Nieuwe organ-on-chip systemen voor predictieve toxicologie en drug ontwikkeling.

Hartaandoeningen zijn wereldwijd één van de belangrijkste doodoorzaken. Onderzoek naar een beter begrip en werking van het hart en de relatie met gebruikte geneesmiddelen is van fundamenteel belang. Om de werking van het hart beter te begrijpen, focust huidig onderzoek zich op in vivo dierproeven en op het gebruik van in vitro hartcel modellen. Dierproeven hebben echter ethische beperkingen en zijn mogelijk niet direct reproduceerbaar naar de reactie van de menselijke hartspier. Daarnaast vereenvoudigen de traditionele in vitro studies de werking van het hart door de activiteit van geselecteerde, individuele ionenkanalen, die aanwezig zijn in hartcellen, te analyseren. De bekomen resultaten zijn niet voldoende gevoelig noch volledig voorspellend voor wat er in het menselijk hart gebeurt.

Om nevenwerkingen van geneesmiddelen op de hartspier beter te voorspellen, verschuift de focus van in vitro cardiotoxiciteitstesten naar nieuwe testapparatuur, die zowel de elektrische als de contractiele activiteit van in vitro cardiomyocyten meet. Bovendien verschilt het fenotype van in vitro gekweekte hartcellen sterk van in vivo hartcellen. Om dit te verhelpen, worden hart-op-een-chip platforms ontwikkeld die toelaten dat cellen zich in een micro-omgeving ontwikkelen, waarbij de eigenschappen van het hart beter kunnen worden gesimuleerd. De tot nu ontwikkelde systemen vertonen echter verschillende tekortkomingen zoals laag rendement bij metingen en bij productie van het platform, een beperkte signaalkwaliteit en meting van ofwel enkel de elektrische ofwel enkel de contractiele activiteit van hartcellen.

Het doel van dit proefschrift was om een geïntegreerd hart-op-een-chip platform te ontwikkelen ter verbetering van in vitro hartonderzoek. Hierbij werd gebruik gemaakt van de integratie van 1) niet-invasieve sensoren, 2) gemanipuleerde micro-omgevingen en 3) microfluïdische systemen tot één enkel op silicium gebaseerd hart-op-een-chip platform. Een belangrijke vereiste voor dit platform is compatibiliteit tussen de verschillende toegepaste technologiemodules en mogelijkheid tot massaproductie. Omwille van het multidisciplinaire karakter van dit project, benadert dit manuscript de drie hoofddomeinen afzonderlijk en sequentieel om zo stapsgewijs hart-op-een-chip systemen te verbeteren.

In het eerste deel werden nieuwe sensoren onderzocht die toelaten in vitro hartactiviteit accurater en sneller te bepalen. Hiertoe werd een lensvrije beeldvorming (English: Lens Free Imaging = LFI) strategie ontwikkeld, waarbij op niet-invasieve wijze de vervorming van hartcellen, gekweekt op transparante of ondoorzichtige substraten, gemeten kon worden. Door een op reflectie gebaseerd LFI-systeem te integreren op hoge-densiteit micro-elektrode-array (MEA)-chips, werden zowel de intracellulaire elektrische activiteit als de contractiliteit van de hartcellen simultaan gemeten. Dit laat toe om geneesmiddel-geïnduceerde veranderingen in microscopische (hart contractiliteit en excitatie-contractie koppeling) en in macroscopische (propagatie van de excitatie golf) cellulaire verschijnselen te meten. De combinatie van elektrische en contractiele sensoren in één apparaat is van grote waarde bij cardiotoxiciteitsscreening in de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen.

In het tweede deel werden twee strategieën geëvalueerd om de relevantie van bestaande in vitro celmodellen te verbeteren. Eerst werd het gebruik van PisC, een slim polymeermateriaal met foto-graveerbare oppervlakte-eigenschappen (JSR Corporation, Tokyo, Japan), geëvalueerd om te bepalen of het mogelijk is om adsorptie van eiwitten en cellen op substraten te beïnvloeden. Door lijnen van cel-adhesieve gebieden te creëren, werden hartcellen gegroeid tot myofiber-achtige structuren. In een tweede benadering werd door gebruik van nanogroeven, die direct op silicium chip oppervlakten werden geëtst, de groei van cellen gestuurd. Bij beide benaderingen slaagden we erin de hartcellen uitgelijnd en uitgerekt te laten groeien, waarbij morfologieën geïnduceerd werden die de in vivo hartspier situatie beter nabootsen.

In het derde deel werd gezocht naar een werkwijze om het rendement van hart-op-een-chip gebaseerde testen te verhogen. Hiervoor werd een nieuwe methodologie ontwikkeld, waarbij een microfluïdisch celkweeksysteem op een op silicium gebaseerd MEA werd gelinkt. Hierbij werd het MEA-oppervlak verdeeld in 16 afzonderlijke kamers. Hartcellen werden gedurende een week in de prototypes gekweekt. LFI-contractiliteitsmetingen werden uitgevoerd op transparante microfluïdische apparaten om de functionaliteit van de hartcellen te bevestigen. Ten slotte werd de extracellulaire elektrische activiteit van hartcellen geregistreerd in een proof-of-concept microfluïdisch hart-op-een-chip platform, waarbij een microfluïdisch systeem was geïntegreerd in een MEA met hoge dichtheid. De bekomen resultaten bewijzen dat het kweken van hartcellen op silicium gebaseerde sensoren compatibel is met de integratie van microfluïdische apparaten.

Dit proefschrift toont aan dat op silicium gebaseerde hart-op-een-chip platforms een groot potentieel bieden voor het optimaliseren van in vitro hartonderzoek. Toekomstige toepassingen van dergelijke platforms zijn het in vitro testen van menselijke hartcel modellen. Deze modellen vertonen een verbeterde correlatie met menselijke hartcel reacties terwijl stamcelonderzoek gepersonaliseerde hart-op-een-chip modellen voor patiënten mogelijk maakt. Tot slot kunnen de lessen geleerd uit dit werk de verdere ontwikkeling van meer geavanceerde hart- en orgaan-op-een-chip platforms ondersteunen. Deze nieuwe systemen kunnen leiden tot een verbeterde en gepersonaliseerde behandeling van hartspierstoornissen en tot een afname van hartziekten door verbeterde geneesmiddelen.