dierproeven, hoewel konijnenmodellen nog steeds nodig kunnen zijn voor bepaalde nuances. * **Integratie met toxicologie:** Samenwerking met toxicologieafdelingen is noodzakelijk om methoden zoals LC-MS (Liquid Chromatography-Mass Spectrometry) te integreren voor het meten van medicijnconcentraties. * **Medicijnontwikkeling:** * Het screenen van medicijnen met verschillende eigenschappen helpt bij het selecteren van veelbelovende kandidaten. * **Onderzoek naar chip-specifieke effecten:** Het is belangrijk om te valideren of de chemicaliën zelf een invloed hebben op de chip. Vergelijking van data van verschillende chip-types is een manier om dit te beoordelen. * **Viabiliteit over tijd:** Bestuderen hoe de cellen en het model functioneren na blootstelling aan medicijnen gedurende langere perioden. #### 3.2.3 Uitdagingen en toekomstige richtingen Ondanks de vooruitgang blijven er uitdagingen bestaan bij de implementatie van OOC-modellen. * **Schaalbaarheid en standaardisatie:** * Hoewel OOC-modellen miniaturisatie mogelijk maken, waardoor meer replicaten gemaakt kunnen worden, is de totale testtijd aanzienlijk. * Het maken van robuuste, reproduceerbare modellen vereist gestandaardiseerde protocollen. * De complexe tubing en aansluitingen op kleine schaal kunnen een bron van contaminatie en chaos vormen. Het gebruik van een platform waar de tubing aan één kant is bevestigd en de chip in een apparaat wordt geklikt, minimaliseert dit risico. * **Modelvalidatie en acceptatie:** * Het verkrijgen van bewijs dat OOC-modellen superieur zijn aan bestaande methoden kan lang duren, mogelijk vijf tot tien jaar. * Het is essentieel om eerst de biologische functionaliteit van het weefsel buiten de chip te testen voordat het in de chip wordt geïntegreerd. * Mechanische aspecten, zoals het simuleren van een ooglid, kunnen experimenten bemoeilijken. * **Data-interpretatie:** * Het interpreteren van data van complexe OOC-systemen vereist gespecialiseerde kennis. Combinatie van verschillende meetmethoden is vaak noodzakelijk om een compleet beeld te krijgen. * Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is een krachtige techniek, maar de lange meettijd van zeven minuten per staal beperkt de schaalbaarheid. * Het vinden van de juiste balans tussen het creëren van een barrière en het behouden van celviabiliteit is een continue uitdaging. Het "short cut" van het direct aanbrengen van een volledige barrière kan een snellere piekwaarde opleveren, maar vereist ook een langere stabilisatietijd. > **Tip:** Het combineren van verschillende validatiemethoden, zoals weerstandsmetingen, tracerstudies en visuele inspectie met microscopie, is cruciaal voor een grondige evaluatie van OOC-modellen. > **Voorbeeld:** Bij het testen van een cornea-on-a-chip model, kan het variëren van de pompsnelheid om oogknipperen na te bootsen en het meten van de veranderende weerstand van de celbarrière waardevolle inzichten geven in de fysiologische respons van het model. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Organ on a chip | Een geavanceerde in vitro modeltechnologie die de structuur en functie van menselijke organen nabootst op microfluïdische chips, waardoor fysiologische processen nauwkeuriger bestudeerd kunnen worden. | | Epitheel | Een type weefsel dat de buitenkant van het lichaam bekleedt, organen bekleedt en lichaamsholtes vormt, en vaak een beschermende en absorberende functie heeft. | | Keratinocyten | De belangrijkste celtypen in het epitheel, die keratine produceren en een cruciale rol spelen bij de bescherming en genezing van de huid en andere epitheliale weefsels. | | Stroma | Het ondersteunende weefsel van een orgaan, bestaande uit bindweefsel, bloedvaten en zenuwen, dat structurele ondersteuning biedt en betrokken is bij de functie van het orgaan. | | Endotheel | Een dunne laag cellen die de binnenkant van bloedvaten, lymfevaten en andere lichaamsholtes bekleedt, en een belangrijke rol speelt bij de regulatie van bloeddruk, ontstekingsreacties en bloedstolling. | | Spheroid | Een driedimensionale bolvormige aggregaat van cellen, die kan ontstaan wanneer cellen zichzelf organiseren in afwezigheid van een celkweekmedium of ondersteunende structuur. | | Transwell | Een type celkweekapparaat dat bestaat uit een putje met een membraan aan de bodem, waardoor twee compartimenten ontstaan die gescheiden worden door het membraan, wat de studie van celpolariteit en permeabiliteit mogelijk maakt. | | Epigenetica | De studie van erfelijke veranderingen in genexpressie die niet gepaard gaan met veranderingen in de DNA-sequentie zelf, en die invloed kunnen hebben op de ontwikkeling en differentiatie van cellen. | | Microfluïdische kanalen | Zeer kleine kanalen met afmetingen in de orde van micrometers, gebruikt in microfluïdische apparaten om kleine hoeveelheden vloeistof te manipuleren en te bestuderen. | | PDMS (Polydimethylsiloxaan) | Een veelgebruikt polymeer in de microfluïdische technologie, bekend om zijn elasticiteit, biocompatibiliteit en kosteneffectiviteit, wat het geschikt maakt voor de fabricage van microfluïdische chips. | | Hydrogel | Een netwerk van polymeerketens die water kunnen absorberen en vasthouden, en vaak worden gebruikt als biomateriaal in tissue engineering en drug delivery vanwege hun zachte en hydraterende eigenschappen. | | ECM (Extracellulaire matrix) | Een complex netwerk van macromoleculen zoals collageen, elastine en glycoproteïnen dat buiten de cellen in weefsels wordt aangetroffen en structurele ondersteuning biedt, celgroei reguleert en celgedrag beïnvloedt. | | Fotomasker | Een mal die wordt gebruikt om patronen op een oppervlak aan te brengen, vaak met behulp van UV-licht, en die wordt toegepast in de productie van microfluïdische chips en halfgeleiders. | | Chemische crosslinking | Een proces waarbij chemische verbindingen worden gevormd tussen polymeerketens, wat resulteert in een versterkt en gestabiliseerd materiaal, vaak gebruikt om hydrogels te verharden. | | Capillaire krachten | De krachten die ontstaan door de interactie tussen een vloeistof en de wanden van een dun kanaal, die kunnen worden gebruikt om vloeistoffen te transporteren of structuren op hun plaats te houden. | | Toxiciteitstest | Een laboratoriumtest die de schadelijke effecten van een stof op levende organismen of cellen evalueert, gebruikt om de veiligheid van medicijnen, chemicaliën en materialen te beoordelen. | | nTEER (Normalized Transepithelial Electrical Resistance) | Een methode om de integriteit van epitheliale barrières te meten door de elektrische weerstand te normaliseren ten opzichte van een controleconditie, wat aangeeft hoe goed de barrière stoffen doorlaat. |