Nikolaidis organ on a chip final

Organ on a chip
Νικολαΐδης Δημήτριος 2019/241 .
Εργασία στο μάθημα: Βιοατρική τεχνολογία .
Θεσσαλονίκη- Οκτώβριος 2020

Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών Συστημάτων.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
2
 Mε τον όρο organ-on-a-chip (OOC) εννοούμε μια διάταξη από δίαυλους μέσα στους
οποίους ρέει κυτταρικό υγρό .
 Η διάταξη αυτή προσομοιάζει την λειτουργία , τους μηχανισμούς καθώς την
αντίδραση ενός ανθρώπινου οργάνου η μέρος αυτού.
 Σκοπός της δημιουργίας του OοC δεν είναι η κατασκευή ενός τεχνητού οργάνου π.χ
πνεύμονα με σκοπό την αντικατάσταση του αλλα η δημιουργία ενός μοντέλου για την
ακριβέστερη κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών της φυσιολογίας του οργάνου
και την αντίδραση του σε διάφορες εξωτερικές διεγέρσεις π.χ φαρμακευτικές ουσίες
, τοξίνες , περιβαντολογικές συνθήκες .
Γενική περιγραφή

Ειδη των Organ on a Chip ( OoC)
3
Συκώτι Έντερο Πνεύμονας Καρδιά Οστά
Ανάλογα με το όργανο που προσομοιώνεται έχουμε διαφορετική διάταξη και γεωμετρία
των διαύλων καθώς και των διαφορετικότητα στην δομή των τεχνητών ιστών.

Evatar .The Micro-mother
4
 Aποτελείται από συνδυασμό τεχνητής «ωοθήκης» , «σάλπιγγας», «μήτρας»
,τράχηλου και συκωτιού .
 Παράγει και ανταποκρίνεται στις ορμόνες και εχει φυσιολογικό κύκλο ορμονών
28 ημερών. [1]
Το γυναικείο αναπαραγωγικό σύστημα σε ΟοC

Human on a chip
5
Συνδυασμός των επιμέρους οργάνων για τη δημιουργία ενός Human on a chip.

6
 Το 80% των υποψήφιων φαρμάκων αποτυγχάνουν στις κλινικές δοκιμές. Το 60%
αποτυχαίνουν λόγω της αναποτελεσματικότητας ενώ το 30% λόγω της
τοξικότητας τους .
Αυτό εχει σαν συνέπεια :
 Το κόστος ενός νέου φαρμάκου να είναι μεγαλύτερο από 2,5 εκατομμύρια $ και
συνεχώς να αυξάνεται [2] .
 Ο μέσος χρόνος για να δοθεί ένα φάρμακο στην αγορά είναι 10 χρονιά (CoviD ?)
Αριθμός των φαρμάκων που κατασκευάζονται με 1 εκατομμύριο δολάρια στην διάρκεια των τελευταίων 60 ετων
Αναγκαιότητα για διαφορετικούς τρόπους δοκιμών

In vivo test
7
Ο Ανθρώπινος οργανισμός είναι διαφορετικός από αυτών των ζώων με
αποτελεσμα το φαινόμενο ενώ πολλά φάρμακα πιστοποιήθηκαν από in vivo
ελέγχους να αποτύχουν στην συνέχεια στα κλινικά τεστ. [5]
.
Ο καρδιακός παλμός του ποντικού , ενός OοC και ενός ανθρώπου. [3] .

In vitro test
8
Η καλλιέργεια κυττάρων σε τριβλια (2D) δεν δίνει αξιόπιστα αποτελεσματα διότι δεν
λαμβάνει χώρα στις πραγματικές δυναμικές συνθήκες που επικρατούν στο
εσωτερικού ενός ανθρώπινου οργανισμού. [5]

ΜΙΚΡΟΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ –MICROFLUIDICS 1
 Η ροή των κυτταρικών υγρών μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και ειδικότερα μέσα σε
ορισμένα όργανα όπως τα αγγεία και οι πνεύμονες δεν υπακούει στους κανόνες της
ρευστομηχανικης που ισχύουν σε ένα κοινό υδραυλικό δίκτυο .Ο όγκος του υγρού είναι
μικρός σε σχέση με τις διαστάσεις του διαύλου με αποτελεσμα η συμπεριφορά του να
αλλάζει . Π.χ δεν υπάρχει τυρβώδεις ροή και τα τριχοειδές φαινόμενο είναι ποιο έντονο .
 Κατά την υλοποίηση του OoC είναι υποχρεωτικό οι διαστάσεις των τεχνητών διαύλων να
είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με αυτών των ανθρώπινων και άρα θα πρέπει να
λαμβάνονται υπόψιν οι κανόνες και οι ιδιαιτερότητες της μικρορευστομηχανικής [6] .
9
Διάταξη ΟοC με κανάλι διαμέτρου 15 μm .

ΜΙΚΡΟΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ –MICROFLUIDICS 2
Να υπενθυμίσουμε ότι μηχανισμοί της μικρορευστομηχανικής λαμβάνουν χωρά και στην
κατασκευή του ΟοC.
 Στην διαδικασία κατασκευής των μικροσκοπικών δίαυλων πάνω στην ψηφίδα .
 Στην εκτύπωση των αισθητήρων πίεσης με αγώγιμη μελάνι .
 Στην κατασκευή του πλέγματος για στην κατασκευή των τεχνητών ιστών .
 Στην παροχέτευση των διάφορων ουσιών στα κανάλια.
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ. 10
Μελέτη αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών με την βοήθεια της μικρορευστομηχανικής [4]

11
Μodular instruments - Έλεγχος ροής
2.3.1 Περισταλτικές αντλίες .
ISMATEC IPC Low-Speed Digital Peristaltic Pump
 Ενδεικτικές τιμές ρυθμιζόμενης ροής: 0.4 µL/min μέχρι 44 mL/min.
 Mεχρι 24 ξεχωριστά ρυθμιζόμενα κανάλια .
 Ενδεικτική τιμή 6500 E .
 Μειονέκτημα των αντλιών αυτού του είδους είναι ότι τα κύτταρα καταστρέφονται
όταν περνάν μέσα από τον μηχανισμό προώθησης [7] .
Μηχανισμός προώθησης

12
Μodular instruments - Έλεγχος ροής .
2.3.2 Αντλίες Πίεσης.
 Στις συσκευές αυτές ο έλεγχος ροής γίνεται μέσω του ελέγχου της πίεσης. Ένας
αισθητήρας Ροής διαβάζει την ελεγχόμενη ροή και δίνει σήμα ελέγχου feedback μέσω
PID ανάδρασης ώστε σταθεροποιήσει την ροή στις επιθυμητές τιμές .
 Η συσκευη εχει πολύ μεγάλη σταθερότητα εξόδου λόγω της διαδικασίας κλειστού
βρόγχου P.I.D .
 Η συσκευη συνοδεύεται από λογισμικό μέσω του οποίου ελέγχεται και τα δεδομένα
μπορούν ν καταγράφουν για μελλοντική επεξεργασία .
OB1 Flow Controller Performance Pack
Σύνδεση αισθητήρα ανάδρασης

Μodular instruments - Έλεγχος ροής .
2.3.3 Αντλίες σύριγγας.
New Era SyringeONE Programmable Syringe Pump.
 Η έκδοση Microfluidics επιτρέπει την παροχέτευση υγρού μέχρι και 8 pL/h.
 Ενδεικτική τιμή 1500 E [7] .

Αισθητήρες - 2.4.1 Αισθητήρας ροής Coriolis.
14
 Ο αισθητήρας αυτός βασίζεται στην αρχη Coriolis .
 Δίνει μετρήσεις σε ένα μεγάλο εύρος τιμών : μεταξύ 1.6 µL/min και 500 mL/min .
 Η απόκριση του είναι ανεξάρτητη από τον είδος του υγρού που ρεει .
 Η ακρίβεια του είναι της τάξης 0,2% or 2%.

Αισθητήρες
2.4.2 Θερμικός αισθητήρας ροής
 Μικρό εύρος λειτουργιας +,- 1.5 μL/min .
 Επαναληψιμότητα 0.9 nL/min , Ακρίβεια 0.7 nL/min.
 O αισθητήρας δεν επηρεάζει την ροή του υγρού ( contactless ).
 Κόστος 1500 E .
Aρχη λειτουργιας .
Ψηφιακός αμφίδρομος αισθητήρας LVF-MFS-D-1. [7]

Αισθητήρες
2.4.3 Αισθητήρας πίεσης δυναμοκυψέλης
Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής και Ηλεκτρονικών
Συστημάτων. ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ.
16
MFP Microfluidic Pressure Sensor LVF-MFP [7]
 Αναλογικός αισθητήρας διαφορικής πίεσης , τάση εξόδου 1600mbar/ Volt
 Ακρίβεια 2 %.
 Εύρος λειτουργιας 0 – 16 bar / overload 25 bar.
 Κόστος 1300 E .

2.5 Παγίδες φυσαλίδων.
LVF-KBT-S Bubble Trap [7]
Οι φυσαλίδες προκαλούν :
 Καταστροφή των δειγμάτων .
 Δυσλειτουργία αισθητήρων .
 Δημιουργία έκκεντρων δυνάμεων .
Χαρακτηριστικά λειτουργιας
 Πίεση λειτουργιας 2 bar.
 Κόστος 150 Ε .
 Χωρητικότητα 44 μL.
Aρχη λειτουργιας .

Heart on Chip 1
3.1 Γενική περιγραφή της καρδιακής λειτουργιας
18
 H καρδιά είναι μια αντλία η οποία εχει ιδιαίτερά ηλεκτρικά και μηχανικά
χαρακτηριστικά, καθώς μεταφέρει το αίμα σε όλο το σώμα .
 Ένας στους 3 θανάτους αποδίδεται σε στεφανιαία νόσο η εγκεφαλικό.
 Τα μισά φάρμακα αποσύρονται από την αγορά λόγω των καρδιακών
δυσλειτουργιών και μυϊκών βλαβών που προκαλούν .

Heart on Chip 2
3.2 Μέθοδος κατασκευής ανθρώπινων καρδιακών ιστών 3-D
19
 Αρχικά εκτυπώνεται ένα πλέγμα από πορώδες κ συμπαγές βιουλικό (PDMS). ( Εικόνα 1).
Μέσα στο πλέγμα εισάγονται κύτταρα από καρδιακούς μυς αρουραίων μαζί με
ανθρωπινά βλαστοκυτταρα. Τα κύτταρα ανταλλάσσουν σήματα μεταξύ τους.
 Τα διαφοροποιημένα καρδιακά κύτταρα θα δώσουν στα ανθρώπινα βλαστοκυτταρα
την κατάλληλη πληροφορία ετσι ώστε να διαφοροποιηθούν σε καρδιακά με συνέπεια
την δημιουργία του τεχνητού καρδιακού ιστού . [11]
Εικόνα 1
Διαδικασία υλοποίησής ανθρωπίνων τεχνητών ιστών χρησιμοποιώντας αρχές της
βιοεκτύπωσης και της ιστομηχανικής .

Heart on Chip 3
3D Printed Heart-on-a-Chip Wyss Institute and Harvard
20
 Η πρώτη εξολοκλήρου 3-D βιοεκτυπομένη heart on a chip HoC [8] .
 Η διαδικασία υλοποίησης είναι πλήρως αυτοματοποιημένη δίνοντας την δυνατότητα για
κατασκευή πολλών τέτοιων διατάξεων και άρα δίνεται η δημιουργία πολλών
παράλληλων τεστ.
 Χρησιμοποιούνται 6 διαφορετικά εξειδικευμένα βιομελανια.

21
«Καρδιακοί» παλμοί τεχνητού ιστού από ΗοC [8]
Πραγματικοί παλμοί ανθρώπινης καρδιάς .
 Ενσωματωμένοι αισθητήρες μετρούν την συσταλτικότητα των «τεχνητών μυών»
αντιπαραβολή με πραγματικές μετρήσεις από το ανθρώπινο μυοκάρδιο .
 Συγκρίνοντας τα 3 βασικά χαρακτηριστικά του βιοσήματος συχνότητα , ύψος
παλμού και συγχρονισμό μπορούμε να πούμε ότι η προσομοίωση είναι αρκετά
ακριβής .
 Επιπρόσθετα μπορούμε να ερευνήσουμε και να μελετήσουμε την κίνηση
σύσπασης με οπτική κάμερα παίρνοντας πληροφορίες για την φυσιολογία και από
την μηχανική συμπεριφορά των καρδιακών μυών .
Heart on Chip 4

Heart on Chip 5
Heart on a chip κατασκευασμένο στο πανεπιστήμιο του Τορόντο
Ο τεχνητός αυτός καρδιακός αναφέρεται ως (μECTs)
 Βασική κατασκευαστική αρχη είναι ένας αρχικός δίαυλος μέσα στον οποίο
τοποθετείτε το βιουλικο το οποίο χρησιμοποιείτε σαν κλωβός για την
κυτταροκαλλιέργεια πολυδυνάμων ανθρωπίνων βλαστοκυτταρων
 στο δίαυλο αυτό κυκλοφορεί με την βοήθεια της αντλίας εξωκυττάρια θεμέλιας
ουσίας DMEM η οποία περιέχει τα βασικά θρεπτικά συστατικά
συμπεριλαμβανομένου οργανικών και ανόργανων ενώσεων διαλυμένων σε ρυθμιστικό
διάλυμα μαζί με κολλαγόνο τύπου Ι

 Ερευνες εδειξαν ότι οι τεχνητοί αυτοί ιστοί αντιδρούν σε ουσίες όπως η
ισοπρεναλινη ( φάρμακο κατά της βραδυκαρδίας ) ακριβώς με τον ίδιο τρόπο .Ετσι οι
καρδιακοί ρυθμοί μειώνονται και αντίστοιχα αυξάνονται όταν γίνεται έγχυση
δοξορουβικίνης . [9]
 Τα αποτελεσματα αυτά δίνουν ελπιδοφόρα αποτελεσματα για αντικατάσταση των
μέχρι πρότινος αναξιόπιστων in vitro και in vino ελέγχων τόσο στο βασικό στάδιο της
ερευνας οσο και στο προ κλινικό έλεγχο .
Heart on a chip
Heart on Chip 6 - Φαρμακοαντιδραση

Συμπερασματα - Πλεονεκτήματα των ΟοC
 Οι μετρήσεις και οι έλεγχοι γίνονται σε πραγματικό χρόνο και σε πραγματικές δυναμικές
συνθήκες .
 Μπορείς να ρυθμίσεις τις ροές των κυτταρικών υγρών καθώς και άλλες παραμέτρους
όπως ph , πίεση , θερμοκρασία , θρεπτικά συστατικά.
 Μελετάται οι αλληλοεπιδράσεις μεταξυ των παθογόνων και υγιών κυττάρων καθώς και
τους μηχανισμούς των ιών και βακτηρίων .
 Μελετάται η αντίδραση ενός οργάνου σε μια φαρμακευτική ουσία αλλα και εκδοχο της
χωρίς κίνδυνο ειδικά σε φάρμακα με επικίνδυνες παρενέργειάς .
 Μελετάται η τοξικότητα φαρμάκων αλλα και καλλυντικών .
 Στην περίπτωση των καρδιακών ιστών μελετάται η λειτουργία της όχι μονο μέσω
ηλεκτρικών μετρήσεων και άμεσα οπτικά δίνοντας στοιχεία για την μηχανική τους .
 Δίνεται η δυνατότητα πολλών παράλληλων test σε δυναμικές συνθήκες .

Συμπερασματα - Μειονεκτήματά των ΟοC.
 Ορισμένες λειτουργίες των οργάνων όπως η συναισθηματική κατάσταση του
εγκέφαλου , οι μηχανικές φορτίσεις των οστών και των τενόντων δεν μπορούν να
μοντελοποιηθουν.
 Η τεχνική ΟοC απαιτεί εξειδικευμένα και ακριβά όργανα μικρορευστομηχανικής .
 Υπάρχει κίνδυνος μικροβιακής λοίμωξης .
 Είναι δύσκολο να μοντελοποιηθουν οι χρόνιες ασθένειες και τα αυτοανοσα
νοσήματα .

[1] Evatar: The Mother of Micro Humans https://www.woodrufflab.org/Evatar%20MPS
[2] Drug discovery and development: Role of basic biological research https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5725284/
2017 Nov drug discovery
[3] https://www.youtube.com/watch?v=YRdGDpEYqbA - Your heart on a chip? | Berend van Meer | TEDxUniversiteitVanAmsterdam
[4] Protein Interaction Studies Using Microfluidics https://www.news-medical.net/life-sciences/Protein-Interaction-Studies-Using-
Microfluidics.aspx
[5] Organ-on-a-chip 1st Edition Engineered Microenvironments for Safety and Efficacy Testing Editors: Julia Hoeng David Bovard
Manuel Peitsch November 2019
[6] https://www.slideshare.net/rajanarora32/an-overview-of-microfluidics?qid=8d345d68-f523-443e-9d11-
68013282cd5f&v=&b=&from_search=1
[7] https://darwin-microfluidics.com/
[8] https://wyss.harvard.edu/media-post/3d-printed-heart-on-a-chip/.
[9] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135045331930205X A heart-on-a-chip platform for online monitoring of
contractile behavior via digital image processing and piezoelectric sensing technique January 2020 κινεζοι hoc construction
[10] Scientists Develop "Heart on a chip - https://www.youtube.com/watch?v=pQpIzhLrQ4A
[11] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/lc/c5lc01356a#!divAbstract .
Βιβλιογραφία- Αναφορές

Q&A
ΝΙΚΟΛΑΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ
27

EYΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ
28

Nikolaidis organ on a chip final

Recommended

Recommended

More Related Content

More from Dimitrios Nikolaidis

More from Dimitrios Nikolaidis (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (9)

Nikolaidis organ on a chip final