Design and development of a personalized medicine oriented microfluidic organ on a chip platform

Abstract

Bir ilacın sağlık sektörüne girişi 2 milyar dolar civarına mal olup, 12 ile 15 yıl arasında bir zaman alabilmektedir. Bu çalışmaların en önemli basamaklarından birisi klinik öncesi testleridir ki çalışmaların bu basamağı; kozmetik toksisite testlerinde ve hastalık modellemeleri testlerinde de müşterektir. Birçok mühendislik disiplinlerini birleştiren ve bu disiplinlerin ortak ürünü olan çip üzeri organ platformları; ilaç geliştirme, kozmetik toksisite testleri ve hastalık modellemesi çalışmalarında deney hayvanları yerine kullanılabilecek özelliklere sahip olduğunu kanıtlamıştır. Bu çalışmada, PMMA malzemesi kullanılarak organ çipi üretimi yapıldı, 3B biyoyazıcı vasıtasıyla jelatin metakrilat ve sodyum aljinat karışımı içeren solüsyon hazırlanarak doku iskelesi basıldı ve çip sistemi içerisine entegre edildi. Ardından, fare fibroblast hücreleri (3T3) çip içerisinde kültüre edilerek şırınga pompası yardımıyla devamlı hücre medyumu ile beslendi ve petri kabıyla kıyas edildi. Çalışma dört farklı bölüm olarak yürütüldü. İlk olarak, çip üzeri organ orjinal bir tasarımla geliştirilip üretildi. İkinci olarak, 10%- 7% GelMA-Sodyum Aljinat, 7%- 5% GelMA-Sodyum Aljinat, 7%- 4% GelMA-Sodyum Aljinat ve 5%- 4% GelMA-Sodyum Aljinat karışımı olmak üzere dört adet biyomalzeme üretildi. Üçüncü olarak, üretilen biyomalzemeler çip üzeri organ platformu ve petri kabına yerleştirildi, ardından fare fibroblast hücreleri iki sisteme birden kültüre edildi. Son olarak, iki sistem hücre canlılığı oranı için karşılaştırıldı. Çip sistemi hem doku iskelesinin bütünlüğünü koruması açısından hem de hücre canlılığı oranı açısından petriden daha başarılı olmuştur. Mezkûr çalışma çip üzeri organ platformunun iki boyutlu platformlara göre net bir şekilde daha üstün olduğunu gösterdi. Bu durum, gelecek yıllarda preklinik testlerde ve hastalık modellemelerinde deney hayvanlarının kullanımını azaltacağına işaret etmektedir. Bu daha isabetli sonuçlar almak için iki boyutlu platformlar yerine çip üzeri organlar gibi üç boyutlu yapılar tercih edilmesi gerektiğini kanıtlamaktadır.

Bringing a drug in health sector costs about 2 billion dollars and the process lasts 12 to 15 years. One of the most important steps of these studies is preclinical testing which is also highly crucial in cosmetic toxicity tests and disease modelling tests. Organs on chip platforms that interconnect bioengineering, chemical engineering and material engineering are the most recent discovery which have demonstrated their capability for drug development, cosmetic toxicity testing, and disease modelling implementation instead of animal models. In this study, PMMA utilized chip was fabricated and GelMA - alginate mixture containing scaffold was fabricated via using a 3D bio-printer and then inserted in the chip system in order to mimic tissue scaffold. Afterwards, mouse fibroblast cells (3T3) were cultured on the chip system, the system was constantly fed with growth culture by using syringe pump. As a control experiment a Petri dish was used and instead of the designed organ on a chip platform. The results were compared with each other. The study was conducted as four different stages: First, an original design for the organs on a chip system was developed and realized. Second, several biomaterials were developed. These biomaterials are 7% - 5% GelMA - alginate mixture, 7% - 4% GelMA - alginate mixture, 5% - 4% GelMA - alginate mixture and 10% - 7% GelMA - alginate mixture. As a third step, these biomaterials were placed to Petri dishes and organs on a chip platforms and fibroblast cells were introduced to both systems. Finally, cell viability results were compared with each other. Results proved that the integrity of the scaffolds were more stable in the chip system and the cell viability was higher compared to Petri dishes. The research indicated an obvious supremacy of organs on chip platforms than 2D platforms thus providing a great promise for reducing the usage of animal in preclinical testing and disease modelling in the years to come. It is proven that in order to achieve more accurate results instead of 2D platforms, 3D structures such organs on a chip platform should be favored.