iPSC-derived hepatocytes in 3D liver-on-a-chip models
Jokela, Jani (2020)
Jokela, Jani
2020
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-06-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005135283
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005135283
Tiivistelmä
Tiettyjen biologisten ympäristöjen, mallien tai järjestelmien ymmärtämistä sekä jäljittelyä käytetään hyväksi monilla tekniikan aloilla. Moniin ihmiskunnan ongelmiin on jo olemassa luonnosta johdettu ratkaisu evoluution ja sopeutumisen kautta. Luontoa jäljittelemällä pyritään luomaan luonnolliset kasvuolosuhteet. Lääketieteessä on elintärkeää pystyä luomaan luonnollinen vaste ja välttämään haitallisia sivuvaikutuksia, kun suunnitellaan mitä tahansa lääketieteellistä työkalua, lääkettä tai hoitoa.
Kolmiulotteisen soluviljelyn kehityksen ansiosta, elinkelpoisten soluviljelyalustojen määrä on kasvanut. Toimivan kasvualustan ylläpitäminen edellyttää rajoittamatonta solujen kasvamista kaikkiin mahdollisiin suuntiin sekä tarvittavien ravintoaineiden, kaasupitoisuuksien ja stimulaatioiden vastaanottamista. Organ-on-a-chip luo in vivo-ympäristön elinkohtaisille soluille laboratorio-olosuhteissa käyttämällä mikrokanavia, bioyhteensopivia hydrogeelejä ja biomateriaaleja. Yhdistämällä useampia organ-on-a-chip-systeemejä samaan järjestelmään, muodostetaan multi-organs-on-a-chip- tai jopa body-on-a-chip-järjestelmiä. Nämä systeemit jäljittelevät koko ihmiskehoa ja vuorovaikutuksia useiden elinten kesken sen sijaan, että ne jäljittelisivät vain yhtä elintä.
Maksa on monimutkainen ja välttämätön elin, jolla on kyky uusiutua itsestään. Maksasolututkimus on huomattavan tärkeää, sillä maksan kyky lääkeaineenvaihduntaan tekee siitä yhden tärkeimmistä elimistä lääkkeiden valmistuksessa. Monia lääkkeitä on poistettu markkinoilta niiden aiheuttamien maksavaurioiden vuoksi. Maksasoluviljelmät tuottavat tietoa maksan toiminnasta ja rakenteesta. Suurimmat ongelmat kaksiulotteisessa hepatosyyttien viljelyssä ovat solujen toiminnallisuuden nopea heikkeneminen sekä toiminnallisten solujen saannin väheneminen. Indusoitujen pluripotenttien kantasolujen (iPS-solut) tuottaminen ja erilaistaminen maksasoluiksi voi viedä viikkoja, korostaen tarvetta ylläpitää solujen toiminnallisuutta. Muita iPS-solujen käytön etuja ovat niiden suurempi tarjonta sekä parempi tarkkuus lääkkeiden aiheuttamiin maksavaurioihin verrattuna primaarisiin ihmisen hepatosyytteihin.
Tämä opinnäytetyö tutkii perusteellisesti kolmea liver-on-a-chip-järjestelmää kolmessa eri osassa. Opinnäytetyö painottuu järjestelmien toiminnallisuuteen, materiaaleihin sekä suunnitteluun. Opinnäytetyössä käydään läpi mitkä ovat toimivan liver-on-a-chip-järjestelmän tärkeimmät piirteet. Opinnäytetyö ei anna lukijalle vaiheittaista ohjetta toimivan liver-on-a-chip-järjestelmän rakentamiseen. Nämä chipit valittiin niiden erilaisten rakenteiden, mallien ja toimintojen perusteella. Tutkimuksessa käytiin läpi sekä hepatosyyttien että 3D-biotulostuksen perusominaisuuksia ja uusimpia tutkimustuloksia hepatosyttien 3D-tulostukseen liittyen. Understanding and imitating a certain biological environment, model or system is used in numerous engineering fields. Many problems facing humankind already have a naturally derived solution through evolution and adaptation. Mimicking nature is used to create identical natural atmospheres and functions. In medicine, it is vital to be able to generate a natural response and avoid any harmful side effects, when designing any medical tool, drug or treatment.
Due to the developments in three-dimensional cell culture, the number of viable cell culturing platforms has increased. Maintaining a functional platform requires the possibility for cells to grow freely in all directions and receive necessary nutrients, gasses concentrations and stimulations. Organ-on-a-chip creates an in vivo environment in a laboratory for organ specific cells using pumps, microchannels, biocompatible hydrogels and biomaterials. Applying other organ-on-a-chips into the same system, creates a multi-organs-on-a-chip or even a body-on-a-chip system. These chips mimic the whole human body and interactions between other organs, instead of mimicking just a single organ.
Liver is a complex and vital organ with the ability to regenerate itself. The demand for liver cell research is substantial because of liver’s capacity for drug metabolism. Many drugs have gotten withdrawn from the market due to drug related liver injuries. Liver culture systems provide specific information on liver function and structure. The main issue with 2D hepatocyte culturing is the rapid decline in cell functionality and decrease in yield of functional cells. iPSC generation and differentiation into hepatocytes can take weeks, emphasizing the need for improvement in upkeeping cell functionality. Other benefits for using iPSCs is their greater supply and better sensitivity towards drug induced liver injuries compared to primary human hepatocytes.
This thesis studies three liver-on-a-chip systems in depth and is divided into three parts, with the main emphasis on discussing the three chip systems, hydrogel materials and designs. This thesis examines the main aspects required for a functional liver-on-a-chip but doesn’t give the reader a step-by-step tutorial on how to construct a functioning chip. These chips were selected due to their different structure, design and functions, while still being verifiably functioning. Basic characteristics and 3D bioprinting production methods as well as current research done on 3D bioprinting of hepatocytes were also examined.
Kolmiulotteisen soluviljelyn kehityksen ansiosta, elinkelpoisten soluviljelyalustojen määrä on kasvanut. Toimivan kasvualustan ylläpitäminen edellyttää rajoittamatonta solujen kasvamista kaikkiin mahdollisiin suuntiin sekä tarvittavien ravintoaineiden, kaasupitoisuuksien ja stimulaatioiden vastaanottamista. Organ-on-a-chip luo in vivo-ympäristön elinkohtaisille soluille laboratorio-olosuhteissa käyttämällä mikrokanavia, bioyhteensopivia hydrogeelejä ja biomateriaaleja. Yhdistämällä useampia organ-on-a-chip-systeemejä samaan järjestelmään, muodostetaan multi-organs-on-a-chip- tai jopa body-on-a-chip-järjestelmiä. Nämä systeemit jäljittelevät koko ihmiskehoa ja vuorovaikutuksia useiden elinten kesken sen sijaan, että ne jäljittelisivät vain yhtä elintä.
Maksa on monimutkainen ja välttämätön elin, jolla on kyky uusiutua itsestään. Maksasolututkimus on huomattavan tärkeää, sillä maksan kyky lääkeaineenvaihduntaan tekee siitä yhden tärkeimmistä elimistä lääkkeiden valmistuksessa. Monia lääkkeitä on poistettu markkinoilta niiden aiheuttamien maksavaurioiden vuoksi. Maksasoluviljelmät tuottavat tietoa maksan toiminnasta ja rakenteesta. Suurimmat ongelmat kaksiulotteisessa hepatosyyttien viljelyssä ovat solujen toiminnallisuuden nopea heikkeneminen sekä toiminnallisten solujen saannin väheneminen. Indusoitujen pluripotenttien kantasolujen (iPS-solut) tuottaminen ja erilaistaminen maksasoluiksi voi viedä viikkoja, korostaen tarvetta ylläpitää solujen toiminnallisuutta. Muita iPS-solujen käytön etuja ovat niiden suurempi tarjonta sekä parempi tarkkuus lääkkeiden aiheuttamiin maksavaurioihin verrattuna primaarisiin ihmisen hepatosyytteihin.
Tämä opinnäytetyö tutkii perusteellisesti kolmea liver-on-a-chip-järjestelmää kolmessa eri osassa. Opinnäytetyö painottuu järjestelmien toiminnallisuuteen, materiaaleihin sekä suunnitteluun. Opinnäytetyössä käydään läpi mitkä ovat toimivan liver-on-a-chip-järjestelmän tärkeimmät piirteet. Opinnäytetyö ei anna lukijalle vaiheittaista ohjetta toimivan liver-on-a-chip-järjestelmän rakentamiseen. Nämä chipit valittiin niiden erilaisten rakenteiden, mallien ja toimintojen perusteella. Tutkimuksessa käytiin läpi sekä hepatosyyttien että 3D-biotulostuksen perusominaisuuksia ja uusimpia tutkimustuloksia hepatosyttien 3D-tulostukseen liittyen.
Due to the developments in three-dimensional cell culture, the number of viable cell culturing platforms has increased. Maintaining a functional platform requires the possibility for cells to grow freely in all directions and receive necessary nutrients, gasses concentrations and stimulations. Organ-on-a-chip creates an in vivo environment in a laboratory for organ specific cells using pumps, microchannels, biocompatible hydrogels and biomaterials. Applying other organ-on-a-chips into the same system, creates a multi-organs-on-a-chip or even a body-on-a-chip system. These chips mimic the whole human body and interactions between other organs, instead of mimicking just a single organ.
Liver is a complex and vital organ with the ability to regenerate itself. The demand for liver cell research is substantial because of liver’s capacity for drug metabolism. Many drugs have gotten withdrawn from the market due to drug related liver injuries. Liver culture systems provide specific information on liver function and structure. The main issue with 2D hepatocyte culturing is the rapid decline in cell functionality and decrease in yield of functional cells. iPSC generation and differentiation into hepatocytes can take weeks, emphasizing the need for improvement in upkeeping cell functionality. Other benefits for using iPSCs is their greater supply and better sensitivity towards drug induced liver injuries compared to primary human hepatocytes.
This thesis studies three liver-on-a-chip systems in depth and is divided into three parts, with the main emphasis on discussing the three chip systems, hydrogel materials and designs. This thesis examines the main aspects required for a functional liver-on-a-chip but doesn’t give the reader a step-by-step tutorial on how to construct a functioning chip. These chips were selected due to their different structure, design and functions, while still being verifiably functioning. Basic characteristics and 3D bioprinting production methods as well as current research done on 3D bioprinting of hepatocytes were also examined.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]