Immunkompetentes Darm-on-Chip-Modell zur Analyse der Immunantworten der Darmschleimhaut

Organ-on-Chip (OoC)-Systeme stellen eine aufstrebende Technik der 3D-Zellkultur dar, die in der Lage ist, die Lücke zwischen herkömmlichen 2D-Zellkulturen und Tiermodellen zu schließen. OoC-Plattformen bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Kompartimenten, die gewebespezifische Zellen enthalten, die auf einer Vielzahl von Gerüsten wie Membranen oder Hydrogelen gezüchtet^{werden 1}. Die Modelle sind in der Lage, eine oder mehrere definierte organotypische Funktionen nachzuahmen. Pumpen ermöglichen die kontinuierliche mikrofluidische Perfusion von Zellkulturmedium zur Entfernung zellulärer Abfallprodukte, zur Versorgung mit Nährstoffen und Wachstumsfaktoren für eine verbesserte zelluläre Differenzierung und zur Wiederherstellung wesentlicher In-vivo-Bedingungen. Durch die Integration von Immunzellen können OoC-Systeme die menschliche Immunantwort in vitro nachahmen ². Bisher wurde ein breites Spektrum an Organen und Funktionseinheiten vorgestellt¹. Zu diesen Systemen gehören Modelle des Gefäßsystems³, der Lunge⁴, der Leber ^2,5 und des Darms⁶, die für Arzneimitteltests ^5,7 und Infektionsstudien ^6,8 ermöglicht werden können.

Wir präsentieren hier ein humanes Darm-on-Chip-Modell, das humane Epithelzellen integriert, die eine organotypische 3D-Topographie von zottenartigen und kryptenartigen Strukturen bilden, kombiniert mit einer Endothelauskleidung und geweberesidenten Makrophagen. Das Modell wird in einem mikrofluidisch perfundierten Biochip in Form eines mikroskopischen Objektträgers kultiviert. Jeder Biochip besteht aus zwei separaten mikrofluidischen Kavitäten. Jeder Hohlraum ist durch eine poröse Polyethylenterephthalat (PET)-Membran in eine obere und eine untere Kammer unterteilt. Die Membran selbst dient auch als Gerüst für das Wachstum der Zellen auf jeder Seite. Die Poren der Membran ermöglichen zelluläres Übersprechen und Zellmigration zwischen den Zellschichten. Jede Kammer ist über zwei weibliche Luer-Lock-Anschlüsse zugänglich. Optional kann ein zusätzlicher Mini-Luer-Anschluss in der Größe eines Locks den Zugang zur oberen oder unteren Kammer ermöglichen (Abbildung 1).

Die OoC-Plattform bietet eine Reihe von Messwerten, die aus einem einzigen Experiment gewonnen werden können. Der Darm-on-Chip ist auf die Kombination von perfundierter 3D-Zellkultur, Abwasseranalyse und Fluoreszenzmikroskopie zugeschnitten, um die Zellmarkerexpression, die Metabolisierungsraten, die Immunantwort, die mikrobielle Besiedlung und Infektion sowie die Barrierefunktion zu beurteilen ^3,6,8. Das Modell umfasst geweberesidente Immunzellen und den direkten Kontakt lebender Mikroorganismen mit dem Wirtsgewebe, was im Vergleich zu anderen veröffentlichten Modellen einen Vorteil darstellt⁹. Darüber hinaus organisieren sich Epithelzellen selbst zu dreidimensionalen Strukturen, die eine physiologisch relevante Schnittstelle für die Besiedlung mit einer lebenden Mikrobiota darstellen⁶.