Organ on a chip olarak adlandırılan çip üstü organlar, insan organlarının yapısını ve işlevini küçük ölçekte taklit eden mikroakışkan hücre kültürü cihazlarıdır. Araştırmacıların fizyolojik süreçleri, hastalık mekanizmalarını ve ilaç tepkilerini kontrollü bir laboratuvar ortamında incelemesine olanak tanıyarak belirli organların mikro ortamını yeniden yaratmak için tasarlanır.
Bu çipler tipik olarak silikon veya polidimetilsiloksan (PDMS) gibi şeffaf polimer malzemelerden oluşmakta ve mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak üretilir. Her çip, hedef organın mimarisini ve işlevini kopyalayan canlı hücrelerle kaplı kanallar içerir. Araştırmacılar, hücre kültürü ortamını kanallar boyunca akıtarak kan akışını ve besin taşınmasını simüle ederek insan vücudunda bulunan ortamı taklit eden dinamik bir ortam oluşturabiliyor. Çip üzerindeki organlar, geleneksel hücre kültürü ve hayvan modellerine göre çeşitli avantajlar sunuyor:
Fizyolojik uygunluk: Çiplerdeki organlar, geleneksel hücre kültürü modelleriyle karşılaştırıldığında insan fizyolojisinin daha doğru bir temsilini sağlıyor. Hücre-hücre etkileşimleri, doku-doku arayüzleri ve mekanik kuvvetler dahil olmak üzere organ fonksiyonunun temel özelliklerini özetliyor.
Yüksek verimli tarama: Çiplerdeki organlar, ilaç ve bileşiklerin yüksek verimli taranması için kullanılabiliyor. Araştırmacılar organ modellerini çeşitli maddelere maruz bırakarak, maddelerin hücresel davranış ve işlev üzerindeki etkilerini gerçek zamanlı olarak izleyebiliyor.
Hayvan modellerine olan bağımlılığın azalması: Çip üzerindeki organlar, hayvanlar üzerinde yapılan testlere göre daha etik ve insancıl bir alternatif sunuyor. Kapsamlı hayvan deneylerine gerek kalmadan insan biyolojisi ve hastalıkları hakkında değerli bilgiler sağlayabilirler.
Kişiselleştirilmiş tıp: Çiplerdeki organlar, hastadan türetilmiş hücreler kullanılarak özelleştirilebilir, bu da araştırmacıların hastalık mekanizmalarını ve ilaç yanıtlarını hastaya özgü bir şekilde incelemesine olanak tanır. Bu yaklaşımın kişiselleştirilmiş tıbbı ilerletme ve tedavi sonuçlarını iyileştirme potansiyeli vardır. Genel olarak çip üzerindeki organlar, insan fizyolojisini, hastalık patolojisini ve ilaç etkinliğini incelemek için ilaç keşfi, toksikoloji ve rejeneratif tıptaki potansiyel uygulamalarla birlikte güçlü bir platformu temsil etmektedir.
Çip üstü organ (OoCs) teknolojisi, doku mühendisliği, mikroakışkanlar, biyomalzemeler ve kök hücre biyolojisi alanlarındaki ilerlemelerden yararlanmaktadır. OoC’ler, görüntüleme ve izlemeyi mümkün kılmak için cam, plastik veya polidimetilsiloksan (PDMS) gibi şeffaf silikon bazlı reçineler dahil olmak üzere optik olarak şeffaf malzemelerden üretiliyor. Çip üstü organ sistemleri, birkaç ila yüzlerce mikrometre arasında değişen mikro kanallar içermektedir. Bu kanallar kalıplama, desenlendirme veya 3 boyutlu biyobaskı yoluyla üretilebiliyor.
Bu araştırmada çip üstü organ modellerinin işlevselliğini geliştirmek için mikro mimarinin avantajlarına ve biyofabrikasyon teknolojilerinin bu alana sunacağı faydalara odaklanılmıştır.
Lazerle İndüklenen ileri aktarım (LIFT), çip üzerindeki mikro yapıları tasarlamak için yeni bir teknoloji olarak tanımlanıyor ve OoC sistemleri için LIFT teknolojisinin teknik yönleri üzerine yoğunlaşılmıştır.
Lazer kaynaklı ileri aktarım (LIFT) teknolojisine yakından bakalım. LIFT, elektronik, biyoteknoloji, doku mühendisliği dahil olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılan hassas ve çok yönlü bir katmanlı üretim tekniğidir. Malzemenin bir lazer darbesi kullanılarak verici substrattan alıcı bir substrata aktarılmasını içerir.
Süreç genellikle şu şekilde işler :
Donör Malzemesinin Hazırlanması: Aktarılacak malzeme, genellikle ince bir film veya nanopartiküller, polimerler veya biyolojik malzemeler içeren bir çözelti, şeffaf bir donör substratı üzerine biriktirilir. Bu substrat, işlemde kullanılan lazer dalga boyuna karşı şeffaftır.
Hizalama: Verici alt tabaka, katı bir yüzey veya malzemenin biriktirileceği başka bir alt tabaka olabilen alıcı alt tabaka ile hizalanır.
Lazer Işınlaması: Odaklanmış bir lazer darbesi daha sonra aktarılacak malzeme ile “soğurucu katman” veya “enerji soğurucu katman” adı verilen bir katman arasındaki arayüzdeki donör alt katmana yönlendirilir. Bu katman, lazer enerjisini emer ve lokalize bir basınç artışı veya termal genleşme oluşturarak malzemenin donör substrattan fırlatılmasına yol açar.
Malzeme Transferi: Malzeme alıcı alt tabakaya doğru itilir ve burada bir desen oluşturur veya istenen tasarıma göre yüzey üzerinde birikir.
Tekrarlama: Karmaşık desenler veya çok katmanlı yapılar oluşturmak için işlem birden çok kez tekrarlanabilir.
LIFT teknolojisi araştırmacılara çeşitli avantajlar sunuyor:
Yüksek Hassasiyet: LIFT, çok çeşitli malzemelerin mikron ölçeğinde çözünürlükle hassas şekilde biriktirilmesine olanak tanır.
Çok yönlülük: Metaller, seramikler, polimerler, biyolojik malzemeler ve hatta canlı hücreler dahil olmak üzere çeşitli malzemeleri işleyebilir.
Temassız: Aktarım işlemi temassız olduğundan kirlenme veya hassas malzemelerin zarar görme riski en aza indiriliyor.
Ölçeklenebilirlik: LIFT’in ölçeği endüstriyel uygulamalar için büyütülebilir veya mikrofabrikasyon ve mikroakışkanlar için küçültülebilir. LIFT uygulamaları arasında elektronik devrelerin, biyosensörlerin, doku mühendisliği iskelelerinin ve ilaç dağıtım sistemlerinin imalatı yer alıyor. Hassas malzeme birikiminin kritik olduğu alanlarda LIFT teknolojisi değer kazanıyor.
LIFT teknolojisini açıkladıktan sonra araştırmaya geri dönebiliriz.
Mikro mimarinin, ilgili biyolojik süreçlerin in vitro kopyalanmasında önemli bir faktör olduğu kanıtlanmıştır. Kang ve meslektaşları üç katmanlı bir alveolar bariyer modelinde mikro mimarinin önemini gösterdi. Hastalık ilerlemesinin doğru bir şekilde çözülmediği iki boyutlu model ve düzensiz üç boyutlu modelle karşılaştırıldığında fizyolojik influenza A virüsü enfeksiyonu süreçlerini yeniden üretti. Ayrıca mikro mimari, çip üzerinde trabeküler kemik mühendisliğindeki önemini doğruladı. Kalsiyum-fosfat bakımından zengin bir malzeme kaplamasının iskeleler üzerindeki etkisi araştırıldı. Bu yapılar, trabeküler ağın bilgisayarlı tomografi (BT) taramasından sonra çoklu foton litografi ile 3 boyutlu olarak basıldı ve üzerine mezenkimal stromal hücreleri (hMSC’ler) ekildi. Çip üzerinde dinamik koşullar altında kemiğe farklılaştırıldı. Kemiğin mikro mimarisini ve hücre dışı matris (ECM) bileşimini daha kesin bir şekilde kopyalayan kaplanmış iskele, kaplanmamış iskelelere kıyasla tip I kollajen açısından zengin ECM birikimi gösterdi.
Biyofabrikasyon veya 3 boyutlu biyobaskı aracı olarak çeşitli mikro desenleme teknolojileri araştırılmıştır; bunlar nozül bazlı veya ışık bazlı tekniklere dayalı olarak gruplandırıldı. Nozul bazlı teknolojiler en çok kullanılan üç boyutlu baskı yöntemi olup hidrojelleri, biyoaktif malzemeleri, üç boyutlu konfigürasyonda bulunan hücreleri ( doku iskelesi – scaffold ) yazdırmak için kullanılmaktadır. Bu yöntem, polimerin sürekli olarak extrüzyonuna ve arzu edilen formun oluşturulmasına dayanmaktadır. Hidrojeller pnömatik yahut mekanik yolla extrüzyona tabi tutulabilir. Nozul çapı, hız, sıcaklık, baskı süresi, üç boyutlu basımı etkileyen temel parametrelerdir.
DLP ise ışık tabanlı biyobasım teknolojisidir. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) tarafından oluşturulan bir modeli katman katman çapraz bağlamak için ışık voksellerinin bir reçine rezervuarı üzerine yansıtılması prensibine dayanmaktadır. DLP’de, toplayıcı plaka reçinenin yüzeyi ile temas eder ve her katman aynı anda çapraz bağlandığından baskıyı yukarı doğru hareket ettirir.
Çalışmada LIFT teknolojisinin üzerinde durulmasının sebepleri arasında LIFT tekniğinin malzemeleri hem katı hem de sıvı formda basma yeteneğine sahip geniş bir viskozite aralığına sahip olması geliyor. Teknoloji, yüksek güçlü darbeli lazer ışınının ince bir mürekkep filmiyle kaplanmış bir alt tabakaya odaklanması prensibine dayanmaktadır. Lazer ışınlaması üzerine, lazer noktasının çarptığı malzeme dışarı atılır ve ayrı bir voksel, alıcının ön kısmına yerleştirilen alt tabakanın yüzeyine doğru aktarılır. LIFT, pikselli (2D) ve voksellenmiş (3D) bir mikro desenleme tekniği olarak kullanılabilir. Nihai baskı çözünürlüğü, lazer akışı (örneğin, alan birimi başına lazer enerjisi), mürekkep katman kalınlığı, donör ve alıcı arasındaki mesafenin yanı sıra mürekkebin bileşimi ve yüzey özellikleri gibi prosesle ilgili çeşitli parametrelere bağlıdır. Bildirilen damlacık hacimleri femto ila nanolitre arasında değişmektedir. LIFT, xy ekseninde (mikro desenleme ve katmanlama) bir katmanlı üretim aracı olarak dururken, bir donör malzemenin iniş sırasında çarpması, mikro desenlemeyi z yönünde köprüleyebilir. Alıcının yüzey özelliklerini ve aktarım hızını optimize ederek, bir donör malzemesi sabit bir derinlikte bir yüzeye enjekte edilebilir. Bu teknik, Delrot ve meslektaşları tarafından jelatin kullanılarak başarıyla gösterilmiştir. Birçok çalışma, tek hücreli baskının LIFT tekniğiyle mümkün olduğunu bildirmektedir. Çalışmaların birçoğu, karmaşık ve heterojen popülasyonlar içindeki tek hücreleri veya hücre kümelerini seçici olarak hedeflemenin ve bunların canlılıklarını veya işlevselliklerini etkilemeden aktarılabileceğini kanıtladı. Bu çığır açan katkılar, yüksek verimlilikle tek hücreli yazdırmayı sağlayarak ve en iyi hücre hedeflerini seçici bir şekilde seçerek OoC alanının ilerlemesine yardımcı olabilir. Aynı zamanda tek yazılı bir hücrenin karmaşık bir doku üzerindeki etkisini doğrudan ve hassas bir şekilde gözlemleyerek organ ve dokuların hücresel düzeyde daha iyi anlaşılmasına olanak tanıyacaktır.
LIFT tekniğinin, doku mühendisliği çalışmalarında bilhassa kalp yamaları, kornea dokusu ve farelerde kemik doku üretimi için kullanımı gün geçtikçe artıyor. Hakopyan ve meslektaşları, fare pankreas asiner hücre hattının yanı sıra türetilmiş duktal hücreleri kullanarak pankreas duktal adenokarsinomunun (PDAC) gelişimini incelemek için bir model oluşturdular. Tanımlanmış konsantrasyonlara sahip hücre süspansiyonları bir mikrodizi deseninde basıldı ve bu mikrodizilerdeki hücreler, pankreas kanserinin yapısını yeniden üreten küreseller halinde kendiliğinden bir araya geldi. LIFT baskılı doku, doğal PDAC’ye benzer şekilde davrandı ve iki boyutlu hücre kültürü modelinden daha fazla hastalık ilerlemesini gösterdi. Bu çalışma, rastgele konumlandırma ve belirleyici olmayan hücre numarası birikiminin aksine, tanımlanmış mekansal konumlandırmanın, karmaşık biyolojik süreçleri kopyalamak için gerekli olan içsel mimariyi nasıl yönlendirip yeniden üretmeye yardımcı olabileceğinin bir örneğidir.
Xiong ve meslektaşları, çip üzerindeki farklı matrislerdeki hücrelerin mikro desenlenmesi için LIFT teknolojisini kullandı. Douillet ve meslektaşları, bir kollajen matrisinde mikro desenli insan dermal fibroblastlarının dört boyutlu biyobaskı çalışmasını yürüttü ve çeşitli desenlere dayalı olarak zaman içinde doku yapısının kendi kendini yeniden düzenlemesini ve yeniden şekillenmesini analiz ettiler.
LIFT teknolojisinin, biyoaktif malzemeler ve metaller de dahil olmak üzere çok çeşitli malzemeleri küçük hacimlerde ve yüksek çözünürlükte basabildiğinden, biyosensörler, kemosensörler ve metalik mikro sütunlar gibi 3 boyutlu yapılar dahil olmak üzere fonksiyonel cihazların imalatı için uygun bir teknik olduğu kanıtlanmıştır.
LIFT, OoC alanı için geleneksel tekniklerle karşılaştırıldığında avantajlarla birlikte hem canlı maddeleri hem de fonksiyonel cihazları basma konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir.
Özetle, bu çalışmada karmaşık doku yapılarının biyofabrikasyonuna olanak tanıyan çeşitli mikro desenleme teknikleri karşılaştırıldıktan sonra, LIFT’in bu amaca uygun bir baskı tekniği olduğu belirlenmiştir. Tek hücreli çözünürlükte mikro desenlemeyi mümkün kılan ve esnek elektronikleri yazdırmak için uygun olan katı veya sıvı formdaki çeşitli biyomürekkebin basılmasına olanak tanır. LIFT ve mikroakışkanların kombinasyonu, mikro mimariyi, mikro ortamı (biyofiziksel ve biyokimyasal) içeren giderek daha alakalı ve etkili insanlaştırılmış modeller yaratma potansiyeline sahiptir.
Yazımızda incelediğimiz makale : Towards single-cell bioprinting: micropatterning
tools for organ-on-chip development