Lab-on-a-chip tool for the investigation of biological barriers
Authors: Kincses András 
Published: May 2022

A homeosztázis fenntartásában és a gyógyszerbejutás és felszívódás folyamataiban rendkívül fontos szerepet játszanak az epitél és endotél sejtekből felépülő biológiai gátak. Élettani funkciójuk, transzportfolyamataik megértéséhez, illetve gyógyszerhatások és betegségek vizsgálatában a sejttenyészetes modellek kiemelkedően fontosak. Az epitél és endotél rétegek szoros kapcsolatát in vivo a sejtek közötti speciális kapcsolófehérjék biztosítják. Egy ilyen szorosan záródó sejtréteg jellemzői a magas elektromos ellenállás és az alacsony passzív permeabilitás. Ezek a fizikai és fizikai-kémiai paraméterek pontos jellemzést adnak a biológiai gát integritásáról és funkciójáról. A sejtek közötti kapcsolat szorosságát az ionok sejtrétegen keresztüli átjárhatóságával jellemezhetjük, az ezt leíró mennyiség a transz-endoteliális/epiteliális elektromos ellenállás (TEER). A passzív permeabilitás kis méretű lipidoldékony vagy vízoldékony, elektromosan semleges vagy töltéssel rendelkező molekulák sejteken keresztüli, illetve sejtek közötti átjutását jellemzi. A sejtfelszín erősen negatív töltése, amely a sejtfelszíni lipidösszetételből és a glikokalix proteoglikán összetevőiből adódik fontos tényezője a gátfunkciónak. Azonban a biológiai gátak fizikai tulajdonságai közül ez a legkevésbé vizsgált terület. Az elmúlt 10 évben a biológiai gátak modellezésére a statikus tenyésztőbetétek mellett megjelentek a dinamikus csiplaboratóriumi (lab-on-a-chip, LOC) eszközök is. A sejtek közötti kölcsönhatások, molekuláris útvonalak, betegségek és gyógyszerhatások vizsgálatára fejlesztett LOC eszközök modern mérnöki tervezés eredményei. Segítségükkel lehetőségünk nyílik a folyadékáramlás hatásainak vizsgálatára az előbb említett élettani folyamatok tanulmányozására. A LOC eszközök jelentősége abban rejlik, hogy pontosan beállítható környezetet biztosítanak a sejtek szaporodásához, növekedéséhez, és segítségükkel a gátfunkció kialakulása és változásai jól nyomon követhetőek. A statikus tenyésztőbetéten nevelt, szorosan záródó, egysejtréteget alkotó epitél és endotél sejtkultúrák széles körben elterjedt tüdő-, bél- és vér-agy gát in vitro modellek. A biológiai barrierek modellezésére használt biochipek az elmúlt tizenöt évben robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Nagy előnyük, hogy a felépítésük és a mérési lehetőségek az adott vizsgálathoz igazíthatók.Célunk volt egy sokoldalúan felhasználható eszköz fejlesztése, ami különböző biológiai gátak modellezésére és így különböző célú felhasználásra alkalmas. Emellett alkalmas a fontos fizikai paraméterek, úgymint TEER és permeabilitás nyomon követésére. A sejtfelszín negatív töltése fontos védelmi feladatot lát el a biológiai gátak esetében. Az erek falát alkotó endotél erős negatív töltésű sejtfelszíni glycocalyxszal rendelkezik, melynek fontos szerepe van a keringési rendszer védelmében és mikrobiális fertőzések elleni védekezésben. A felszín elektromos tulajdonságainak kvantitatív jellemzése ezért nélkülözhetetlen az élettani folyamatokban és betegségekben betöltött szerepének jobb megértéséhez. Kísérleteink során ezért további célunk volt a felszíni töltés objektív mérési módszerének kifejlesztése egysejtrétegeken.