Ronde 2012 Module Proefdiervrije Technieken:
Het doel van het project was om, voor het eerst, een “humaan immuuncompetent huid-op-chip” te ontwikkelen wat het mogelijk moet maken om in vitro onderzoek uit te voeren naar interacties specifiek tussen immuun cellen en de huid onder omstandigheden die de in vivo omgeving van huid
nabootsen. Huid-op-chip heeft de potentie om dierproeven te vervangen in toxicologische testen en onderzoek naar huidkanker (en andere ziektes) waarin interacties tussen immuun systeem en huid plaats vinden.
Huidige in vitro modellen zijn in het algemeen te simpel: de cellen gedragen zich niet als cellen aanwezig in complexe humane multi-cellulaire organen, doordat verschillende factoren niet in acht worden genomen: wisselende zuurstof en voedingsstoffen niveaus, de mogelijkheid om cellulaire afvalstoffen te verwijderen en interacties met nabije en circulerende immuun cellen. Om deze reden worden veel diermodel systemen gebruikt om toxicologie van stoffen die in contact met huid komen te bestuderen en om pathofysiologie van humane huidziektes te bestuderen, wat zal leiden tot het identificeren van nieuwe biomarkers, doelwitten voor medicijnen en uiteindelijk tot nieuwe geneesmiddelen. Diermodellen hebben beperkingen, in het bijzonder met betrekking tot interacties met het immuunsysteem, welke sterk verschilt tussen dieren en mensen. Het ontwikkelen van een humaan “orgaan-op-chip” was in de KNAW “Wetenschapsagenda” geïdentificeerd als een aanpak waarbij Nederland een sterke positie heeft om bij te dragen aan de 3V’s (Verminderen, Verfijnen, Vervangen) met als doel om dierproeven te verminderen.
Philips Research ontwikkelde een poreus polydimethylsiloxane (PDMS) membraan, waarop een basis huidmodel gekweekt was. Het PDMS membraan scheidde twee compartimenten: een erboven die de buitenlucht nabootste (20% zuurstof, lage luchtvochtigheid, 10-20 oC), en een eronder die de
bloedsomloop nabootste (immuun T-cellen voedingsstoffen, afvalstoffen, 5% zuurstof, 37 oC). Door het membraan met gekweekt huidmodel te integreren in een houder en microfluidisch apparaatje (ontwikkeld met Micronit en Fluigent) was het mogelijk om de lucht en vloeistof compositie onafhankelijk te controleren en monitoren in de twee compartimenten. Circulerende immuun cellen in het microfluidisch apparaatje konden afgebeeld worden met een lensloze microscoop ontwikkelde door Optics11, een VUmc spin-off.
VUmc ontwikkelde het immuun competente huid model. Een gereconstrueerde epidermis (inclusief Langerhans cellen) op een hydrogel welke fibroblast cellen bevatte was speciaal ontwikkeld om te integreren met het PDMS membraan in de chip. Om de bloedvatwand na te bootsen werd een laag endotheelcellen gegroeid op de onderzijde van het PDMS membraan, wat de huid scheidde van de voedingsstoffen in de microfluidica. Het uitscheiden van proteïnen die een rol spelen bij het aantrekken van immuun cellen naar de huid, werd bepaald in de aan- en afwezigheid van de bloedvatwand om te onderscheiden wat de bijdragen zijn van bloedvatwand cellen en huidcellen. In een pilot experiment werden perifere-bloed afgeleide immuun cellen gecirculeerd door de microfluidica, waarbij de verschillende cel typen onderscheiden konden worden met een real-time lensloze microscoop.
Gedurende het project werd een prototype “huid-op-chip” ontwikkeld. In een proof-of-concept studie werd een gereconstrueerde huid equivalent 1 week in leven gehouden met een luchtstroom aan de bovenzijde en een vloeistofstroom aan de onderzijde om zodoende de menselijke toestand na te bootsen. Echter, voordat het model volledig geïmplementeerd kan worden, zal het verder ontwikkeld moeten worden om reproduceerbaarheid, stabiele kweekomstandigheden en bubbel-vrije stroming te realiseren. Dit wordt momenteel in vervolgprojecten verder onderzocht.