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Ein biologisches Lungenmodell mit Forschungspotenzial

Ein biologisches Lungenmodell mit Forschungspotenzial WISSENSCHAFT · SPECIAL: MOLEKUL ARE MEDIZIN Organs-on-Chip Ein biologisches Lungenmodell mit Forschungspotenzial geatmeten Luft in das Blut und Kohlendioxid OLIVIER GUENAT, PAULINE ZAMPROGNO wird aus dem Körper freigesetzt. Dieses Phä- ARTORG CENTER FOR BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH, UNIVERSITÄT BERN, nomen fi ndet in der kleinsten funktionellen SCHWEIZ Einheit der Lunge statt: der Blut-Luft-Schran- ke [1]. Sie besteht aus einer ultradünnen Standard in vitro models fail to reproduce the complex cellular Membran, an der Epithel- und Endothelzellen befestigt sind [2]. Diese Komponenten wer- microenvironment of the human lung, whereas lung animal models den durch die Atembewegung ständig einer poorly predict drug response in humans. A powerful alternative to dreidimensionalen Verformung unterworfen. model various aspects of the air-blood barrier is lung-on-chips using a Der Grad der linearen Dehnung während der thin and porous polymeric membrane. Researchers from the University normalen Atmung in den Lungenbläschen of Bern have developed a new generation lung-on-chip that mimics an schwankt im Schnitt zwischen vier und zwölf array of alveoli based on a biological membrane, on which patient cells Prozent [3]. Aufgrund ihrer Struktur, ihrer komplexen zellulären Zusammensetzung und are cultured, opening new potentials for lung research, drug screening ihrer dynamischen Mikroumgebung lässt and personalized medicine. sich die Lunge in vitro nur schwer nachbilden. DOI: 10.1007/s12268-022-1731-8 Denn eine realistische Nachbildung muss © Die Autorinnen und Autoren 2022 Atembewegungen, den Gasaustausch an der ó Die Lunge ist ein komplexes Organ, des- pers und spielt eine Schlüsselrolle für die ultradünnen Blut-Luft-Schranke sowie die sen Hauptfunktion der Gasaustausch ist. Sie Sauerstoffversorgung des Körpers. Beim extrazelluläre Matrix (ECM), an der die Zellen ist das größte Organ des menschlichen Kör- Atmen diffundiert der Sauerstoff aus der ein- befestigt sind, beinhalten. In den letzten Jahrzehnten wurde in meh- reren Berichten auf die mangelnde Effi zienz der Arzneimittelforschung und die damit ver- bundenen höheren Kosten hingewiesen [4]. Eine der größten Herausforderungen ist die Extrapolation von Stoffwechseldaten aus AB C in vitro- und Tiersystemen auf den Menschen [5]. Zellkulturmodelle und Tiermodelle haben demnach klare Limitierungen, da sie die Wir- kung neuer Arzneimittel auf den Menschen nicht genau voraussagen. Einerseits können in vitro-Standardmodelle die komplexe Archi- tektur und einige der Schlüsselelemente DE menschlicher Organe nicht reproduzieren. Andererseits gelten Tiermodelle aufgrund der Unterschiede zwischen den Spezies als unvollkommener Ersatz für menschliche Modelle, was sich in der schlechten Übertrag- barkeit von Medikamentenwirkungen bei Nagetieren auf die Lunge des Menschen gezeigt hat [6, 7]. Außerdem sind sie zeitauf- wändig, teuer und ethisch fragwürdig. So werden etwa vermehrt Stimmen laut, die ˚ Abb. 1: Herstellung der Kollagen-Elastin-Membran für die Lunge-auf-Chip der zweiten Genera- tion. A, Auf ein dünnes Goldnetz mit hexagonalen Poren von etwa 260 μm wird ein Tropfen alternative Forschungsmethoden fordern. Kollagen-Elastin-Lösung pipettiert und B, bildet dort durch die Oberfl ächenspannung eine dünne Daher besteht ein dringender Bedarf an der Membran, C, die durch Unterdruck gedehnt werden kann. D, Humane Lungen-Alveolarepithel- Entwicklung relevanter Modelle, um die der zellen können darauf zusammen mit Endothelzellen ko-kultiviert und E, gedehnt werden. Pathogenese von Lungenkrankheiten zugrun- Aus: Zamprogno P et al., Common Biol (2021) 4:168, [13]. de liegenden Schlüsselmechanismen zu BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang 153 AB untersuchen und potenzielle therapeutische Ziele zu identifi zieren, die später in persona- lisierte Therapieansätze einfl ießen können. Lungen-auf-Chip als hochkomplexe in vitro-Simulationen der Lunge Ein seit einer Dekade praktizierter Ansatz ist die Lunge-auf-Chip [8, 9, 10]. Diese komple- xen in vitro-Modelle werden insbesondere im ˚ Abb. 2: Eigenschaften von CE-Membranen. A, Durchbiegung von CE-Membranen und B, Bereich der pharmakologischen Forschung die entsprechende lineare Dehnung bei verschiedenen Zusammensetzungen in Abhängigkeit von einem angelegten Vakuum (n=6 für CE-Membran 1:1 und 2:1 und n=4 für CE-Membran 1:3). zur Entdeckung neuer Wirkstoffe eingesetzt Eine 10 μm dünne Poly di methyl siloxan(PDMS)-Membran diente als Referenz (n=6). [11, 12]. Die erste Generation solcher Lun- Aus: Zamprogno P et al., Common Biol (2021) 4:168, [13]. gen-auf-Chip wurde mit einer dünnen, poly- meren und porösen Membran entwickelt. Ein früher, aus Bern stammender Ansatz, war gesundem Lungengewebe. Die stabile Mem- Patienten und primären Lungenendothel- hier ein Lunge-auf-Chip-Array, das die Umge- bran ermöglicht das Simulieren von Atembe- zellen rekonstruiert. Primäre Zellen bieten bung des Lungenparenchyms einschließlich wegungen durch mechanisches Dehnen der im Vergleich zu Zelllinien eine Reihe von Alveolarbarriere und der dreidimensionalen Zellen über einen längeren Zeitraum. Vorteilen, darunter einen Phänotyp, der dem zyklischen Belastung durch Atembewegun- Die Herstellung (Abb. 1) der Lunge-auf- ursprünglichen Gewebe nahekommt, die gen nachahmte [9, 10]. Das Mikro-Diaphrag- Chip der zweiten Generation ist weniger auf- Fähigkeit zur Differenzierung in ein in vivo- ma zur Dehnung der Alveolarbarriere wurde wändig als die von Vorgängermodellen und ähnliches Gewebe und eine größere Spender- dabei dem Zwerchfell nachempfunden, wel- erfolgt in drei Schritten: Zunächst wird auf vielfalt, die die natürliche Vielfalt der ches die Inspiration verantwortet. Das Design ein dünnes Goldnetz aus hexagonalen Poren menschlichen Bevölkerung widerspiegelt. sollte dabei die in vivo-Bedingungen im Lun- von etwa 260 μm ein Tropfen Kollagen-Elas- Die Epithelzellen konnten am Leben erhalten genparenchym bestmöglich reproduzieren. tin-Lösung pipettiert, welche dort durch die werden und bildeten mehrere Tage lang eine Doch mit diesem Schritt waren die Mög- Oberfl ächenspannung eine dünne Membran dichte Barriere an der Luft-Flüssigkeits- lichkeiten einer naturalistischen Lunge-auf- bildet. Im zweiten Schritt kann diese Mem- Grenzfl äche, während sie von dem auf der Chip noch nicht ausgereizt. Denn um die bran auf Alveolarebene gedehnt werden, basolateralen Seite der Membran befi ndli- Wirkstoffforschung effi zient zu unterstützen indem ein negativer Druck auf die basolate- chen Medium genährt wurden (Abb. 3). Die- und eine viable Alternative zu bisherigen rale Seite der Membran ausgeübt wird. ser Befund zeigt, dass die biologische Mem- Forschungsmodellen zu sein, müssen Schließlich ist es möglich, primäre humane bran für Zellnährstoffe porös ist. Es wurden Organs-auf-Chip möglichst nah an die in vivo- Lungen-Alveolarepithelzellen vom Typ I typische Marker für Alveolarepithelzellen Verhältnisse herankommen. Daher folgte (ATI) und Typ II (ATII) in Ko-Kultur mit Lun- beobachtet, während die Barriereeigenschaf- sechs Jahre später die Entwicklung einer genendothelzellen auf der dünnen Kollagen- ten bis zu drei Wochen lang erhalten blieben. Lunge-auf-Chip der zweiten Generation Elastin-Membran zu kultivieren, welche die Besiedlung mit menschlichen Zellen durch das ARTORG OOC-Labor. Dabei wird a) Blut-Luft-Schranke nachbilden [13]. bahnt Weg für personalisierte die polymere (PDMS) Membran durch eine Die erhaltene Membran ist dünn, porös, Medizin rein biologische Membran aus Proteinen der fl exibel und biologisch abbaubar. Sie kann extrazellulären Lungenmatrix ersetzt, b) ein über mehrere Monate sowohl in trockenem Die weiterentwickelte biologische Lunge-auf- Gefüge mehrerer Alveolen in realistischen als auch in feuchtem Zustand aufrechterhal- Chip der zweiten Generation (Abb. 3) repro- Dimensionen erzeugt, anstelle einer bisher ten werden, was eine langfristige Zellkultur duziert einige wichtige Merkmale der Lun- einzelnen großen Oberfl äche, welche ledig- ermöglicht. Darüber hinaus können ihre genalveole in Bezug auf Struktur (Anordnung lich eine Alveole nachahmt, sowie c) eine mechanischen Eigenschaften durch Ände- der Lungenbläschen und Faserstruktur), Membran erzeugt, die sich der natürlichen rung der Zusammensetzung oder des Her- extrazelluläre Matrixzusammensetzung, Bar- Oberfl ächenspannung bedient und daher ein- stellungsverfahrens leicht angepasst werden rierefunktionen und dynamische Mikroum- fach herzustellen ist [13]. [14]. Wird die Kollagenkonzentration verrin- gebung. Sie ermöglicht die Nachbildung gert, wird die Membran weicher, was zu einer Blut-Luft-Schranke, ohne eine künstli- Eine biologisch abbaubare Blut-Luft- einer größeren Durchbiegung und damit zu che Schicht zwischen den Epithel- und den Schranke in Lebensgröße größeren linearen Dehnungen führt (Abb. 2). Endothelzellen – ein wichtiger Aspekt zur Die Lungenbläschen, die wabenförmig auf Die Membran übertrifft PDMS (die Lunge- Untersuchung veränderter Blut-Luft-Schran- dem Chip angeordnet sind, haben etwa auf-Chip der ersten Generation) in vielerlei ke bei Lungenerkrankungen wie der idiopa- lebensgroße Dimensionen. Das System Hinsicht: Sie absorbiert kein Rhodamin-B, ist thischen Lungenfibrose (IPF) oder der besteht aus einer dünnen, dehnbaren Mem- biologisch abbaubar, ahmt die extrazelluläre chronisch-ob struktiven Lungenerkrankung bran, die erstmals aus natürlichen Lungen- Matrix der Lunge nach und lässt sich mit (COPD). molekülen – Kollagen und Elastin – herge- einer einfachen Methode herstellen. Die Membran reproduziert wichtige stellt ist. Die Auswahl dieser beiden Proteine In einem Studienaufbau [13] wurde die Aspekte der extrazellulären Lungenmatrix, erfolgte aufgrund ihrer komplementären Blut-Luft-Schranke mit primären Lungen- also dem Gewebeanteil, der zwischen den Rolle für das biomechanische Verhalten von Alveolarepithelzellen von Patientinnen und Zellen liegt, und eröffnet den Weg zur Nach- BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang 154 WISSENSCHAFT · SPECIAL: MOLEKUL ARE MEDIZIN Organs-on-Chip Technologies Lab Die spezialisierte Gruppe des ARTORG menarbeit mit dem Start-up AlveoliX weiter- Center for Biomedical Engineering Research entwickelt, mit dem Ziel, die präklinische der Universität Bern entwickelt in Zusam- Forschung zu revolutionieren. Die zweite menarbeit mit den Universitätskliniken für Generation wird im Rahmen eines vom Pneumologie und Thoraxchirurgie des Insel- 3RCC Kompetenzzentrum Schweiz geför- spitals Organe-auf-Chip mit dem Schwer- derten Forschungsprojekts fortentwickelt, punkt Lunge und deren Erkrankungen. Die um den fi briotischen Prozess bei idiopathi- Gruppe kombiniert Ingenieurwissenschaf- scher Lungenfi brose besser zu verstehen ten, Zellbiologie, Materialwissenschaften und potenzielle Wirkstoffkandidaten zur und Medizin. Ihre erste Entwicklung einer therapeutischen Eindämmung der Erkran- atmenden Lunge-auf-Chip wird in Zusam- kung zu testen. ˚ Abb. 3: Eingefärbte primäre Lungen- ziplinären Forschungsarbeit zwischen Medi- [10] Stucki JD, Hobi N, Galimov A et al. (2018) Medium Alveolarepithelzellen von Patienten, die auf throughput breathing human primary cell alveolus-on- chip zintechnik, Zellbiologie und Medizin mög- model. Sci Rep 8: 1–13 einer Lunge-auf-Chip der zweiten Generation lich. Das ARTORG Center dankt seinen klini- [11] Clapp N, Amour A, Rowan WC, Candarlioglu PL (2021) kultiviert wurden. Skala: hexagonalen Poren: Organ-on-chip applications in drug discovery: an end user schen Partnern am Inselspital, Universitäts- ca. 260 μm. Aus: Zamprogno P et al., perspective, Biochemical Society Transactions 49: 1881–1890 Common Biol (2021) 4:168, [13]. spital Bern sowie dem Helmholtz-Zentrum [12] Vulto P, Joore J (2021) Adoption of organ-on-chip plat- forms by the pharmaceutical industry. Nat Rev Drug (Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Discov 20: 961–962 bildung biologischer Barrieren auf einem Forschung Saarland, HIPS) und dem Herz- [13] Zamprogno P, Wüthrich S, Achenbach S et al. (2021) Second-generation lung-on-a-chip with an array of stretchable neuen Komplexitätsniveau. Neben der Blut- zentrum Völklingen. ó alveoli made with a biological membrane. Commun Biol 4: Luft-Schranke kann die Membran verschie- 168 [14] Zamprogno P, Thoma G, Cencen V et al. (2021) dene in vitro-Barrieren nachbilden. Die Modi- Mechanical properties of soft biological membranes for Literatur fizierung der Membransteifheit durch organ-on-a-chip assessed by bulge test and AFM. ACS Biomater Sci Eng 7: 2990–2997 [1] Knudsen L, Ochs M (2018) The micromechanics of lung Abstimmung der Hydrogelzusammenset- alveoli : structure and function of surfactant and tissue com- Funding note: Open Access funding enabled and organized by University of zung, der Proteinkonzentration und des Her- ponents. Histochem. Cell Biol 150: 661–676 Bern. [2] Weibel ER (2015) On the tricks alveolar epithelial cells Open Access: Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung stellungsverfahrens ermöglicht es, die 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, play to make a good lung. Am J Respir Crit Care Med 191: Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format mechanischen Eigenschaften der extrazellu- 504–513 erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle [3] Roan E, Waters CM (2011) What do we know about ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und lären Matrix einer Vielzahl von Geweben zu angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die in diesem Artikel mechanical strain in lung alveoli? Am J Physiol – Lung Cell enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der reproduzieren. Mol Physiol 301: 625–635 genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende [4] Scannell JW, Blanckley A, Boldon H, Warrington B (2012) nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der Durch die Besiedlung der Lunge-auf-Chip genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht Diagnosing the decline in pharmaceutical R&D effi ciency. Nat nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten der zweiten Generation mit primären Alveo- Publ Gr 11: 191–200 Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen [5] Barnes PJ, Bonini S, Seeger W et al. (2012) Barriers to Rechteinhabers einzuholen. Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der larepithelzellen von Patienten eröffnen sich Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de. new drug development in respiratory diseas. Eur Respir J 45: zudem neue Möglichkeiten der personalisier- 1197–1207 Korrespondenzadresse: [6] Pound P, Ritskes-Hoitinga M (2018) Is it possible to over- ten Medizin. Das System kann sowohl gesun- Prof. Dr. Olivier Guenat come issues of external validity in preclinical animal de Lungenbläschenzellen als auch Zellen von Leiter Organs-on-Chip Technologies (OOC) research? Why most animal models are bound to fail. J Transl Med 16: 304 ARTORG Center for Biomedical Engineering Erkrankten kultivieren und erlaubt es, diese [7] Carrington R, Jordan S, Pitchford SC, Page CP (2018) Use Research in ihrer natürlichen Umgebung zu studieren. of animal models in IPF research. Pulm Pharmacol Ther 51 Universität Bern :73–78 Dies trägt zu einem klinisch verbesserten Ver- Murtenstraße 50 [8] Huh D, Matthews BD, Mammoto A et al. (2010) CH-3008 Bern ständnis der Lungenphysiologie im Gesund- Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science olivier.guenat@unibe.ch 328: 1662–1668 heits- sowie im Krankheitszustand bei. Zudem www.artorg.unibe.ch/research/ooc/research/ [9] Stucki AO Stucki JD, Hall SRR et al. (2015) A lung-on-a- kann das biologische Modell ein wertvolles lung_on_chip chip array with an integrated bio-inspired respiration mecha- nism. Lab Chip 15: 1302–1310 www.alveolix.com Werkzeug für das Screening neuer Wirkstoffe im Sinne einer Präzisionsmedizin werden, da hier direkt die Reaktion der menschlichen AUTORINNEN UND AUTOREN Lunge auf Pathologien und Therapieansätze Olivier T. Guenat erforscht werden kann. Langfristig haben sol- 1994–2000 Studium Elektrotechnik und Physik am Institut für Mikrotechnik (heute Teil EPFL), Universität Neuchâtel, Schweiz inkl. Doktorat. 2005–2006 Postdoktorat che Ansätze das Potenzial, Tierversuche in der Harvard Medical School, MA, USA. 2006–2009 Assistant Professor Ecole Polytech- pneumologischen Grundlagen- und Translati- nique Montréal, Kanada. Seit 2015 Professor an der Universität Bern. Seit 2010 Lei- onsforschung zu reduzieren. Gleichzeitig bie- ter der Forschungsgruppe Organs-on-Chip Technologies (OOC) des ARTORG Center. 2015 Gründung des Start-Ups AlveoliX. ten sie patientenrelevantere Ergebnisse in der Wirkstoffforschung, mit der Möglichkeit, die- se sogar für einzelne Patientinnen und Patien- Pauline Zamprogno ten maßzuschneidern, also genau die Therapie Biomedizinische Ingenieurin mit Abschluss an der Telecom Physique Strasbourg, zu identifi zieren, die diesem Patienten am Frankreich. Mitarbeiterin bei MIMETAS und ab 2016 bei der OOC-Gruppe des ARTORG besten hilft. Center. Seit 2016 Forschung im OOC-Labor zu hochentwickelten in vitro-Modellen zur Nachahmung der menschlichen Lunge und ihrer Funktionen. 2021 Promotion zur Lunge-auf-Chip der zweiten Generation des ARTORG Center. Danksagung Die Entwicklung eines naturgetreuen in vitro- Lungenmodells ist nur durch enge interdis- BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png BIOspektrum Springer Journals

Ein biologisches Lungenmodell mit Forschungspotenzial

Guenat, Olivier; Zamprogno, Pauline
BIOspektrum , Volume 28 (2) – Mar 1, 2022
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Springer Journals
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Copyright © Die Autorinnen und Autoren 2022
ISSN
0947-0867
eISSN
1868-6249
DOI
10.1007/s12268-022-1731-8
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Abstract

WISSENSCHAFT · SPECIAL: MOLEKUL ARE MEDIZIN Organs-on-Chip Ein biologisches Lungenmodell mit Forschungspotenzial geatmeten Luft in das Blut und Kohlendioxid OLIVIER GUENAT, PAULINE ZAMPROGNO wird aus dem Körper freigesetzt. Dieses Phä- ARTORG CENTER FOR BIOMEDICAL ENGINEERING RESEARCH, UNIVERSITÄT BERN, nomen fi ndet in der kleinsten funktionellen SCHWEIZ Einheit der Lunge statt: der Blut-Luft-Schran- ke [1]. Sie besteht aus einer ultradünnen Standard in vitro models fail to reproduce the complex cellular Membran, an der Epithel- und Endothelzellen befestigt sind [2]. Diese Komponenten wer- microenvironment of the human lung, whereas lung animal models den durch die Atembewegung ständig einer poorly predict drug response in humans. A powerful alternative to dreidimensionalen Verformung unterworfen. model various aspects of the air-blood barrier is lung-on-chips using a Der Grad der linearen Dehnung während der thin and porous polymeric membrane. Researchers from the University normalen Atmung in den Lungenbläschen of Bern have developed a new generation lung-on-chip that mimics an schwankt im Schnitt zwischen vier und zwölf array of alveoli based on a biological membrane, on which patient cells Prozent [3]. Aufgrund ihrer Struktur, ihrer komplexen zellulären Zusammensetzung und are cultured, opening new potentials for lung research, drug screening ihrer dynamischen Mikroumgebung lässt and personalized medicine. sich die Lunge in vitro nur schwer nachbilden. DOI: 10.1007/s12268-022-1731-8 Denn eine realistische Nachbildung muss © Die Autorinnen und Autoren 2022 Atembewegungen, den Gasaustausch an der ó Die Lunge ist ein komplexes Organ, des- pers und spielt eine Schlüsselrolle für die ultradünnen Blut-Luft-Schranke sowie die sen Hauptfunktion der Gasaustausch ist. Sie Sauerstoffversorgung des Körpers. Beim extrazelluläre Matrix (ECM), an der die Zellen ist das größte Organ des menschlichen Kör- Atmen diffundiert der Sauerstoff aus der ein- befestigt sind, beinhalten. In den letzten Jahrzehnten wurde in meh- reren Berichten auf die mangelnde Effi zienz der Arzneimittelforschung und die damit ver- bundenen höheren Kosten hingewiesen [4]. Eine der größten Herausforderungen ist die Extrapolation von Stoffwechseldaten aus AB C in vitro- und Tiersystemen auf den Menschen [5]. Zellkulturmodelle und Tiermodelle haben demnach klare Limitierungen, da sie die Wir- kung neuer Arzneimittel auf den Menschen nicht genau voraussagen. Einerseits können in vitro-Standardmodelle die komplexe Archi- tektur und einige der Schlüsselelemente DE menschlicher Organe nicht reproduzieren. Andererseits gelten Tiermodelle aufgrund der Unterschiede zwischen den Spezies als unvollkommener Ersatz für menschliche Modelle, was sich in der schlechten Übertrag- barkeit von Medikamentenwirkungen bei Nagetieren auf die Lunge des Menschen gezeigt hat [6, 7]. Außerdem sind sie zeitauf- wändig, teuer und ethisch fragwürdig. So werden etwa vermehrt Stimmen laut, die ˚ Abb. 1: Herstellung der Kollagen-Elastin-Membran für die Lunge-auf-Chip der zweiten Genera- tion. A, Auf ein dünnes Goldnetz mit hexagonalen Poren von etwa 260 μm wird ein Tropfen alternative Forschungsmethoden fordern. Kollagen-Elastin-Lösung pipettiert und B, bildet dort durch die Oberfl ächenspannung eine dünne Daher besteht ein dringender Bedarf an der Membran, C, die durch Unterdruck gedehnt werden kann. D, Humane Lungen-Alveolarepithel- Entwicklung relevanter Modelle, um die der zellen können darauf zusammen mit Endothelzellen ko-kultiviert und E, gedehnt werden. Pathogenese von Lungenkrankheiten zugrun- Aus: Zamprogno P et al., Common Biol (2021) 4:168, [13]. de liegenden Schlüsselmechanismen zu BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang 153 AB untersuchen und potenzielle therapeutische Ziele zu identifi zieren, die später in persona- lisierte Therapieansätze einfl ießen können. Lungen-auf-Chip als hochkomplexe in vitro-Simulationen der Lunge Ein seit einer Dekade praktizierter Ansatz ist die Lunge-auf-Chip [8, 9, 10]. Diese komple- xen in vitro-Modelle werden insbesondere im ˚ Abb. 2: Eigenschaften von CE-Membranen. A, Durchbiegung von CE-Membranen und B, Bereich der pharmakologischen Forschung die entsprechende lineare Dehnung bei verschiedenen Zusammensetzungen in Abhängigkeit von einem angelegten Vakuum (n=6 für CE-Membran 1:1 und 2:1 und n=4 für CE-Membran 1:3). zur Entdeckung neuer Wirkstoffe eingesetzt Eine 10 μm dünne Poly di methyl siloxan(PDMS)-Membran diente als Referenz (n=6). [11, 12]. Die erste Generation solcher Lun- Aus: Zamprogno P et al., Common Biol (2021) 4:168, [13]. gen-auf-Chip wurde mit einer dünnen, poly- meren und porösen Membran entwickelt. Ein früher, aus Bern stammender Ansatz, war gesundem Lungengewebe. Die stabile Mem- Patienten und primären Lungenendothel- hier ein Lunge-auf-Chip-Array, das die Umge- bran ermöglicht das Simulieren von Atembe- zellen rekonstruiert. Primäre Zellen bieten bung des Lungenparenchyms einschließlich wegungen durch mechanisches Dehnen der im Vergleich zu Zelllinien eine Reihe von Alveolarbarriere und der dreidimensionalen Zellen über einen längeren Zeitraum. Vorteilen, darunter einen Phänotyp, der dem zyklischen Belastung durch Atembewegun- Die Herstellung (Abb. 1) der Lunge-auf- ursprünglichen Gewebe nahekommt, die gen nachahmte [9, 10]. Das Mikro-Diaphrag- Chip der zweiten Generation ist weniger auf- Fähigkeit zur Differenzierung in ein in vivo- ma zur Dehnung der Alveolarbarriere wurde wändig als die von Vorgängermodellen und ähnliches Gewebe und eine größere Spender- dabei dem Zwerchfell nachempfunden, wel- erfolgt in drei Schritten: Zunächst wird auf vielfalt, die die natürliche Vielfalt der ches die Inspiration verantwortet. Das Design ein dünnes Goldnetz aus hexagonalen Poren menschlichen Bevölkerung widerspiegelt. sollte dabei die in vivo-Bedingungen im Lun- von etwa 260 μm ein Tropfen Kollagen-Elas- Die Epithelzellen konnten am Leben erhalten genparenchym bestmöglich reproduzieren. tin-Lösung pipettiert, welche dort durch die werden und bildeten mehrere Tage lang eine Doch mit diesem Schritt waren die Mög- Oberfl ächenspannung eine dünne Membran dichte Barriere an der Luft-Flüssigkeits- lichkeiten einer naturalistischen Lunge-auf- bildet. Im zweiten Schritt kann diese Mem- Grenzfl äche, während sie von dem auf der Chip noch nicht ausgereizt. Denn um die bran auf Alveolarebene gedehnt werden, basolateralen Seite der Membran befi ndli- Wirkstoffforschung effi zient zu unterstützen indem ein negativer Druck auf die basolate- chen Medium genährt wurden (Abb. 3). Die- und eine viable Alternative zu bisherigen rale Seite der Membran ausgeübt wird. ser Befund zeigt, dass die biologische Mem- Forschungsmodellen zu sein, müssen Schließlich ist es möglich, primäre humane bran für Zellnährstoffe porös ist. Es wurden Organs-auf-Chip möglichst nah an die in vivo- Lungen-Alveolarepithelzellen vom Typ I typische Marker für Alveolarepithelzellen Verhältnisse herankommen. Daher folgte (ATI) und Typ II (ATII) in Ko-Kultur mit Lun- beobachtet, während die Barriereeigenschaf- sechs Jahre später die Entwicklung einer genendothelzellen auf der dünnen Kollagen- ten bis zu drei Wochen lang erhalten blieben. Lunge-auf-Chip der zweiten Generation Elastin-Membran zu kultivieren, welche die Besiedlung mit menschlichen Zellen durch das ARTORG OOC-Labor. Dabei wird a) Blut-Luft-Schranke nachbilden [13]. bahnt Weg für personalisierte die polymere (PDMS) Membran durch eine Die erhaltene Membran ist dünn, porös, Medizin rein biologische Membran aus Proteinen der fl exibel und biologisch abbaubar. Sie kann extrazellulären Lungenmatrix ersetzt, b) ein über mehrere Monate sowohl in trockenem Die weiterentwickelte biologische Lunge-auf- Gefüge mehrerer Alveolen in realistischen als auch in feuchtem Zustand aufrechterhal- Chip der zweiten Generation (Abb. 3) repro- Dimensionen erzeugt, anstelle einer bisher ten werden, was eine langfristige Zellkultur duziert einige wichtige Merkmale der Lun- einzelnen großen Oberfl äche, welche ledig- ermöglicht. Darüber hinaus können ihre genalveole in Bezug auf Struktur (Anordnung lich eine Alveole nachahmt, sowie c) eine mechanischen Eigenschaften durch Ände- der Lungenbläschen und Faserstruktur), Membran erzeugt, die sich der natürlichen rung der Zusammensetzung oder des Her- extrazelluläre Matrixzusammensetzung, Bar- Oberfl ächenspannung bedient und daher ein- stellungsverfahrens leicht angepasst werden rierefunktionen und dynamische Mikroum- fach herzustellen ist [13]. [14]. Wird die Kollagenkonzentration verrin- gebung. Sie ermöglicht die Nachbildung gert, wird die Membran weicher, was zu einer Blut-Luft-Schranke, ohne eine künstli- Eine biologisch abbaubare Blut-Luft- einer größeren Durchbiegung und damit zu che Schicht zwischen den Epithel- und den Schranke in Lebensgröße größeren linearen Dehnungen führt (Abb. 2). Endothelzellen – ein wichtiger Aspekt zur Die Lungenbläschen, die wabenförmig auf Die Membran übertrifft PDMS (die Lunge- Untersuchung veränderter Blut-Luft-Schran- dem Chip angeordnet sind, haben etwa auf-Chip der ersten Generation) in vielerlei ke bei Lungenerkrankungen wie der idiopa- lebensgroße Dimensionen. Das System Hinsicht: Sie absorbiert kein Rhodamin-B, ist thischen Lungenfibrose (IPF) oder der besteht aus einer dünnen, dehnbaren Mem- biologisch abbaubar, ahmt die extrazelluläre chronisch-ob struktiven Lungenerkrankung bran, die erstmals aus natürlichen Lungen- Matrix der Lunge nach und lässt sich mit (COPD). molekülen – Kollagen und Elastin – herge- einer einfachen Methode herstellen. Die Membran reproduziert wichtige stellt ist. Die Auswahl dieser beiden Proteine In einem Studienaufbau [13] wurde die Aspekte der extrazellulären Lungenmatrix, erfolgte aufgrund ihrer komplementären Blut-Luft-Schranke mit primären Lungen- also dem Gewebeanteil, der zwischen den Rolle für das biomechanische Verhalten von Alveolarepithelzellen von Patientinnen und Zellen liegt, und eröffnet den Weg zur Nach- BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang 154 WISSENSCHAFT · SPECIAL: MOLEKUL ARE MEDIZIN Organs-on-Chip Technologies Lab Die spezialisierte Gruppe des ARTORG menarbeit mit dem Start-up AlveoliX weiter- Center for Biomedical Engineering Research entwickelt, mit dem Ziel, die präklinische der Universität Bern entwickelt in Zusam- Forschung zu revolutionieren. Die zweite menarbeit mit den Universitätskliniken für Generation wird im Rahmen eines vom Pneumologie und Thoraxchirurgie des Insel- 3RCC Kompetenzzentrum Schweiz geför- spitals Organe-auf-Chip mit dem Schwer- derten Forschungsprojekts fortentwickelt, punkt Lunge und deren Erkrankungen. Die um den fi briotischen Prozess bei idiopathi- Gruppe kombiniert Ingenieurwissenschaf- scher Lungenfi brose besser zu verstehen ten, Zellbiologie, Materialwissenschaften und potenzielle Wirkstoffkandidaten zur und Medizin. Ihre erste Entwicklung einer therapeutischen Eindämmung der Erkran- atmenden Lunge-auf-Chip wird in Zusam- kung zu testen. ˚ Abb. 3: Eingefärbte primäre Lungen- ziplinären Forschungsarbeit zwischen Medi- [10] Stucki JD, Hobi N, Galimov A et al. (2018) Medium Alveolarepithelzellen von Patienten, die auf throughput breathing human primary cell alveolus-on- chip zintechnik, Zellbiologie und Medizin mög- model. Sci Rep 8: 1–13 einer Lunge-auf-Chip der zweiten Generation lich. Das ARTORG Center dankt seinen klini- [11] Clapp N, Amour A, Rowan WC, Candarlioglu PL (2021) kultiviert wurden. Skala: hexagonalen Poren: Organ-on-chip applications in drug discovery: an end user schen Partnern am Inselspital, Universitäts- ca. 260 μm. Aus: Zamprogno P et al., perspective, Biochemical Society Transactions 49: 1881–1890 Common Biol (2021) 4:168, [13]. spital Bern sowie dem Helmholtz-Zentrum [12] Vulto P, Joore J (2021) Adoption of organ-on-chip plat- forms by the pharmaceutical industry. Nat Rev Drug (Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Discov 20: 961–962 bildung biologischer Barrieren auf einem Forschung Saarland, HIPS) und dem Herz- [13] Zamprogno P, Wüthrich S, Achenbach S et al. (2021) Second-generation lung-on-a-chip with an array of stretchable neuen Komplexitätsniveau. Neben der Blut- zentrum Völklingen. ó alveoli made with a biological membrane. Commun Biol 4: Luft-Schranke kann die Membran verschie- 168 [14] Zamprogno P, Thoma G, Cencen V et al. (2021) dene in vitro-Barrieren nachbilden. Die Modi- Mechanical properties of soft biological membranes for Literatur fizierung der Membransteifheit durch organ-on-a-chip assessed by bulge test and AFM. ACS Biomater Sci Eng 7: 2990–2997 [1] Knudsen L, Ochs M (2018) The micromechanics of lung Abstimmung der Hydrogelzusammenset- alveoli : structure and function of surfactant and tissue com- Funding note: Open Access funding enabled and organized by University of zung, der Proteinkonzentration und des Her- ponents. Histochem. Cell Biol 150: 661–676 Bern. [2] Weibel ER (2015) On the tricks alveolar epithelial cells Open Access: Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung stellungsverfahrens ermöglicht es, die 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, play to make a good lung. Am J Respir Crit Care Med 191: Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format mechanischen Eigenschaften der extrazellu- 504–513 erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle [3] Roan E, Waters CM (2011) What do we know about ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und lären Matrix einer Vielzahl von Geweben zu angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die in diesem Artikel mechanical strain in lung alveoli? Am J Physiol – Lung Cell enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der reproduzieren. Mol Physiol 301: 625–635 genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende [4] Scannell JW, Blanckley A, Boldon H, Warrington B (2012) nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der Durch die Besiedlung der Lunge-auf-Chip genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht Diagnosing the decline in pharmaceutical R&D effi ciency. Nat nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten der zweiten Generation mit primären Alveo- Publ Gr 11: 191–200 Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen [5] Barnes PJ, Bonini S, Seeger W et al. (2012) Barriers to Rechteinhabers einzuholen. Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der larepithelzellen von Patienten eröffnen sich Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de. new drug development in respiratory diseas. Eur Respir J 45: zudem neue Möglichkeiten der personalisier- 1197–1207 Korrespondenzadresse: [6] Pound P, Ritskes-Hoitinga M (2018) Is it possible to over- ten Medizin. Das System kann sowohl gesun- Prof. Dr. Olivier Guenat come issues of external validity in preclinical animal de Lungenbläschenzellen als auch Zellen von Leiter Organs-on-Chip Technologies (OOC) research? Why most animal models are bound to fail. J Transl Med 16: 304 ARTORG Center for Biomedical Engineering Erkrankten kultivieren und erlaubt es, diese [7] Carrington R, Jordan S, Pitchford SC, Page CP (2018) Use Research in ihrer natürlichen Umgebung zu studieren. of animal models in IPF research. Pulm Pharmacol Ther 51 Universität Bern :73–78 Dies trägt zu einem klinisch verbesserten Ver- Murtenstraße 50 [8] Huh D, Matthews BD, Mammoto A et al. (2010) CH-3008 Bern ständnis der Lungenphysiologie im Gesund- Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science olivier.guenat@unibe.ch 328: 1662–1668 heits- sowie im Krankheitszustand bei. Zudem www.artorg.unibe.ch/research/ooc/research/ [9] Stucki AO Stucki JD, Hall SRR et al. (2015) A lung-on-a- kann das biologische Modell ein wertvolles lung_on_chip chip array with an integrated bio-inspired respiration mecha- nism. Lab Chip 15: 1302–1310 www.alveolix.com Werkzeug für das Screening neuer Wirkstoffe im Sinne einer Präzisionsmedizin werden, da hier direkt die Reaktion der menschlichen AUTORINNEN UND AUTOREN Lunge auf Pathologien und Therapieansätze Olivier T. Guenat erforscht werden kann. Langfristig haben sol- 1994–2000 Studium Elektrotechnik und Physik am Institut für Mikrotechnik (heute Teil EPFL), Universität Neuchâtel, Schweiz inkl. Doktorat. 2005–2006 Postdoktorat che Ansätze das Potenzial, Tierversuche in der Harvard Medical School, MA, USA. 2006–2009 Assistant Professor Ecole Polytech- pneumologischen Grundlagen- und Translati- nique Montréal, Kanada. Seit 2015 Professor an der Universität Bern. Seit 2010 Lei- onsforschung zu reduzieren. Gleichzeitig bie- ter der Forschungsgruppe Organs-on-Chip Technologies (OOC) des ARTORG Center. 2015 Gründung des Start-Ups AlveoliX. ten sie patientenrelevantere Ergebnisse in der Wirkstoffforschung, mit der Möglichkeit, die- se sogar für einzelne Patientinnen und Patien- Pauline Zamprogno ten maßzuschneidern, also genau die Therapie Biomedizinische Ingenieurin mit Abschluss an der Telecom Physique Strasbourg, zu identifi zieren, die diesem Patienten am Frankreich. Mitarbeiterin bei MIMETAS und ab 2016 bei der OOC-Gruppe des ARTORG besten hilft. Center. Seit 2016 Forschung im OOC-Labor zu hochentwickelten in vitro-Modellen zur Nachahmung der menschlichen Lunge und ihrer Funktionen. 2021 Promotion zur Lunge-auf-Chip der zweiten Generation des ARTORG Center. Danksagung Die Entwicklung eines naturgetreuen in vitro- Lungenmodells ist nur durch enge interdis- BIOspektrum | 02.22 | 28. Jahrgang

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BIOspektrum – Springer Journals

Published: Mar 1, 2022

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