Organ-on-a-chip -laitteen karakterisointi: Happipitoisuuden säätelyn mittaaminen ja analysointi

Abstract

Aivohalvaus on tila, jossa aivoihin ei virtaa riittävästi verta, mikä johtaa hypoksiaan eli hapen puutteeseen aivojen kudoksessa. Aivohalvaus on toiseksi yleisin kuoleman ja vammaisuuden aiheuttaja, minkä takia on tärkeää, että sitä pystytään tutkimaan luotettavasti ja tarkasti. Eläinmallien epätarkkuus on kuitenkin ollut haasteena aivohalvauksen hoitomuotojen kehittämisessä. Tämän eläinmallien epätarkkuuden vuoksi tarvitaan muita menetelmiä, joilla näitä matalan happipitoisuuden ympäristöjä voidaan mallintaa ihmissoluilla laboratorioympäristössä.

Organ-on-a-chip on in vitro- malli, jolla pystytään mallintamaan kudoksen toimintaa ihmiskehon ulkopuolella. Tämä laite yhdistää tavalliseen soluviljelmään mikrofluidistisen kanavarakenteen, joka mahdollistaa erittäin pienten kaasumäärien hallinnan. Viemällä soluviljelmään vähähappista kaasua mikrolitrojen tarkkuudella, solujen mikroympäristöä voidaan muokata vastaamaan aivohalvauksen hypoksisia olosuhteita. Organ-on-a-chip -laitteella viljellyt ihmisen solut siis jäljittelevät elimen soluvasteita hypoksisessa ympäristössä, joka on luotu mikrofluidistiikan avulla.

Koska organ-on-a-chipin avulla halutaan tutkia soluvasteita, on tärkeää voida seurata, miten solut reagoivat ympäristön muutoksiin. Osittain tästä syystä organ-on-a-chip -laite on valmistettu läpinäkyvästä PDMS-materiaalista, jonka läpi soluja voidaan tarkastella valomikroskopian avulla. PDMS-materiaalin taittumiskerroin on kuitenkin suuri verrattuna ilman taittumiskertoimeen, minkä takia kaasukanavarakenne vaikeuttaa laitteella viljeltyjen solujen mikroskopointia. Leveämmät kaasukanavat siis mahdollistavat laajemman alueen tarkastelun ilman eroavista taittumiskertoimista johtuvia vääristymiä.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää vaikuttaako mikrofluidistisen kanavarakenteen kaasukanavien leveys happipitoisuuden säätelyn tarkkuuteen. Tutkimus on tarpeellinen koska tiedetään, että mikroskopointi on vaikeampaa kapean kanavarakenteen läpi, mutta ei tiedetä vaikuttaako kanavarakenteen leveyden muuttaminen happipitoisuuden säätelyyn. Tähän kysymykseen pyrittiin vastaamaan suorittamalla ratiometrinen happikuvantaminen kolmelle eri laiteelle, joista kahden laiteen kanavan leveys on 20 μm ja yhden 200 μm. Tuloksista nähtiin, että happipitoisuuden tarkkuuden säätelyssä on eroa eri kanavaleveyden omaavien laitteiden välillä.