Biomaterials for 3D in vitro liver modeling

Abstract

Maksa on monimutkainen ja lisäksi ihmiskehon suurin sisäelin. Maksa on vastuussa monista kehon toiminnoista, esimerkiksi, maksa huolehtii veren suodattamisesta, metaboliasta, vieraiden aineiden poistamisesta, varastoinnista ja useiden aineiden syntetisoimisesta. Maksa on tärkeä osa monia kehon perustoimintoja ja siksi sen mallintaminen on tärkeää. Maksamalleja voidaan käyttää monissa tutkimuksissa, kuten lääke- ja myrkyllisten aineiden tutkimuksissa. Lisäksi maksamallien avulla voidaan saada tärkeää tietoa maksan toiminnasta. Tämän kandidaatin työn tavoitteena oli tutkia maksamalleja, ja sitä mistä ne koostuvat ja miten maksaa voidaan mallintaa siruilla.

Monia in vitro maksamalleja on kehitetty ja monia eri solulinjoja on käytetty niissä. Näitä solulinjoja ovat muun muassa, primaariset ihmisen hepatosyytit (PHH, engl. primary human hepatocyte), erilaiset maksasolulinjat, kuten HepG2 ja HepaRG, sekä indusoiduista pluripotenteista kantasoluista erilaistetut hepatosyyttien kaltaiset solut (IPSC-HLC, engl. induced pluripotent stem cell-derived hepatocyte-like cell). Näillä kaikilla solulinjoilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Lisäksi, monia biomateriaaleja on käytetty skaffoldeina, muun muassa, kollageeniä, fibriiniä, Matrigeeliä, GrowDex:iä ja polyeteeniglykolia (PEG, engl. poly(ethylene glycol)). Biomateriaalin tehtävä on matkia soluväliainetta (ECM, engl. extracellular matrix) ja siten tukea ja antaa kiinnittymispintoja soluille. Jotta tämä olisi mahdollista, materiaalien pitää olla yhteensopivia solujen kanssa ja niiden mekaanisten ominaisuuksien on oltava sopivat. Monia kolmiulotteisia (3D, engl. three dimensional) soluviljelysysteemejä on myös luotu, joista yksi esimerkki on mikrofluidistiset laitteet, kuten sirut (engl. chip). Sirut mahdollistavat perfuusio-viljelyolosuhteet, joita voidaan kontrolloida hapen ja muiden ravintoaineiden saannin lisäksi. Lisäksi solujen havainnointi ja kuvaaminen ovat mahdollisia soluviljelyn aikana, koska siru on valmistettu läpinäkyvästä materiaalista.

Yhdistämällä nämä asiat: solut, biomateriaalit ja sirut, saadaan luotua maksamalli, joka sisältää iPSC-HLC:t biomateriaalissa sirulla. Tämä malli mahdollistaa yksilöidyn tutkimuksen ja iPSC-HLC:n paremman kypsymisen. Lisäksi tämä soluviljelymalli matkii maksasolujen luonnollista elinympäristöä mahdollistamalla eri solutyyppien yhteisviljelyn ja perfuusio-soluviljelyolosuhteet. Näin ollen tämä viljelymalli voi olla avainasemassa maksan mallintamisessa mahdollistamalla pidemmän soluviljelyajan ja kypsemmät maksan funktiot.

The liver is complex and the largest internal organ in the human body. It has multiple important functions such as filtration, metabolism, removal, storage, and synthesis of several compounds. Therefore, it is important to be able to model it in vitro. Liver models can be used in several experiments, such as in drug and toxic studies. This thesis introduces in vitro liver models, what they consist of, and how the liver can be modeled using a chip.

Various in vitro liver models have been developed and many cell lines have been used in these liver models, including primary human hepatocytes (PHH), different liver cell lines, such as HepG2 and HepaRG, and induced pluripotent stem cell-derived hepatocyte-like cells (iPSC-HLCs). All these cell lines have their own advantages and disadvantages. In addition, several biomaterials have been used as scaffolds, including collagen, fibrin, Matrigel, GrowDex and poly (ethylene glycol) (PEG). The function of biomaterial is to mimic the extracellular matrix (ECM) and therefore support and give attachment sites for the cells. To be able to achieve this, the biomaterial must be cytocompatible and have suitable mechanical properties. Moreover, many different three-dimensional (3D) cultivation systems have been established, including a microfluidic device, such as a chip. The chip allows perfused culturing conditions with the control of media flow containing oxygen and other nutrients. Observation and imaging during cultivation are also possible because of the transparent material of the chip.

As a combination of all these, a liver model system containing iPSC-HLCs in a biomaterial on a chip is created. This model allows the personalized study and better maturation of the iPSC-HLCs. In addition, this cell culture model mimics the liver cells native environment by enabling the co-culture of different cell types and perfused cell culture conditions. Therefore, this cultivation system could be the key to in vitro liver modeling by enabling longer cell cultivation time and more mature liver functions.