Sydämen ja verisuonituksen yhdistäminen Organ-on-a-chipillä : Kirjallisuuskatsaus
Paananen, Antti (2023)
Paananen, Antti
2023
Bioteknologian ja biolääketieteen tekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Biotechnology and Biomedical Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304274761
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304274761
Tiivistelmä
Sydän- ja verisuonisairaudet ovat yleisiä terveysongelmia maailmalla ja pahimmissa tapauksissa johtavat kuolemaan. Sydämen ja verisuonten toiminnan ja tautikuvien mallinnukseen sekä lääketestaukseen on kehitetty organ-on-a-chip-tekniikka aiemmin käytettyjen ongelmallisten eläinkokeiden tilalle. Tämä työ on kirjallisuuskatsaus tutkimusartikkeleihin, joissa on kehitetty erilaisia ratkaisuita organ-on-a-chipeille ja tutkittu niiden soveltuvuutta sydämen ja verisuonten mallintamisessa. Työn tarkoituksena on löytää keskeinen jako mallien välille ja selvittää jaon jälkeisten osa-alueiden hyödyt ja haasteet.
Organ-on-a-chip on in vitro tekniikan läpimurto, joka on kehitetty mallintamaan ihmiskehon organellien toimintaa pienoiskoossa. Organ-on-a-chipissä käytettävät mikrosirut toimivat monipuolisina alustoina pienten solumäärien kasvatukselle ja solujen toiminnan seuraamiselle ympäristössä, joka on muokattavissa tutkimusten tarpeen mukaan. Organ-on-a-chipillä voidaan käyttää yhtä tai useampaa solutyyppiä samanaikaisesti, mikä mahdollistaa solutyyppien mallintamisen tutkittaessa niiden itsenäistä toimintaa tai yhteisiä vuorovaikutuksia.
Työ voidaan jakaa kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa annetaan yleiskatsaus sydämen ja verisuonten fysiologiasta sekä niiden solujen erilaistumisen ja toiminnallisuuden edellytyksistä. Toisessa osassa annetaan esimerkkejä tutkimusryhmien tavoista mallintaa erikseen sydäntä ja verisuonia organ-on-a-chipillä. Sydämen ogan-on-a-chipit on lisäksi jaettu mekaanisiin ja elektrofysiologisiin malleihin. Kolmannessa osassa otetaan selvää, miten sydän sekä verisuonet on yhdistetty organ-on-a-chipillä. Työssä keskitytään kolmeen eri lähestymistapaan: staattisiin yhteisviljelmiin, mikrofluidisiin malleihin ja 3D biotulostukseen.
Katsauksessa selviää, että staattiset yhteisviljelmät sopivat sydämen kardiomyosyyttien ja verisuonen endoteelisolujen vuorovaikutusten tutkimiseksi, mutta viljelmää on työlästä ylläpitää ja solut eivät saa kaikkia tarvitsemiaan ympäristötekijöitä kypsyäkseen oikein. Mikrofluidiset mallit omaavat staattisten viljemien hyvät puolet ja fluidiikan lisääminen tukee solujen kypsymistä sekä oikeaa toimintaa. Mikrofluidisten mallien haasteena on pienien nestemäärien hallitseminen. 3D biotulostuksen vahvuus muihin lähestymistapoihin verrattuna on mahdollisuus luoda monimutkaisia rakenteita. Toistaiseksi 3D biotulostuksen haasteena on pienimpien yksityiskohtien tarkka tulostaminen. Optimaalisen organ-on-a-chipin kehittämiseksi mallintamaan sydäntä ja verisuonia olisi optimaalisinta kehittää hybridimalli, joka hyödyntää kaikkien lähestymistapojen ominaisuuksia ja ratkaisee yksittäisten lähestymistapojen haasteita.
Organ-on-a-chip on in vitro tekniikan läpimurto, joka on kehitetty mallintamaan ihmiskehon organellien toimintaa pienoiskoossa. Organ-on-a-chipissä käytettävät mikrosirut toimivat monipuolisina alustoina pienten solumäärien kasvatukselle ja solujen toiminnan seuraamiselle ympäristössä, joka on muokattavissa tutkimusten tarpeen mukaan. Organ-on-a-chipillä voidaan käyttää yhtä tai useampaa solutyyppiä samanaikaisesti, mikä mahdollistaa solutyyppien mallintamisen tutkittaessa niiden itsenäistä toimintaa tai yhteisiä vuorovaikutuksia.
Työ voidaan jakaa kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa annetaan yleiskatsaus sydämen ja verisuonten fysiologiasta sekä niiden solujen erilaistumisen ja toiminnallisuuden edellytyksistä. Toisessa osassa annetaan esimerkkejä tutkimusryhmien tavoista mallintaa erikseen sydäntä ja verisuonia organ-on-a-chipillä. Sydämen ogan-on-a-chipit on lisäksi jaettu mekaanisiin ja elektrofysiologisiin malleihin. Kolmannessa osassa otetaan selvää, miten sydän sekä verisuonet on yhdistetty organ-on-a-chipillä. Työssä keskitytään kolmeen eri lähestymistapaan: staattisiin yhteisviljelmiin, mikrofluidisiin malleihin ja 3D biotulostukseen.
Katsauksessa selviää, että staattiset yhteisviljelmät sopivat sydämen kardiomyosyyttien ja verisuonen endoteelisolujen vuorovaikutusten tutkimiseksi, mutta viljelmää on työlästä ylläpitää ja solut eivät saa kaikkia tarvitsemiaan ympäristötekijöitä kypsyäkseen oikein. Mikrofluidiset mallit omaavat staattisten viljemien hyvät puolet ja fluidiikan lisääminen tukee solujen kypsymistä sekä oikeaa toimintaa. Mikrofluidisten mallien haasteena on pienien nestemäärien hallitseminen. 3D biotulostuksen vahvuus muihin lähestymistapoihin verrattuna on mahdollisuus luoda monimutkaisia rakenteita. Toistaiseksi 3D biotulostuksen haasteena on pienimpien yksityiskohtien tarkka tulostaminen. Optimaalisen organ-on-a-chipin kehittämiseksi mallintamaan sydäntä ja verisuonia olisi optimaalisinta kehittää hybridimalli, joka hyödyntää kaikkien lähestymistapojen ominaisuuksia ja ratkaisee yksittäisten lähestymistapojen haasteita.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]