Eye-on-a-chip untuk pemodelan penyakit dan pengujian obat – Sains Terkini

Orang-orang yang menghabiskan delapan jam atau lebih sehari menatap layar komputer mungkin melihat mata mereka menjadi lelah atau kering, dan, jika kondisi itu cukup parah, mereka akhirnya dapat mengembangkan penyakit mata kering (DED).

DED adalah penyakit umum dengan sangat sedikit pilihan obat yang disetujui FDA, sebagian karena kesulitan pemodelan patofisiologi kompleks di mata manusia.

Masukkan eye-on-a-chip yang berkedip: replika mata manusia buatan yang dibangun di laboratorium para peneliti Penn Engineering.

Eye-on-a-chip ini, lengkap dengan kelopak mata yang berkedip, membantu para ilmuwan dan pengembang obat untuk meningkatkan pemahaman dan pengobatan DED mereka, di antara kegunaan potensial lainnya.

dec7-2015-PennU-1-eye-on-chip

Penelitian yang dipublikasikan di Pengobatan Alam, menguraikan keakuratan eye-on-a-chip sebagai stand-in organ dan menunjukkan kegunaannya sebagai platform pengujian obat.

Penelitian ini dipimpin oleh Dan Huh, profesor di Departemen Bioteknologi, dan mahasiswa pascasarjana Jeongyun Seo.

Mereka berkolaborasi dengan Vivian Lee, Vatinee Bunya dan Mina Massaro-Giordano dari Departemen Ophthalmology di Sekolah Kedokteran Perelman Penn, serta dengan Vivek Shenoy, Profesor terhormat Presiden Eduardo D. Glandt di Departemen Ilmu Bahan dan Teknik Penn. Kolaborator lain termasuk Woo Byun, Andrei Georgescu dan Yoon-suk Yi, anggota lab Huh, dan Farid Alisafaei, anggota lab Shenoy.

Laboratorium Huh mengkhususkan diri dalam menciptakan organ-on-a-chip yang menyediakan platform in-vitro rekayasa mikro untuk meniru rekan in vivo mereka, termasuk proksi paru-paru dan sumsum tulang yang diluncurkan ke ruang angkasa Mei ini untuk mempelajari penyakit astronot.

Laboratorium telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menyelaraskan mata-on-chip-nya, yang membuat mereka mendapatkan Hadiah Lush 2018 untuk janjinya dalam pengujian obat-obatan, bahan kimia, dan kosmetik bebas-hewani.

Dalam studi ini, Huh dan Seo berfokus pada rekayasa model mata yang bisa meniru mata yang sehat dan mata dengan DED, yang memungkinkan mereka untuk menguji obat eksperimental tanpa risiko membahayakan manusia.

Untuk membangun eye-on-a-chip mereka, tim Huh mulai dengan perancah berpori direkayasa dengan pencetakan 3D, tentang ukuran uang receh dan bentuk lensa kontak, di mana mereka menumbuhkan sel mata manusia.

Sel-sel kornea tumbuh pada lingkaran dalam perancah, berwarna kuning, dan sel-sel konjungtiva, jaringan khusus yang menutupi bagian putih mata manusia, tumbuh pada lingkaran merah di sekitarnya.

Sepotong gelatin bertindak sebagai kelopak mata, secara mekanis meluncur di atas mata dengan kecepatan yang sama seperti manusia yang berkedip. Diberi makan oleh saluran air mata, berwarna biru, kelopak mata menyebarkan sekresi air mata buatan di atas mata untuk membentuk apa yang disebut film air mata.

“Dari sudut pandang teknik, kami merasa menarik untuk berpikir tentang kemungkinan meniru lingkungan dinamis mata manusia yang berkedip. Berkedip berfungsi untuk menyebarkan air mata dan menghasilkan film tipis yang menjaga permukaan mata terhidrasi. Ini juga membantu membentuk bias yang halus.” permukaan untuk transmisi cahaya. Ini adalah fitur utama dari permukaan okular yang ingin kami rekapitulasi di perangkat kami, “kata Huh.

Untuk orang-orang dengan DED, film air mata itu menguap lebih cepat daripada yang diisi ulang, menghasilkan peradangan dan iritasi.

Penyebab umum DED adalah berkurangnya kedipan yang terjadi selama penggunaan komputer yang berlebihan, tetapi orang-orang dapat terserang penyakit karena alasan lain juga.

DED memengaruhi sekitar 14 persen populasi dunia tetapi sangat sulit untuk mengembangkan pengobatan baru, dengan 200 uji coba obat klinis yang gagal sejak 2010 dan hanya dua obat yang disetujui FDA untuk pengobatan saat ini.

Laboratorium Huh telah mempertimbangkan potensi pengujian obat organ-on-a-chip sejak konseptualisasi awal mereka, dan, karena bidang dampak tingkat permukaannya, DED tampaknya merupakan tempat yang sempurna untuk mulai menempatkan model mata mereka pada pengujian.

Tetapi sebelum mereka memulai uji coba narkoba, tim harus memastikan model mereka benar-benar dapat meniru kondisi DED.

“Awalnya, kami pikir memodelkan DED akan sesederhana hanya menjaga lingkungan budaya tetap kering. Tetapi ternyata, itu adalah penyakit multifaktorial yang sangat kompleks dengan berbagai sub-tipe,” kata Huh.

“Terlepas dari jenisnya, bagaimanapun, ada dua mekanisme inti yang mendasari pengembangan dan perkembangan DED. Pertama, ketika air menguap dari lapisan air mata, konsentrasi garam meningkat secara dramatis, menghasilkan hyperosmolarity air mata. Dan kedua, dengan penguapan air mata yang meningkat, film air mata menjadi lebih tipis lebih cepat dan sering pecah sebelum waktunya, yang disebut sebagai ketidakstabilan film air mata. Pertanyaannya adalah: Apakah model kami mampu memodelkan mekanisme inti mata kering ini? “

Jawabannya, setelah banyak percobaan, adalah ya.

Tim membangkitkan kondisi DED dalam mata-on-a-chip mereka dengan memotong setengah buatan perangkat mereka berkedip dan dengan hati-hati menciptakan lingkungan tertutup yang mensimulasikan kelembaban kondisi kehidupan nyata.

Ketika diuji terhadap mata manusia nyata, baik yang sehat maupun dengan DED, model eye-on-a-chip yang sesuai membuktikan kemiripan mereka dengan organ sebenarnya pada berbagai ukuran klinis.

Eye-on-a-chip meniru kinerja mata yang sebenarnya dalam strip Schirmer, yang menguji produksi cairan; dalam tes osmolaritas, yang melihat kandungan garam film air mata; dan dalam tes keratografi, yang mengevaluasi waktu yang dibutuhkan untuk membuat film air mata untuk putus.

Setelah mengkonfirmasi kemampuan eye-on-a-chip mereka untuk mencerminkan kinerja mata manusia dalam pengaturan yang normal dan memicu DED, tim Huh beralih ke industri farmasi untuk menemukan kandidat obat DED yang menjanjikan untuk menguji coba model mereka.

Mereka mendarat di obat yang akan datang berdasarkan pada pelumas, protein yang terutama ditemukan dalam cairan pelumas yang melindungi sendi.

“Ketika orang berpikir tentang DED, mereka biasanya memperlakukannya sebagai penyakit kronis yang didorong oleh peradangan,” kata Huh, “tetapi sekarang ada semakin banyak bukti yang menunjukkan bahwa kekuatan mekanik penting untuk memahami patofisiologi DED. Karena film air mata menjadi lebih tipis dan lebih banyak tidak stabil, gesekan antara kelopak mata dan permukaan mata meningkat, dan ini dapat merusak permukaan epitel dan juga memicu respon biologis yang merugikan seperti peradangan. Berdasarkan pengamatan ini, ada minat yang muncul dalam mengembangkan pelumas mata sebagai pengobatan topikal untuk mata kering. Dalam penelitian kami, kami menggunakan obat berbasis pelumas yang saat ini sedang menjalani uji klinis. Ketika kami menguji obat ini di perangkat kami, kami dapat menunjukkan efek penurun gesekan, tetapi, yang lebih penting, menggunakan model ini kami menemukan sebelumnya kapasitas yang tidak diketahui untuk menekan peradangan pada permukaan okular. “

Dengan membandingkan hasil pengujian model mata sehat mereka, mata dengan DED, dan mata dengan DED plus pelumas, Huh dan Seo dapat lebih jauh memahami para ilmuwan tentang cara kerja pelumas dan menunjukkan janji obat sebagai pengobatan DED.

Demikian pula, proses membangun mata-on-chip yang berkedip mendorong pemahaman ilmuwan tentang mata itu sendiri, memberikan wawasan tentang peran mekanik dalam biologi.

Berkolaborasi dengan Shenoy, direktur Pusat Rekayasa MechanoBiology, perhatian tim tertarik pada bagaimana aksi kedipan fisik mempengaruhi sel yang mereka kembangkan untuk merekayasa mata buatan di atas perancah mereka.

“Awalnya, sel-sel kornea mulai sebagai satu lapisan, tetapi mereka menjadi bertingkat dan membentuk beberapa lapisan sebagai akibat dari diferensiasi, yang terjadi ketika sel-sel ini dikultur pada antarmuka udara-cair. Mereka juga membentuk persimpangan sel-sel yang ketat dan mengekspresikan seperangkat penanda selama diferensiasi, “kata Huh.

“Menariknya, kami menemukan bahwa kekuatan mekanik karena berkedip sebenarnya membantu sel-sel berdiferensiasi lebih cepat dan lebih efisien. Ketika sel-sel kornea dikultur di bawah udara di hadapan berkedip, laju dan tingkat diferensiasi meningkat secara signifikan dibandingkan dengan model statis tanpa berkedip. Berdasarkan hasil ini, kami berspekulasi bahwa kekuatan fisiologis yang diinduksi blink dapat berkontribusi pada diferensiasi dan pemeliharaan kornea. “

Dengan kata lain, sel-sel kornea manusia yang tumbuh pada perancah para ilmuwan lebih cepat menjadi terspesialisasi dan efisien pada pekerjaan khusus mereka ketika kelopak mata buatan berkedip di atasnya, menunjukkan bahwa kekuatan mekanik seperti berkedip berkontribusi secara signifikan terhadap bagaimana sel berfungsi.

Jenis kemajuan konseptual ini, ditambah dengan aplikasi penemuan obat, menyoroti nilai beragam yang direkayasa organ-on-a-chip dapat berkontribusi pada ilmu pengetahuan.

Mata-on-a-chip Huh dan Seo masih hanya mencelupkan jari-jarinya ke bidang pengujian obat, tetapi langkah pertama ini merupakan kemenangan yang merupakan tahun kerja yang menyempurnakan mata buatan mereka untuk mencapai tingkat akurasi dan utilitas ini.

“Meskipun kami baru saja menunjukkan bukti konsep,” kata Seo, “Saya harap platform eye-on-a-chip kami lebih maju dan digunakan untuk berbagai aplikasi selain skrining obat, seperti pengujian lensa kontak dan mata. operasi di masa depan. “

“Kami sangat bangga dengan fakta bahwa pekerjaan kami menawarkan contoh besar dan langka dari upaya interdisipliner yang mencakup spektrum luas kegiatan penelitian mulai dari desain dan pembuatan sistem bioteknologi novel hingga pemodelan in vitro penyakit manusia yang kompleks ke pengujian obat,” kata Huh .

“Saya pikir inilah yang membuat penelitian kami unik dan representatif dari inovasi yang dapat ditimbulkan oleh teknologi organ-on-a-chip.”

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.