Organer på en chip

Forfatter: Trine Skuland
Tittel: Karakterisering av DKK1, OPG, RANKL og TLR’er i SW982 cellemodell for synovitt
Universitet: Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU)
Fagretning: Celle- og molekylærbiologi

Det er ikke bare masteroppgaven som har fått min oppmerksomhet denne høsten. Jeg har også fått opp øynene for medisinsk nanoteknologi. Går det virkelig an å ha organer på en chip?

Som masterstudent har man ikke bare masteroppgaven sin å tenke på, selv om man kanskje kunne ønske det. Masteroppgaven tar opp mesteparten av tankekapasiteten, men i tillegg har jeg også to fag dette semesteret, som i teorien skal ta like mye tid. Det er egentlig ganske interessante fag – spesielt det ene, medisinsk nanoteknologi. Der lærer vi om metoder og teknologi på nanometerskalaen som kan brukes for å løse biomedisinske problemer. Denne skalaen er på størrelsen med cellene i kroppen vår, og kan være fordelaktig i forskning på slike små bestanddeler.  For ikke lenge siden leverte jeg semesteroppgave i dette faget, hvor jeg skrev om teknologiske enheter som kalles ”organer på en chip”. Jeg valgte dette fordi det kan være aktuelt for den typen forskning jeg driver med. I dette innlegget har jeg lyst til å dele noe av det jeg skrev i oppgaven min med dere.

Celler på flaske og mus i bur

Den mest vanlige måten å teste potensielle medisiner på i dag er ved bruk av cellekulturer i laboratoriet, slik jeg gjør, og/eller ved hjelp av dyremodeller. Disse metodene er nyttige, men har også noen ulemper. De mest brukte cellekulturene, celler i 2-dimensjonale enkeltlag, har ikke de samme forholdene som finnes i kroppen vår. I kroppen samvirker en celletype med andre celletyper og med proteiner og andre stoffer som omgir cellene. Dessuten vokser ikke cellene i kroppen vår på en flate slik som i cellekulturene, men danner 3-dimensjonale strukturer. Alt dette bør tas i betraktning når man tester medikamenter, fordi det er en viktig del av hvordan cellene oppfører seg.

Å bruke dyr i forskning er kostbart og reiser dessuten noen viktige etiske dilemmaer. I tillegg begrenses dyrebruken av lover.  Dyremodeller som mus, rotter og aper brukes ofte, men en medisins virkning i disse organismene gir bare en røff pekepinn på hva som vil skje i menneskekroppen.

Celledyrkningsflasker (foto: Trine Skuland) og forskningsmus (foto: Videnskab.dk)

På grunn av begrensningene til cellekulturer og dyremodeller er det en økende interesse for å utvikle menneskebaserte vev-lignende konstruksjoner for medisintesting, men også for å forstå sykdommer. I flere år er det blitt forsøkt å rekonstruere vev og organer ved å kombinere cellebiologi og nanoteknologi. Det har vært stor utvikling på dette området, og en lovende måte å lage nye 3-dimensjonale  modeller av organer og vev er påvist. Den mest effektive måten å bruke slike modeller vil være i form av organer på en chip, fordi slike enheter kan benyttes i eksperimenter hvor man tester mange medisiner på en gang. I tillegg er disse chipene biologisk relevante. Poenget her er altså ikke å skape transplantasjonsorganer, men å etterligne menneskelige organer eller vev på en måte som gjør chipene nyttige for å teste eventuelle terapeutiske og toksiske egenskaper til medisiner. Håpet er at disse chipene etter hvert vil kunne redusere, eller til og med erstatte, bruk av dyr i forskning.

Lever på en chip

3D HepaTox chip (foto: Toh et al. 2009. A microfluidic 3D hepatocyte chip for drug toxicity testing. Lab on a Chip, 9, 2026-2035.)

Leveren er et viktig organ når det kommer til omsetning av medisiner i kroppen. En del medisiner må tas ut av markedet, og ca. 50 % av uttaket skyldes levertoksisitet – det vil si at den er giftig for leveren. Det er derfor nødvendig med modeller hvor levertoksisiteten kan testes med større nøyaktighet. Et eksempel på en slik modell, er den såkalte 3D HepaTox-chipen som en forskningsgruppe i Singapore har utviklet. 3D HepaTox- chipen har flere kanaler, og inni disse dyrkes leverceller som er tatt fra et dyr eller menneske. Kanalene er laget av mikropilarer, det vil si noen veldig små stolper som cellene kan vokse oppetter. Disse gjør at levercellene danner et 3-dimensjonalt nettverk. På grunn av de mange kanalene på chipen, kan flere ulike konsentrasjoner av en medisin gis til cellene og man kan teste hvor mye cellene tåler.

En annen forskningsgruppe prøvde en litt annen tilnærming. De integrerte både lever- og tarmbiter fra mus på en chip. Det er nemlig ikke bare levra som har en rolle i medisinmetabolismen – tarmen er også viktig. Organbitene ble dyrket i et to-kammer system, slik som vist på figuren til venstre. Tarmbiten ble plassert i det første kammeret, og leverbiten i det andre. På denne måten kunne forbindelsene som ble produsert av tarmbiten, under tilsetting av en medisin, sendes videre til leverbiten, slik det også foregår i menneskekroppen. Dermed klarte de å demonstrere samspillet mellom tarmen og leveren på chipen. Dette tyder på at denne typen chiper kan være svært relevant for å studere effekter ulike organforbindelser har på hverandre. Slik informasjon kan hjelpe til med å finne ut av mekanismer rundt medisintoksisitet, interaksjoner mellom ulike medisiner og genregulering.

Et helt menneske på en chip

Forskere har allerede tatt et skritt videre ved å prøve å utvikle enheter som de kaller “menneske på en chip”.  På disse chipene, er det flere innbyrdes seksjoner som hver inneholder en celletype som representerer et organ. Mikrofluidkanaler kobler alle seksjonene sammen. Disse enhetene har svært like størrelsesforhold og strømning av væske til det som  finnes i menneskekroppen. Håpet er at slike systemer vil kunne modellere en dynamisk prosess over hvordan medisiner absorberes, fordeles, metaboliseres og skilles ut i kroppen vår, og man vil dermed kunne vurdere effekt og toksisitet av legemidler mer nøyaktig. Det foregår konstante forsøk på å koble mer komplekse modeller for å få mer fullstendige fysiologiske systemer som etterligner menneskekroppen. Dette konseptet er demonstrert på figuren under.

Et hypotetisk system av ulike organer på samme chip – “menneske på en chip” (foto: Huh et al. 2011. From 3D cell culture to organs-on-chips. Trends in Cell Biology, 21, 745-754.)

  • Lise Mansfield

    Hei Trine!

    Nok et interessant innlegg, nå høres du jo ut som en bioteknolog. Fy så spennende fag da – dette må jo være fremtiden! Lykke til!

    Klem fra Storesøster Lise

  • Igjen veldig bra Trine. Er utrolig stolt av måten du jobber og skriver på. Lykke til videre!

  • Takk Lise og papps! 🙂 Det er godt jeg har noen faste tilhengere! He he..

  • Irene reilev

    Wooow, velformulert og utrolig spennende stoff. Du er virkelig med på en bølge som kan skape forskjell!!
    Utrolig givende det må være, jeg er stolt av deg!!!!

  • Astrid F

    Dette er kjempespennende! Noe for investorer?!?

  • Takk takk, Irene! 😀

    Og ja, Astrid, dette er veldig spennende!;) Det burde satses mer på dette!