Organs-on-a-chip Snellere geneesmiddelentests dankzij 3D-bioprinten en automatisering

Geminimaliseerde weefselmodellen op microfluïdische chips kunnen de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen versnellen. Cruciaal hiervoor is een geautomatiseerde, schone en reproduceerbare productie. Een samenwerking tussen Festo, de TU Darmstadt en de start-up Black Drop laat zien hoe bioprinten, microfluïdica en contactloos transport kunnen worden gecombineerd tot één doorlopend proces.

Miniatuurorganen eenvoudig printen? Wat klinkt als sciencefiction, is al realiteit: 3D-bioprinten is een belangrijke biomedische technologie voor de productie van levend weefsel en miniatuurorganen. Hierbij worden biologische cellen ingebed in zogenaamde hydrogels. Dit mengsel wordt biotinte genoemd en wordt, net als bij conventionele 3D-printing, laag voor laag opgebouwd. Biologische structuren die op deze manier worden geproduceerd, kunnen in verschillende toepassingsgebieden worden ingezet. Het spectrum omvat biologische implantaten op het gebied van regeneratieve geneeskunde, in het laboratorium geproduceerd vlees als alternatief voor dierlijke voedingsmiddelen en geminiaturiseerde orgaanmodellen die kunnen worden gebruikt voor het testen van werkzame stoffen. Deze laatste zijn bijzonder relevant voor biomedisch onderzoek. Wanneer dergelijke mini-organen op microfluïdische chips worden opgebouwd, spreekt men van ‘Organs-on-a-Chip’ (OOC). Deze zullen in de toekomst worden ingezet als meer betrouwbare testsystemen in het geneesmiddelenonderzoek.

De voorkeur gaat uit naar de ‘drop-on-demand’-methode voor ‘organs-on-a-chip’

3D-bioprinten omvat verschillende printtechnologieën. Het ‘drop-on-demand’-proces is bijzonder geschikt voor de productie van composietmaterialen uit meerdere materialen en voor het printen van kleine weefselstructuren (bijv. OOC’s) in microfluïdische chips. Net als bij een desktopprinter op kantoor worden bij dit contactloze printproces afzonderlijke druppels bio-inkt over een bepaalde afstand uitgestoten en op het te bedrukken oppervlak aangebracht. In vergelijking met andere methoden, zoals micro-extrusie of stereolithografie, onderscheidt deze methode zich door het brede spectrum aan materialen in het laag- tot middel, de regelbare stuwkracht van de spuitmond en de contactloze materiaaloverdracht, wat het bedrukken van holtes of oneffen oppervlakken vergemakkelijkt.

Betere modellen voor de pijplijn voor geneesmiddelenontwikkeling

De ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen verloopt via een meerfasig proces, de zogenaamde ‘drug discovery pipeline’. Na de identificatie en optimalisatie van veelbelovende kandidaat-werkzame stoffen volgen preklinische tests op celculturen en in dierproeven, voordat klinische studies bij mensen van start gaan. Juist de overgang van preklinische modellen naar klinische toepassing is cruciaal. Klassieke celculturen en diermodellen geven slechts in beperkte mate de menselijke fysiologie weer en zijn daarom slechts in beperkte mate representatief voor de werkzaamheid bij mensen. Van de vijf kandidaat-geneesmiddelen die bij mensen worden getest, is gemiddeld slechts één succesvol en wordt goedgekeurd. De overige vier kandidaten worden ‘late fails’ genoemd. Zij mislukken in een laat stadium van het proces, nadat er al veel tijd en geld is geïnvesteerd.

Organs-on-a-Chip vullen precies deze leemte in de pijplijn op. Ze combineren menselijke cellen, driedimensionale weefselstructuren en microfluïdische kanalen, waarin voedingsmedia en werkzame stoffen op gecontroleerde wijze kunnen worden geleid. Zo ontstaan kleine, orgaanachtige testsystemen die bepaalde functies van menselijk weefsel realistischer nabootsen dan statische celculturen of dierproeven. Bij de ontwikkeling van geneesmiddelen kunnen dergelijke systemen helpen om de werkzaamheid en bijwerkingen eerder en op een meer betrouwbare manier te testen. Zo moeten nieuwe geneesmiddelen in de toekomst sneller en goedkoper kunnen worden ontwikkeld.

Stand van de techniek: veelbelovend, maar nog grotendeels handmatig

Organ-on-a-chip-systemen worden tegenwoordig meestal in gespecialiseerde laboratoriumomgevingen opgezet. Eerst wordt de microfluïdische chip voorbereid, waarna cellen of met cellen beladen hydrogels met behulp van 3D-bioprinten worden aangebracht. Daarna volgen verdere processtappen. De geprinte structuren moeten worden gestabiliseerd, de kanalen moeten worden afgedicht, het voedingsmedium moet worden toegevoegd en de cellen moeten onder gecontroleerde omstandigheden worden gekweekt. Voor functionele modellen is bovendien vaak perfusie nodig, dat wil zeggen het continu doorspoelen van de kanalen met vloeistof.

Deze procesketen is in principe mogelijk, maar wordt in de praktijk vaak nog gekenmerkt door handmatige werkstappen. Medewerkers in het laboratorium plaatsen chips, brengen afdekelementen aan, sluiten vloeistofleidingen aan, plaatsen canules of verplaatsen systemen naar incubatieomgevingen. Dit vereist ervaring en zorgvuldigheid, maar beperkt de reproduceerbaarheid, doorvoer en schaalbaarheid. Precies op dit raakvlak tussen biologische haalbaarheid en een industrieel beheersbaar proces sluit het gezamenlijke ontwikkelingsproject van Festo, de TU Darmstadt en Black Drop aan.

Een nieuwe chip als kern van de geautomatiseerde procesketen

Centraal in het ontwikkelingswerk staat een nieuw ontwikkelde microfluïdica-chip. Deze fungeert niet alleen als drager van het toekomstige weefselmodel, maar vormt tegelijkertijd het centrale knooppunt voor de automatisering. De kanaalstructuren, afdichtingsvlakken en media-aansluitingen zijn zo ontworpen dat het printen, afdichten, vullen en de latere kweek kunnen worden geïntegreerd in een doorlopende, volledig geautomatiseerde procesketen.De chip is gebaseerd op een diffusiegebonden verdeelstuk met nauwkeurige, geïntegreerde vloeistofstructuren. Hierdoor kunnen voedingsmedia gecontroleerd worden verdeeld en kan de toevoer naar de cellen doelgericht worden geregeld. Voor Organs-on-a-Chip is deze integratie cruciaal. Pas wanneer weefsel, kanalen, afdichting, mediumgeleiding en procesinterfaces op elkaar zijn afgestemd, wordt een geprint celcomplex een reproduceerbaar testsysteem.

Van bioprinten tot een gesloten testsysteem

De bioprinter brengt levende cellen met behulp van drop-on-demand-technologie op de microfluïdische chip aan. De cellen zijn ingebed in een hydrogel en worden nauwkeurig gedoseerd in zeer kleine druppeltjes. Vervolgens wordt het materiaal met UV-licht uitgehard, zodat de geprinte structuur stabiel genoeg is voor de verdere processtappen.

Na het bioprinten volgt de overgang van het open printproces naar het gesloten microfluïdische systeem. De open kanalen en de kamer met de geprinte cellen worden afgedekt met een met siliconen gecoat glasplaatje. Hierdoor ontstaat een afgebakende vloeistofruimte waarin de cellen kunnen worden gevoed, doorbloed en gekweekt voor latere tests.

Contactloos transport in het proces

Een belangrijk onderdeel van het ontwikkelingswerk is het contactloze transport van de microfluïdica-chip. De chip rust hiervoor op een zwevende drager, die met behulp van de Supra-Motion-technologie van Festo van station naar station wordt verplaatst. Het kinematische systeem kan buiten de schone procesruimte blijven; het transport vindt plaats zonder mechanisch contact en zonder verspreiding van deeltjes. Voor toepassingen in de life sciences vergemakkelijkt dit de reiniging, ontziet het gevoelige monsters en ondersteunt het procesveilige werkwijzen in omgevingen die vergelijkbaar zijn met cleanrooms.

Automatiseren betekent: processtappen beheersbaar maken

De automatisering beperkt zich niet tot het printen van de cellen. Ze omvat ook de daaropvolgende stappen die cruciaal zijn voor een goed functionerend ‘organ-on-a-chip’-systeem. Hieronder vallen het nauwkeurig afdekken en afdichten van de chip, het toevoegen van voedingsmedium, het voorbereiden van de perfusie en de veilige overbrenging naar een incubatieomgeving. Juist deze ogenschijnlijk latere stappen bepalen of een biologisch model betrouwbaar verder kan worden gekweekt.

In het getoonde proces steken drie canules door een siliconenmembraan in de chip. Eén canule zorgt voor onderdruk om het glasplaatje op zijn plaats te houden en de kanalen goed af te dichten. Via twee andere canules wordt kweekmedium toegevoegd. Na het vullen worden de naalden weer verwijderd; de prikgaatjes sluiten zich vanzelf dankzij het membraan. De chip kan vervolgens steriel en veilig naar verdere processtappen worden overgebracht.

Reproduceerbaarheid als voorwaarde voor een breder gebruik

De innovatie van het ontwikkelingswerk ligt dan ook niet zozeer in een afzonderlijke, op zichzelf staande processtap, maar in de koppeling van het gehele proces. Bioprinten, fluidica, afdichting, mediatoevoer, transport, besturingstechniek en software worden zodanig gecombineerd dat uit een reeks handmatige laboratoriumhandelingen een reproduceerbaar, geautomatiseerd proces kan ontstaan.

Voor de medische technologie en het farmaceutisch onderzoek is dit een cruciale stap. Als ‘organ-on-a-chip’-systemen in de toekomst op grotere schaal moeten worden ingezet, moeten de productie en de werking ervan niet alleen biologisch functioneren, maar ook documenteerbaar, herhaalbaar en schaalbaar zijn. Automatisering vermindert handmatige variatie, stabiliseert procesparameters en maakt het gemakkelijker om dergelijke systemen van onderzoek naar de praktijk over te brengen.

Vooruitblik: van demonstratie naar toepassing

In het kader van de samenwerking tussen Festo, de TU Darmstadt en Black Drop is een proefinstallatie opgezet die voor het eerst de geautomatiseerde productie van ‘organs-on-a-chip’ als een samenhangend proces weergeeft. Deze installatie zal nu verder wetenschappelijk worden onderzocht. De nadruk ligt daarbij op procesinzicht, reproduceerbaarheid, modelkwaliteit en de toepasbaarheid op verschillende toepassingen. Op basis hiervan zal in de volgende stap de ontwikkeling plaatsvinden van een commercieel, volledig geautomatiseerd systeem dat ‘Organs-on-a-Chip’ uit de gespecialiseerde laboratoriumomgeving dichter bij een bredere toepassing in onderzoek, de ontwikkeling van werkzame stoffen en de biogeneeskunde brengt.

Belangrijke ontwikkelingsstappen zijn hierbij de integratie van een kweekkamer (incubator) en aanvullende in-line sensoren voor procesbesturing. Hiermee wordt een meetbare en standaardiseerbare procesomgeving gecreëerd, die van cruciaal belang is voor toekomstige validatiestudies. Een uitdaging is de koppeling van het printproces met de voorafgaande celkweek. Om de geautomatiseerde installatie op volle capaciteit te kunnen benutten, moeten de cellen eveneens in voldoende grote hoeveelheden worden geproduceerd en idealiter automatisch naar de printer worden overgebracht. Ten slotte zijn downstream-analysemethoden van belang, die de kwaliteit van de weefselmodellen na het printen en tijdens de kweek bewaken. Zodra ook deze zijn geïmplementeerd, is een volledig geautomatiseerde productie en kwaliteitscontrole van de OOC’s mogelijk.