Organ på brikke

Et organ på brikke, også kalt organ på chip og mikrofysiologisk system, er et biomimetisk mikrosystem som kan brukes til å simulere mekanismer og fysiologiske reaksjoner som foregår i kroppens organer. Hvert system er en mikrobrikke, på størrelse med en minnepinne, og består av kammere, kanaler og elektriske komponenter som kan kontrolleres med høy nøyaktighet. I disse brikkene plasserer man celler – ulike typer for ulike organer – der de igjen får vokse sammen til vev i et kontrollert miljø. Brikken brukes til å studere cellenes struktur og funksjonalitet, som igjen kan brukes som en modell for hvordan funksjonaliteten er i de tilsvarende menneskelige organene. Ved hjelp av mikroteknologi kan man tilsette ulike stoffer, som igjen kan gi ny kunnskap om hvordan kroppens organer reagerer på ulike medisiner, bakterier, virus, giftstoffer og lignende.

Organ på brikke gjør det mulig å studere cellekulturer som til en viss grad får en tredeminsjonal struktur, der man kan simulere, kontrollere og overvåke ulike prosesser med høy presisjon. Det sammenlignes med, bygger på og kan muligens erstatte teknologi som tidligere ble utført i to dimensjoner, samt andre tredimensjonale modeller. Det regnes også som et mulig bedre alternativ til dyreforsøk.

Det første organ på brikke som ble laget var en lunge på brikke. Denne ble laget av Shuichi Takayama fra University of Michigan i 2007, og så videreutviklet av forskere ved Wyss Institute ved Harvard University, ledet av Donald Ingber. I 2010 kunne de presentere en brikke for membranen mellom lungene og blodsystemet, der dette vevet hadde samme karakteristiske egenskaper som ekte lunger. Dette førte igjen til ny forskning på lignende systemer både ved Harvard og andre steder.

Det er utviklet ulike brikker for mange ulike organer; hver av de er en modell på en liten, men viktig del av organet det representerer. Mange av de er igjen spesialisert til å se på visse sykdommer, med den underliggende idéen at man etterhvert skal kunne bruke disse til å forske på nye medisiner mot disse sykdommene. I tillegg forskes det på sammensatte systemer av flere brikker, der vev fra flere ulike typer organer kombineres og settes i kontakt med hverandre i samme brikke. Forskere har ambisjoner om å bedre kunne modellere interaksjon mellom ulike organer ved hjelp av slike systemer. De fleste studier fokuserer på mennesket, og bruker celler som er hentet fra eller differansiert fra celler med menneskelig opphav. Det finnes imidlertid også noen studier som ser på organer fra andre dyr.

Utforming og kontrollparametre

En organ på brikke lages vanligvis av klar, gjennomsiktig polymer, og er på størrelse med en minnepinne. Brikkene har små kamre for ulike typer vev og cellekulturer, samt tilstøtende små kanaler for transport av væske og luft. For å utvikle disse brikkene benyttes teknikker kjent fra mikroteknologi og  mikrofluidmekanikk; dette gjør det mulig å kontrollere og overvåke cellemiljøet med høy presisjon, og å utsette de ulike delene for mekanisk, elektronisk og biokjemisk påvirkning.

Det er vanlig å bruke polydimetylsiloksan (PDMS), et organisk polymer og et type silikon, for å lage brikkene. PDMS er biokompotabelt (ikke giftig for cellevevet), gjennomsiktig, har god permabilitet (gasser kan trenge igjennom det) og er relativt billig. Materialet er lett å forme ved hjelp av litografi, hvilket gjør det mulig å produsere ulike design for ulike brikker. For enkelte eksperimenter har PDMS egenskaper som skaper uønskede effekter, og i slike tilfeller forsøker forskere å bruke andre materialer. For ulike typer celler og igjen i ulike typer eksperimenter bruker man brikker spesiallaget for det gitte eksperimentet. Ved hjelp av teknikker som fotolitografi og mikrokontakt-printing kan man lage brikkene utformet spesielt for de eksperimentene man skal utføre.

Forskere har også brukt mikroteknologi og mikrofluidikk for å kontrollere og overvåke dette i andre biometriske systemer, og organ på brikke-systemer bygger på dette. Det første systemet som kombinerte et slikt elektronisk/mikrofluidisk system med biologisk materiale, der man kunne gjenkjenne materialets biologiske funksjon, ble kalt for lunge på brikke (lung-on-a-chip).

Væskestrøm
Ved hjelp av mikropumper og små kanaler kan man føre væske inn i en brikke, og utsette cellene og vevet for en konstant eller varierende væskestrøm. På denne måten kan man tilføre næringsstoffer, samt utsette vevet for en konstant skjærspenning etterligned ved hjelp av væskeflyten. Dette gjenskaper igjen vevets naturlige miljø der det i kroppen konstant utsettes for væskestrøm, f.eks. ved kontakt med blodomløpet. 
Studier viser at cellene organiserer seg bedre i ulike komponenter (organ polarity) i et slikt miljø.

Konsentrasjonsgradient
På en lignende måte kan man bruke mikropumpene til å tilsette kjemikalier til vevet, med høy presisjon; man kan nøye kontrollere hvor mye som blir overført. Komponentene løses opp i væske, som igjen føres inn til kammeret der vevet befinner seg – enten som en jevn strøm, eller de kan programmeres til å følge et mer komplekst mønster – varierende over tid og rom. Mange fysiologiske prosesser kan stimuleres ved hjelp av gradvis konsentrasjonen av biokjemiske molekyler på denne måten. I tillegg kan medisiner tilsettes på samme måte, slik at man ser hvordan vevet reagerer på disse – over ulike konsentrasjoner.

Dynamisk mekanisk spenning
Vev i kroppen er konstant utsatt for mekansisk spenning, generert av blodstrøm, skjelettet, muskler og lignende. Ved hjelp av en porøs membran som kan strekkes kan man utsette vevet i brikkene for spenning som endrer seg periodisk. Videre er det, ved hjelp av 3D-teknologi, mulig å plassere cellene i kamrene i ulike mønstre. Dette har blitt brukt til å studere interaksjon mellom ulike typer celler og ulike typer vev.

Plassering av celler
Ulike organer er satt sammen av celler i komplekse mønstre, der ulike lag danner vev som igjen interakterer med hverandre og sine omgivelser. Mange brikker har ulike kammere for ulike typer vev, som eventuelt er adskilt av en membran – men cellene kan også plasseres i mer intriktrate mønstere enn dette. Ved hjelp av 3D-printing kan man modifisere og eksperimentere med dannelsen av ulike mønstre cellene kan plasseres i. Dette har spesielt blitt brukt til å forske på interaksjon mellom epitel- og mesenkym-celler.

Cellekulturer
For å lage ulike typer brikker har det blitt benyttet primærceller, cellelinjer, induserte pluripotente stamceller (iPSCs), embryonale stamceller (ESCs) og adulte stamceller (ACs). Primærceller og cellelinjer består av én bestemt type celle, mens de ulike stamcellene kan differensieres til ulike spesialiserte celletyper.

Kilden til det biologiske materialet er et av de viktigste faktorene når man utvikler organ på brikke-systemer. Hvilken kilde som blir brukt kommer an på tilgjengelighet og funksjonalitet, og for ulike typer brikker benyttes ulike opphav. Primærceller og cellelinjer kan benyttes direkte, mens pluripotente stamceller differensieres til ulike somatiske celler. Primærceller er modne og funksjonelle, og kan dermed gi et mer presist resultat, men menneskelige primærceller er ofte ikke så lett tilgjengelig. Cellelinjer, induserte pluripotente stamceller og adulte stamceller er lettere å utvikle utenfor kroppen, men mangler enkelte av funksjonene som karakteriserer organet man forsøker å etterligne.

Primærceller
Primærceller, celler tatt fra vev i menneskekroppen, regnes som mest representative for sine organer. Disse blir donert frivillig fra donorer, der man enten kan ta celler direkte fra donerte organer, eller fra vev gitt ved en post-mortem-donasjon. Ofte er det begrenset hvor mange celler man kan få per donasjon. Cellene kan ha ulike egenskaper, ettersom de er gitt av ulike donorer, og det kan dermed være vanskelig for forskere å utføre sammenlignbare eksperimenter – man vet ikke om forskjellen kommer av ulikheter i cellene eller faktisk endres i løpet av eksperimentet. Primærceller holder seg også levende over kortere tid, og vil stoppe å dele seg (skape nye celler) raskere, enn det man ser for andre kilder.

Primærceller har blitt brukt for å utvikle brikker for nyrene, hjernen og huden.

Cellelinjer
Cellelinjer er cellekulturer som er modifisert slik at de lever «uendelig», slik at man får en cellekultur som stadig deler seg og vokser over tid. Dette gjør at de er mye lettere å få tak i, og i mye større kvanta, enn primærceller. De er også relativt like, som både gjør at forskere får konsistente, sammenlignbare resultater som også er mulig for andre forskere å gjenskape igjen om ønskelig. Slike cellelinjer har blitt brukt for utallige anvendelser, for eksempel i utvikling av nye medisiner og vaksiner. Imidlertid mangler de ofte karakteristiske egenskaper ved organet de representerer.

Cellelinjer har blitt brukt for å utvikle brkker for lungene, leveren, nyrene, tarmene, hjernen/blod-hjerne-barrieren, blodsystemet og kreft.

Embryonale stamceller
Embryonale stamceller (ESCs) er pluripotente stamceller utviklet fra den indre cellemassen av en blastocyst, før denne utvikler seg til et embryo. ESCs kan differensieres til alle celletyper, og ved gjentagende forsøk får man konsistente resultater, hvilket gjør sammenligning lettere. Imidlertid er bruken av disse etnisk kontroversiell, og forskning på disse er dermed relativt strengt regulert. Å bruke ESCs gjør det også vanskelig å dekke et bredt genetisk spekter, hvilket kan være viktig for å fange opp variasjon hos mennesker med forskjellig genetisk bakgrunn. I tillegg er celler basert på ESCs umodne, som gjør at de ikke direkte er sammenlignbare med cellene i kroppen, som har utviklet seg over mye lengre tid.

Induserte pluripotente stamceller
Induserte pluripotente stamceller (iPSCs) kan utvikles fra alle somatiske celler, det vil si celler som egentlig er ferdig utviklet til å ha en spesiell funksjon. Induserte pluripotente stamceller ble først utviklet i 2006, der de viste at ved å ta somatiske celler fra mennesket og behandle disse med gener – Oct3/4, Sox2, c-Myc og Klf4 – kunne disse utvikles til pluripotente stamceller. Disse kan videre differensieres til organ-spesifikke celletyper. Slik kan man altså for eksempel ta utgangspunkt hudceller, og utvikle disse til hjerteceller.
Skjematisk figur for hvordan man utvikler et organ på brikke ved hjelp av induserte pluripotente stamceller.

iPSCs kan i likhet med ESCs utvikles til alle typer celler, men er også umodne i sammenligning med cellene som finnes i kroppen. Til forskjell fra EPSC er det imidlertid få etiske problemstillinger knyttet til forskning på dem. Resultatene kan være mindre konsistente når man sammenligner ulike eksperimenter, men det er lettere å dekke et bredere genetisk spekter, siden de er lettere tilgjengelig.

Å basere cellevevet på induserte pluripotente stamceller gjør det mulig å studere cellevev for utvalgte grupper og enkeltpersoner, og dermed utføre studier spesielt for disse. Dette kan være viktig i utviklingen av persontilpasset medisin, samt studier av hvordan visse sykdommer utvikles hos en gitt person eller gruppe.

Induserte pluripotente stamceller har blitt brukt for å utvikle brikker for hjertet, nyrene, leveren, hjernen/blod-hjerne-barrieren, huden og blodsystemet.

Adulte stamceller
Adulte stamceller (ACs) er stamceller tatt fra voksne personer og også plurpotente celler som kan differensieres til somaiske celler. Den vanligste typen ACs er mesenchymale stamceller (MSCs), også kalt multiplurente celler (samme forkortelse). Ettersom slike stamceller hentes ut fra vev i voksne personer, for eksempel ryggraden, er det ikke så lett å få tak i mange celler – hvilket gir lignende utfordringer som man har for primærceller. I første omgang kreves det klinisk inngrep; videre viser det seg at mange av disse cellene ikke overlever overgangen til labratorier.

Mesenchymale stamceller har blitt brukt for å utvikle brikker for blodsystemet.

Ulike typer organer
Det er utviklet brikker for mange ulike organer. Det som først ble kalt organ på brikke, nemlig lunge-på-brikke, ble påbegynt i 2007 og publisert i 2010. I 2011 hadde man også utviklet brikker for hjertet og nyrene, i 2012 for tarmene og hjernen, og i 2014 for øyet.

Når man utvikler et organ på brikke forsøker man å lage et system som etterligner en funksjonell enhet i det aktuelle organet. Denne bør være kompleks nok til å være representativ, men samtidig så enkel som mulig. Dette er en balanse mellom å skape et miljø som er fysiologisk representabelt, men samtidig også enkelt nok til at man kan kontrollere og ha oversikt de ulike subprosessene. Det biologiske systemet kombineres gjerne med biofysisk simulering, som for eksempel mekanisk, elektrisk eller kjemisk stimuli, som etterligner mekaniske, elektriske og kjemiske fysiologiske forholdene i menneskelige organer.

Lungene

Lungene er det viktigste organet for åndedrettssystemet, og lungenes funksjonelle enhet er lungeblærene. Disse danner blærevegger, i et dobbelt lag, som omslutter et nettverk av kapillarer. Når man puster, går luften igjennom disse to lagene.

Det er utviklet lunger på brikke som fungerer for en modell for funksjonaliteten mellom lungeblærene og kapillarene. Ved vanlig pusting utsettes dette vevet for mekanisk, periodisk sammentrekning, og det var dette som ble gjenskapt i vevet utviklet i mikrobrikken. Dette var en funksjonalitet tidligere modeller ikke hadde klart å gjenskape. Det er senere også forsket på hvordan vevet oppfører seg når det utsettes for bakterier og andre stoffer. Cellelinjer har blitt brukt for å utvikle cellevevet i brikker for lungene.

De første brikkene som ble utviklet, ble utviklet for lunger. Forskere ved Harvard, ledet av George Whitesides laget enheter med kanaler i polymer, med åpninger på mikronivå. Dette ble videre utviklet til brikker (chips) med mange mikroskopiske væskekanaler. Dette kombinerte de, under Donald Ingbers ledelse, med levende celler, og fant ut at de kunne kontrollere cellenes miljø ved å regulere flyt av væske igjennom kanalene. Shuichi Takayama, som tidligere hadde jobbet med forskere fra Wyss, utviklet dette videre og skapte det som først ble kalt for lunge på brikke. I 2009 ble Wyss Institute grunnlagt, som en del av Harvard, med Ingber som en av grunnleggerne. Her forsket de videre på brikke-teknologi, og i 2010 presenterte forskere fra Wyss – i en publikasjon i Science – en modell som responderte slik levende lunger gjør når de blir utsatt for smitte i form av luftpartikler.

Brikken som ble laget var en modell på grenseflaten mellom lungeblærene og kapillarene. I brikken var det av to lag levende vev, et for hver av lungeblærene og kapillarene, adskilt av en membran av polydimetylsioksan (PDMS). Disse ble dyrket i hvert sitt kammer. I tillegg fantes det to tomme kamre, som kunne tømmes for luft for å skape vakuum for å modellere mekaniske sammentrekninger, som finner sted i en normal respirasjonssyklus. Når man koblet brikken til en maskin som ved hjelp av vakuum utsatte vev-lagene for periodiske sammentrekninger, observerte man at vevet strakk seg og trakk seg sammen igjen, nøyaktig slik det skjer i lungene når man puster normalt. Videre utsatte de delen for lungeblærevev for levende E. Coli-bakterier, samtidig som de tilsatte en strøm av hvite blodceller i kammeret for kapillarer. Innen få timer ble det observert at disse hadde krysset membranen, og fant og tilintetgjorde de farlige bakteriene på lungeblær-siden. De utsatte også vevet for ulike typer nanomaterialer, og sammenlignet med tilsvarende in vivo-eksperimenter med en hel, levende lunge fra en elg, der de observerte lignende mønstre og reaksjoner.

Flere andre har utviklet lignende modeller. Det er blant annet forsket på hvordan vevet reagerer på kreftceller (interleukin 2) og røyking.

Hjertet

Hjertet sørger for at blod pumpes rundt i kroppen, og dette skjer ved hjelp av periodisk sammentrekning av hver celle, som igjen skjer ved at et aksjonspotensiale går igjennom hjertevevet. Hjertevevet kan selv generere dette signalet, men blir også påvirket av sentralnervesystemet. Hjerteceller i kroppen er orientert i samme retning, og organiserer seg selv igjen i lag. Disse retningene påvirker både elektrofysiologien, i form av konduksjonshastighet, og mekanikken i form av sammentrekningsmønstre og mekaniske egenskaper (stivhet).

Det er utviklet hjerter på brikke som modellerer hjertets naturlige sammentrekninger, som foregår ved hjelp av elektromagnetiske signaler. Forskere har studert og sammenlignet hjerteslag, kraft, samt ulike strukturelle og funksjonelle grenseverdier. Det er utviklet flere ulike versjoner. De ulike brikkene har blitt brukt til å modellere hjertemusklenes hjertesyklus, cellenes struktur og aksjonspotensial, strukturelle og funksjonelle aspekter av skadede muskelceller, samt bunter i hjertet. Induserte pluripotente stamceller har blitt brukt for å utvikle cellevevet i brikker for hjertet.

Det første vellykkede hjerte på brikke-forsøket ble gjennomført og publisert i 2011, også av forskere ved Harvard. Basert på tidligere todimensjonal teknologi, utviklet de en brikke som inneholdt hjertemuskelceller, tilsatt en flate med et gitt firkantmønster. Disse utviklet seg og organiserte seg i ett lag, og ved tilsetting av spenning kunne man observere sammentrekninger. Ved å observere og måle muskelvevet, kunne man her se resultater som er konsistente med det man tidligere har observert for andre modeller for hjertet. Harvard University har også utviklet teknologi som produserer brikker ved ved 3D-printing, noe som gjør automatisk produksjon av brikkene mulig.

Dette har blitt videreutivklet til systemer der hjertecellene former seg til vev i flere lag, der cellene legger seg i samme retning. Hjertevevet dannes i ett hovedkammer, og ved hjelp av små kanaler på sidene kan man tilsette næringsstoffer og andre stoffer, for eksempel medisiner. Ved hjelp av mikroskop kan man overvåke og utføre målinger av vevet. For eksempel kan man, ved genetisk modifikasjon, måle kalsium og aksjonspotensial, samt bevegelse på mikronivå.

En av de største utfordringene med utvikling av hjerteceller fra embryotiske og induserte stamceller er at disse er veldig unge, og dermed mye mindre utviklet enn hjertemuskelcellene man finner i ekte hjertemuskelvev. Modne hjertemuskelceller har en langt mer velorganisert intracellulær sarkomerstruktur og er selv mer velorganiserte, altså ordnet etter lengderetning, enn umodne hjertemuskelceller. I tillegg har de et svakere aksjonspotensiale, og kalsium-dynamikken er mindre utviklet, der de blant annet mangler t-tubuli. Hver av disse faktorene er viktige for en jevn sammentrekning av hver enkelt hjertecelle, og av vevet som helhet. Forskning har vist at ved å gi cellene næring basert på fettstoffer i tillegg til sukkerstoffer har ført til bedre modning av hjertecellene.

Tarmene
Tarmene utgjør en viktig del av fordøyelsessystemet, og næringsstoffer og vann tas opp i kroppen igjennom den store overflaten disse består av.

Det er utviklet tarmer på brikke for å studere opptak av næringsstoffer og medisiner. Vevet i disse brikkene består hovedsakelig av tarmtotter (villi) og mindre tråder (mikrovilli). Ulike studier der slike brikker benyttes har sett på effekten av mikroorganismer, sammentrekning av vevet og hva som skjer når det blir utsatt for væske i bevegelse. Cellelinjer og induserte pluripotente stamceller har blitt brukt for å utvikle cellevevet i brikker for tarmene.

Den første brikken for tarmer ble utviklet i 2012, også ved Harward, under ledelse av Ingber. Denne brikken brukte samme design som brikken utviklet for lungene, med to kamre i midten, delt på tvers av en membran, og to kamre på siden (delt vertikalt). Membranen ble dekket av ekstracellulær matrise og tilsatt menneskelige tarmepitelceller (Caco-2). Ved hjelp av vakuum i sidekamrene, og væske i bevegelse i hver sin retning i de midterste kamrene forsøkte de å gjenskape realistiske fysiologiske forhold for disse cellene. De oserverte at cellene organiserte seg til strukturer som ligner på tarmtotter, og dannet en barriere mot mindre molekyler, på en mer realistisk måte enn gjort i tidligere studier.

Det er også utviklet en brikke for fisketarmer, der det ble benyttet cellelinjer fra regnbueørret.

Hjernen

Hjernen har flere viktige funksjoner, og det er mange prosesser som ikke er fullt ut forstått. Fysiologisk vet man ihvertfall likevel at den kontrollerer sentralnervesystemet. Blod-hjerne-barrieren, som ligger imellom blodårene og hjernen, er én viktig komponent her fordi stoffer som skal overføres videre til sentralnervesystemet må passere denne.

For hjernen er det utviklet flere svært ulike brikker, der designet varierer ut fra hvilken del av hjernen brikken forsøker å modellere. Man kan (pr. 2019) ikke modellere alle de ulike funksjonelle enhetene som finnes i hjernen på samme brikke. Forskere har brukt slike brikker til å observere påvirkning av visse medisiner, samt interaksjoner mellom ulike typer hjerneceller. Mange av brikkene gir en modell av blod-hjerne-barrieren, og brukes for å studere hvorvidt ulike medisiner faktisk passerer denne barrieren. Slik teknologi – der cellevevet er utviklet fra menneskeceller – kan også vise seg å være viktig for studier av menneskehjernen, som er mer kompleks enn andre dyrearter. Cellevevet i brikker for hjernen er (pr. 2017) basert på primærceller, induserte pluripotente stamceller eller cellelinjer.

Forskning på en hjerne på brikke ble presentert i 2012, og var nettopp en modell på blod-hjerne-barrieren. Resultater oppnådd ved forsøk på denne type brikke var sammenlignbare med tidligere blod-hjerne-modeller. Denne brikken var utformet slik at man hadde en membran (barrieren) med celler på hver side (blodceller, nevroner). På hver side av membranen var det også et kammer for ionevæske, slik at cellene ble utsatt for en konstant strøm – tilsvarende slik man både har strøm av blod og hjernevæske på hver side av membranen i hjernen.

Denne teknologien har igjen blitt videreutviklet av andre, og kan blant annet brukes til å forstå hvordan Alzheimers sykdom utvikles. I en artikkel fra 2015 ble en slik brikke presentert, der de hadde utført forsøk på hvordan amyloid-β-proteinet, som dannes i hjernen under utviklingen av Alzheimers, påvirket cellevevet. I et annet studium ble hjerne på brikke-teknologien brukt for å studere interaksjon mellom celler fra ulike deler av hjernen.

Nyrene

Nyrenes oppgave er å rense blodet, som inkluderer både å kontrollere kroppens væskebalanse og å skille ut avfallsstoffer, som igjen skilles ut som urin. Den har også en viktig rolle i kroppens metabolisme – den produserer sukker ved glukoneogenese, og passer på at legemidler blir skilt ut. Nyrenes funksjonelle enhet kalles for nefroner – det er her alle prosessene finner sted. Nefronene satt sammen av et nøste av små kapillærer – kalt glomerulus – der blodet fra blodsystemet kommer inn, og et tilkoblet rørsystem – tubili. Dette rørsystemet består igjen av den proximale tubulus og den distale tubulus, som har hver sin rolle i prosessen som skjer når nyrene filtrere blodet.

Det er utviklet brikker for hver av glomerulus, den proximale tubulus og den distale tubulus, som alle representerer viktige komponenter i nyrene – men det er (pr 2020) enda ikke utviklet en som kan etterligne hele funksjonaliteten til nefronene. Slike brikker har vist seg å mer realistisk etterligne cellenes organisasjon og respons på visse stoffer, men (pr 2018) det er flere av nefronenes sentrale prosesser – slik som tubulær sekresjon, intracellulær metabolisme, produksjon av renin og vitamin D o prostaglandinsyntesen – man ikke har klart å etterligne. Cellevevet i brikker for nyrene er (pr. 2018) hovedsakelig basert på primærceller eller cellelinjer, men det er også utført forsøk med celler utviklet fra embryonale stamceller og induserte pluripotente stamceller.

Det første nyre på brikke-systemet, som var en modell på den proximale tubulus, ble utviklet i 2013. Som blant annet lunge på brikke-systemer inneholdt denne to kamre, adskilt av en membran. På den øvre delen av membranen lot man primære menneskelige epitelceller hentet fra den proximale tubulus vokse frem. Deretter ble begge kamrene fylt med et kulturmedium, der det nedre var uten bevegelse mens mediet sirkulerte i det øvre, for å etterligne en konstant blodstrøm – slik ble cellene utsatt for skjærspenning. Ved denne væskestrømmen observerte de hvordan cellene omorganiserte seg under denne påvirkningen – dette er i samsvar med tidligere forsøk på tredimensjonale modeller der man utsetter cellene for væskestrøm. Deretter studerte de effekten av ulike stoffer, og fant ut at cellene reagerte mer realistisk på giftstoffer i dette miljøet enn man kan observere i mer tradisjonelle dyrkede cellekulturer. Senere har det blitt utviklet brikker brukt til videre forskning på hvordan cellene organiserer seg, påvirkning av andre stoffer samt hvordan transport av ulike stoffer skjer.

Det første glomerulus på brikke-systemet ble utviklet i 2016. Den besto av to kamre adskilt av en membran, der denne på den ene siden var dekket av glomerulære endotelceller og podocytter på den andre. Gjennom kamrene var det en væskestrøm. Modellen kunne gjenskape viktige prosesser som skjer ved sykdommen nefrosklerose. Senere har det også blitt utviklet brikker som modellerer cellenes respons under sykdommen diabetesnefropati.

Nyrer på brikke ble også brukt i et eksperiment der de sendte brikkene til verdensrommet, for forskning utført på International Space Station. Dette ble gjort for å forske på hvordan nyrestein dannes, osteoporose og proteinuri, der man håpet at cellenes utvikling ville skje raskere uten påvirkning av gravitasjon.

Leveren
Leveren er kroppens nest største organ, og regulerer opptak av næringsstoffer (kroppens stoffskifte), produksjon av proteiner, hormoner og galle. Mange av leverens funksjoner skjer gjennom  perfusjon, der stoffer blir ført til og fra organet ved hjelp av blodomløpet.

En lever på brikke ble presentert i 2013, basert på tidligere forskning fra 2006. Brikken inneholdt celler fra leveren og endotoler, og de viste at brikken gjenskapte strukturer man også kan observere i levende levere. Perfusjon har vist seg å være relativ enkel å gjenskape på brikker, som igjen har ført til utvikling av mange ulike brikker for å se på ulike fysiologiske prosesser som finner sted i leveren. Det er blant annet utviklet lever på brikke for å modellere metabolisme, CYP-katalyse og interaksjon mellom hepatocytter og fibroblast.

Cellevevet i brikker for leveren er (pr. 2017) basert på induserte pluripotente stamceller eller cellelinjer.

Brikker for leveren er ofte bygd opp av separate kamre – med ulike typer vev i hvert kammer – der noen av kamrene er tilkoblet mikropumper. Forskere har bygget flere ulike brikker, og overvåket ulike typer funksjoner i opp til 30 dager. Ved overvåkning av de ulike funksjonene har man observert lignende resultater som ved dyreforsøk for leverskader. Visse forsøk ga resultater som avviker fra tidligere kjente resultater, hvilket anses som en indikasjon på at brikker kan gi mer nøyaktige resulater enn det man tidligere har funnet ved enklere in vitro-modeller. Lever på brikke har blant annet blitt forsøk tested for å overvåke leverskader som følge av alkoholinntak og eksponering av hepatitt B-virus. Det finnes også andre tredimensjonale in vitro-modeller, laget som andre enheter enn mikrobrikker, og forskere som utvikler mikrobrikker for leveren har stort sett basert seg på lignende teknologi.

Øyet
Øyet projekterer lys fra omgivelsene, og har en relativ kompleks struktur; hver hinne i øyet består igjen av flere lag i en tredimensjonal struktur. Medisiner som brukes for øyet må trenge igjennom disse lagene.

Et øye på brikke-system ble utviklet i 2014, der de lagde en modell av hornhinnen. De brukte hornhinneceller som ble plassert på en tredimensjonal avrundet flate, og koblet dette mot et elektromekanisk system med et biomimisk «øyelokk» for å simulere spontan blunking. Senere versjoner av denne brikken har blitt brukt som en modell for evaporative tørre øyne, utviklet med tanke på utvikling av medisiner mot dette. Andre modeller har fokusert på å gjenprodusere den lagvise strukturen hornhinnen består av, og sett på hvordan medisiner kan diffusere igjennom disse. Det er tilsvarende utviklet brikker for netthinnen, der ulike brikker har blitt utviklet for å gjenskape forholdene ved ulike sykdommer som rammer netthinnen – og tilsvarende effekten av medisiner som brukes til å behandle disse.

Blodomløpet
Blodomløpet transporterer næringsstoffer til de ulike organene, og avfallsstoffer bort fra de.

Det er mulig å gjenskape tubulogenese, prosessen der nye blodårer dannes, ved å plassere endotel-celler i matriser som for eksempel består av collagen; cellene vil da utvikle et sammenhengende nettverk av små blodårer igjennom matrisen. Dette kan gjøres i statiske miljøer såvel som på brikker. På brikker har dette videre blitt utviklet til å se på hvordan biokjemiske stoffer og fysiologiske signaler påvirker denne prosessen. Ved hjelp av slike brikker har genet angiopoietin-1 samt det å la vevet utsettes for en konstant flyt av ekstracellulær væske blitt identifisert som viktige faktorer.

Cellevevet i brikker for blodomløpet er (pr. 2017) basert på primærceller, induserte pluripotente stamceller eller cellelinjer.

Huden
Hud på brikke-systemer har blitt brukt til å se på effekten av cellegiftsmedikamentet doxorubucin,
og til å modellere betennelse samt å se på tilsvarende effekt av betennelsesdempende medisiner.

Det ble utviklet en brikke for huden i 2013. Her ble vev fra donorer plassert under et lag med hudekvivalent (skin equivalent), og deretter utsatt for mekanisk påvirkning ved hjelp av en mikropumpe. Etter visse tidspunkt ble dette sammenlignet med tilsvarende prøve, dyrket frem i statiske omgivelser, og man observerte at cellene i vevet utsatt for mekanisk spenning viste tegn til å være mer velfungerende, mens i det statiske vevet hadde flere av cellene dødd ut i løpet av tiden eksperimentet varte.

Cellevevet i brikker for huden er (pr. 2017) basert på primærceller, induserte pluripotente stamceller eller cellelinjer.

Andre brikker

Kreft
Det er utviklet flere spesielle brikker for å studere kreft, kalt svulst på brikke. Disse er utviklet for flere ulike typer kreft – lungekreft, leverkreft, hjernekreft, tarmkreft, brystkreft og prostatakreft.Brikkene for lungekreft har, i likhet med brikker for lunger, blitt utviklet av Ingeber-gruppen ved Wyss Institute. Disse har blitt brukt til å forske på hvorfor lungekreft er vanskelig å behandle, sammenlignet med andre krefttyper.

Cellevevet i brikker for studier av kreft er (pr. 2017) basert på cellelinjer.

Mennesket – flere organer kombinert

Flere studier forsker på systemer av brikker, der man kobler sammen brikker for organer man vet har en sentral interaksjon. For eksempel kan man koble sammen brikker for lungene med brikker for hjertet, og studere deres interaksjon. Det er utviklet systemer som kobler sammen leveren, nyrene, nervesystemet, blodårer med fokus på kreftforskning. Andre modeller har sett på tarmsystemet/leveren, tarmsystemet/leveren/nyrene/blodbarrieren i hjernen, hjertet/muskler/nervesystemet/leveren, leveren/bukspyttkjertelen, leveren/tarmsystemet og leveren/hud, lever/lunge/nyrer/fett.

Forskere anser slike modeller for å ha potensiale til å prøve ut hvordan kroppen reagerer på ulike stoffer, men sier også at slike samlede modeller ligger langt fremme i tid.

Sammenligning med andre metoder
Organ på brikke-teknologi regnes som et alternativ som kan erstatte dyreforsøk.

Ofte har man brukt todimensjonale modeller, bygget ved å dyrke cellekulturer i petriskåler, for  in vitro-eksperimenter. Slike eksperimenter er relativt enkle å gjennomføre, men kan ikke gjenspeile cellenes naturlige tredimensjonale struktur og interaksjon. Videre finnes det også tredimensjonale statiske kulturer, der man lar cellekulturer vokse frem i et tredimensjonalt miljø. Imidlertid har det vist seg vanskelig å gjenskape interaksjon mellom ulike vev; man kan heller ikke se på betydningen av mekanisk ekstern påvirkning i slike modeller.

Kommersiell virksomhet
Organ på brikke-teknologi kan bli et viktig verktøy i utviklingen av nye medisiner. De kan redusere kostnader for å utvikle nye medisiner betydelig. I en studie som kvantifiserte det mulige potensialet ble kostandsreduksjonen anslått til 10–26 %, gitt en tidsramme på 5 år.

I 2016 ble «organ-on-a-chip» kåret til å være blant verdens ti viktigste voksende teknologier av Verdens økonomiske forum.

Referanser

Eksterne lenker

 Organs-on-a-chip, Wyss Institutes temaside

Bioteknologi
Mikroteknologi