Organy na chipie Szybsze testy leków dzięki biodrukowi 3D i automatyzacji

Zminiaturyzowane modele tkanek na chipach mikrofluidycznych mogą przyspieszyć opracowywanie nowych leków. Kluczowe znaczenie ma tu zautomatyzowana, czysta i powtarzalna produkcja. Współpraca między firmą Festo, Uniwersytetem Technicznym w Darmstadt oraz start-upem Black Drop pokazuje, w jaki sposób biodruk, mikrofluidyka i transport bezkontaktowy mogą zostać połączone w spójny proces.

Proste drukowanie zminiaturyzowanych narządów? To, co brzmi jak science fiction, jest już rzeczywistością: biodruk 3D to kluczowa technologia biomedyczna służąca do wytwarzania żywych tkanek i zminiaturyzowanych narządów. Polega ona na osadzaniu komórek biologicznych w tak zwanych hydrożelach. Mieszanka ta nazywana jest bioatramentem i jest nakładana warstwa po warstwie, analogicznie do konwencjonalnego druku 3D. Struktury biologiczne wytworzone w ten sposób mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach. Zakres ten obejmuje implanty biologiczne w medycynie regeneracyjnej, mięso wytwarzane w laboratorium jako alternatywa dla żywności pochodzenia zwierzęcego oraz zminiaturyzowane modele narządów, które mogą być wykorzystywane do testowania substancji czynnych. Te ostatnie mają szczególne znaczenie dla badań biomedycznych. Jeśli takie mini-narządy są tworzone na chipach mikroprzepływowych, mówi się o „Organs-on-a-Chip” (OOC). W przyszłości mają one służyć jako bardziej miarodajne systemy testowe w badaniach nad lekami.

Preferowana metoda „drop-on-demand” w przypadku organów na chipie

Druk 3D z wykorzystaniem biomateriałów obejmuje różne technologie drukowania. Metoda „drop-on-demand” nadaje się szczególnie do wytwarzania kompozytów wielomateriałowych oraz do drukowania małych struktur tkankowych (np. OOC) w chipach mikroprzepływowych. Podobnie jak w przypadku drukarki biurkowej, w tej bezkontaktowej metodzie drukowania pojedyncze krople bioatramentu są wyrzucane na określoną odległość i przenoszone na powierzchnię przeznaczoną do zadrukowania. W porównaniu z innymi metodami, takimi jak mikroekstrudowanie czy stereolitografia, technika ta wyróżnia się szerokim spektrum materiałów o niskiej i średniej, regulowanym ciśnieniem w dyszy oraz bezkontaktowym przenoszeniem materiału, co ułatwia nadruk na wnękach lub nierównych powierzchniach.

Lepsze modele dla procesu odkrywania leków

Opracowywanie nowych leków przebiega w ramach wieloetapowego procesu zwanego „ścieżką odkrywania leków” (Drug Discovery Pipeline). Po zidentyfikowaniu i optymalizacji obiecujących kandydatów na substancje czynne przeprowadzane są badania przedkliniczne na hodowlach komórkowych i w eksperymentach na zwierzętach, zanim rozpocznie się faza badań klinicznych na ludziach. Szczególnie krytyczne znaczenie ma przejście od modeli przedklinicznych do zastosowań klinicznych. Klasyczne hodowle komórkowe i modele zwierzęce odzwierciedlają fizjologię człowieka tylko w ograniczonym stopniu i dlatego mają ograniczoną wartość prognostyczną co do skuteczności u ludzi. Spośród pięciu potencjalnych substancji czynnych testowanych na ludziach średnio tylko jedna odnosi sukces i uzyskuje dopuszczenie do obrotu. Pozostałe cztery określa się mianem „late fails”. Odpadają one na późnym etapie procesu, po zainwestowaniu już znacznej ilości czasu i środków finansowych.

Technologia „Organs-on-a-Chip” wypełnia właśnie tę lukę w procesie badawczym. Łączy ona komórki ludzkie, trójwymiarowe struktury tkankowe oraz kanały mikroprzepływowe, w których można w kontrolowany sposób doprowadzać pożywki i substancje czynne. W ten sposób powstają niewielkie systemy testowe przypominające narządy, które odtwarzają określone funkcje ludzkich tkanek w sposób bardziej zbliżony do rzeczywistości niż statyczne hodowle komórkowe czy badania na zwierzętach. W przypadku opracowywania leków systemy takie mogą pomóc w wcześniejszym i bardziej miarodajnym badaniu skuteczności oraz skutków ubocznych. Dzięki temu w przyszłości nowe leki będą opracowywane szybciej i taniej.

Stan obecnej techniki: obiecujący, ale wciąż w dużej mierze ręczny

Systemy typu „organ-on-a-chip” są obecnie najczęściej tworzone w wyspecjalizowanych laboratoriach. Najpierw przygotowuje się chip mikrofluidyczny, a następnie za pomocą biodruku 3D umieszcza się na nim komórki lub hydrożele zawierające komórki. Następnie wykonuje się kolejne etapy procesu. Wydrukowane struktury należy ustabilizować, uszczelnić kanały, wprowadzić pożywkę i hodować komórki w kontrolowanych warunkach. W przypadku modeli funkcjonalnych często konieczna jest również perfuzja, czyli ciągłe przepłukiwanie kanałów płynem.

Ten łańcuch procesów jest co do zasady możliwy, jednak w praktyce często nadal charakteryzuje się ręcznymi etapami pracy. Pracownicy laboratorium umieszczają chipy, montują elementy pokrywy, podłączają układy przepływowe, zakładają kaniule lub przenoszą systemy do środowisk inkubacyjnych. Wymaga to doświadczenia i staranności, ale ogranicza powtarzalność, wydajność i skalowalność. Właśnie na tym styku między wykonalnością biologiczną a procesem możliwym do opanowania na skalę przemysłową skupiają się wspólne prace rozwojowe firm Festo, TU Darmstadt i Black Drop.

Nowy układ scalony jako centralny element zautomatyzowanego łańcucha procesów

W centrum prac rozwojowych znajduje się nowo opracowany chip mikrofluidyczny. Stanowi on nie tylko nośnik przyszłego modelu tkankowego, ale jednocześnie centralny punkt połączenia z systemem automatyzacji. Jego struktury kanałów, powierzchnie uszczelniające i przyłącza mediów zostały zaprojektowane w taki sposób, aby drukowanie, uszczelnianie, napełnianie i późniejsza hodowla mogły zostać połączone w spójny, w pełni zautomatyzowany łańcuch procesowy.Chip opiera się na kolektorze połączonym metodą dyfuzyjną (Diffusion-Bonded-Manifold) z precyzyjnymi, zintegrowanymi strukturami płynowymi. Dzięki temu można w kontrolowany sposób rozprowadzać pożywki i precyzyjnie kształtować zaopatrzenie komórek. Dla technologii „Organs-on-a-Chip” ta integracja ma kluczowe znaczenie. Dopiero gdy tkanka, kanały, uszczelnienie, prowadzenie mediów i interfejsy procesowe są do siebie dopasowane, z wydrukowanego zespołu komórkowego powstaje powtarzalny system testowy.

Od biodruku do zamkniętego systemu testowego

Bioprinter nanosi żywe komórki na chip mikrofluidyczny za pomocą technologii „drop-on-demand”. Komórki są osadzone w hydrożelu i precyzyjnie dozowane w postaci bardzo małych kropelek. Następnie materiał jest sieciowany za pomocą promieniowania UV, aby wydrukowana struktura była wystarczająco stabilna do kolejnych etapów procesu.

Po biodruku następuje przejście od otwartego procesu drukowania do zamkniętego systemu mikroprzepływowego. Odsłonięte kanały oraz komora z wydrukowanymi komórkami są przykrywane płytką szklaną pokrytą silikonem. W ten sposób powstaje określona przestrzeń płynowa, w której komórki mogą być zasilane, perfundowane i hodowane w celu przeprowadzenia późniejszych badań.

Transport bezkontaktowy w procesie

Szczególnym elementem prac rozwojowych jest bezkontaktowy transport chipa mikrofluidycznego. W tym celu chip umieszczony jest na unoszącym się nośniku, który jest przemieszczany między stacjami za pomocą technologii Supra-Motion firmy Festo. System kinematyczny może pozostawać poza czystym pomieszczeniem procesowym; transport odbywa się bez kontaktu mechanicznego i bez przenoszenia cząstek. W zastosowaniach z dziedziny nauk przyrodniczych ułatwia to czyszczenie, chroni wrażliwe próbki i wspiera niezawodność procesów w środowiskach zbliżonych do pomieszczeń czystych.

Automatyzacja oznacza: zapewnienie kontroli nad poszczególnymi etapami procesu

Automatyzacja nie ogranicza się wyłącznie do drukowania komórek. Obejmuje ona również kolejne etapy, które mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania systemu „organ-on-a-chip”. Należą do nich precyzyjne przykrycie i uszczelnienie chipa, wprowadzenie pożywki, przygotowanie perfuzji oraz bezpieczne przeniesienie do środowiska inkubacyjnego. To właśnie te pozornie końcowe etapy decydują o tym, czy model biologiczny będzie można niezawodnie dalej hodować.

W przedstawionym procesie trzy kaniule przebijają silikonową membranę i wchodzą do chipa. Jedna z kaniul wytwarza podciśnienie, aby utrzymać szklaną płytkę w odpowiednim położeniu i bezpiecznie uszczelnić kanały. Poprzez dwie pozostałe kaniule wprowadzana jest pożywka. Po napełnieniu igły są wycofywane; otwory po nakłuciach zamykają się samoczynnie dzięki membranie. Następnie chip można w sposób sterylny i bezpieczny przenieść do kolejnych etapów procesu.

Powtarzalność jako warunek szerszego zastosowania

Nowatorski charakter prac rozwojowych polega zatem nie tyle na pojedynczym, wyizolowanym etapie procesu, ile na połączeniu całego przebiegu. Biodruk, fluidyka, uszczelnianie, zasilanie mediami, transport, technika sterowania i oprogramowanie są tak połączone, że z sekwencji ręcznych czynności laboratoryjnych może powstać powtarzalny, zautomatyzowany proces.

Dla branży technologii medycznej i badań farmaceutycznych jest to kluczowy krok. Jeśli systemy typu „organ-on-a-chip” mają być w przyszłości szerzej stosowane, ich produkcja i działanie muszą nie tylko przebiegać zgodnie z zasadami biologii, ale także być możliwe do udokumentowania, powtórzenia i skalowania. Automatyzacja ogranicza zmienność wynikającą z pracy ręcznej, stabilizuje parametry procesowe i ułatwia przenoszenie takich systemów z etapu badań do praktycznego zastosowania.

Perspektywy: Od demonstracji do praktycznego zastosowania

W ramach współpracy między firmą Festo, Uniwersytetem Technicznym w Darmstadt i firmą Black Drop zbudowano instalację pilotażową, która po raz pierwszy przedstawia zautomatyzowaną produkcję „organs-on-a-chip” jako spójny proces. Instalacja ta ma teraz zostać poddana dalszym badaniom naukowym. Główny nacisk kładziony jest na zrozumienie procesu, powtarzalność, jakość modelu oraz możliwość zastosowania w różnych obszarach. Na tej podstawie w kolejnym etapie ma nastąpić opracowanie komercyjnego, w pełni zautomatyzowanego systemu, który przeniesie „Organs-on-a-Chip” ze specjalistycznego środowiska laboratoryjnego bliżej szerszego zastosowania w badaniach naukowych, opracowywaniu substancji czynnych oraz biomedycynie.

Kluczowymi etapami rozwoju są tutaj integracja komory hodowlanej (inkubatora) oraz dodatkowych czujników wbudowanych w linię produkcyjną do sterowania procesem. W ten sposób tworzy się mierzalne i standaryzowane środowisko procesowe, które ma decydujące znaczenie dla przyszłych badań walidacyjnych. Wyzwaniem jest połączenie procesu drukowania z poprzedzającą go hodowlą komórek. Aby móc w pełni wykorzystać możliwości zautomatyzowanej instalacji, komórki muszą być wytwarzane w wystarczająco dużej ilości i, w idealnym przypadku, automatycznie przekazywane do drukarki. Istotne znaczenie mają również metody analizy końcowej, które monitorują jakość modeli tkankowych po wydrukowaniu oraz w trakcie hodowli. Po wdrożeniu również tych metod możliwe będzie w pełni zautomatyzowane wytwarzanie i kontrola jakości modeli OOC.