闪烁eye-on-a-chip用于疾病模型和药物测试

每天花八个小时或更多的人盯着电脑屏幕可能会注意到他们的眼睛变得疲倦或干燥,如果这些条件严重不够,他们最终可能发展干眼病(d)。d是一种常见的疾病,令人震惊的是一些fda批准的药物选择,部分由于建模的困难复杂的病理生理学在人类的眼睛里。输入闪烁eye-on-a-chip:人造人眼复制构造佩恩工程实验室的研究人员。

这eye-on-a-chip,闪烁的眼睑,帮助科学家和药物开发人员提高他们的理解和治疗d,以及其他潜在的用途。这项研究发表在自然医学作为器官,轮廓的准确性eye-on-a-chip替身和演示了其作为药物的效用测试平台。

这项研究是由丹哈,生物工程学系副教授和研究生Jeongyun Seo。

他们与薇薇安·李,Vatinee尼亚和米娜Massaro-Giordano的眼科在佩恩的佩雷尔曼医学院以及Vivek谢诺总统爱德华多·d·Glandt特聘教授在宾夕法尼亚大学工程材料科学与工程系。其他合作者包括吸引Byun,安德烈Georgescu Yoon-suk咦,啊的实验室的成员,成员和法Alisafaei谢诺的实验室。

哈的实验室专门创建organs-on-a-chip提供microengineered体外平台模拟体内同行,包括肺和骨髓代理这可能研究宇航员发射升空的疾病。实验室多年来微调eye-on-a-chip,这为他们赢得了2018年郁郁葱葱的奖的承诺在动物任意测试药物,化学物质,和化妆品。

在这项研究中,嗯,Seo关注工程一个眼睛模型,可以模仿与d健康的眼睛,一只眼睛,让他们测试人类伤害的实验性药物没有风险。

构建他们eye-on-a-chip吧的团队开始与三维多孔支架设计印刷、大小的一毛钱和隐形眼镜的形状,它们人眼细胞生长。角膜细胞生长支架的内部圈子,染成黄色,结膜细胞,专门组织覆盖的白色部分人类的眼睛,生长在周围的红色圆圈。一块明胶充当了眼睑,机械滑动在如人类闪烁的眼睛以同样的速度。美联储的泪腺染成蓝色,眼睑利差人工眼泪在眼睛分泌物形成所谓的撕膜。

“从一个工程的角度来看,我们发现它有趣的思考的可能性模仿人类眨眼睛的动态环境。闪烁是传播眼泪和生成一层薄膜,使眼部表面水分。它还有助于形成一个光滑的表面折射光的传播。这是眼表面的一个关键特性,我们想概括在我们的设备中,“说啊。

为d,泪膜蒸发速度比补充,导致炎症和过敏。d的常见原因是减少闪烁在过度使用电脑,但是人们可以开发其他的原因的疾病。d影响大约14%的世界人口,但已经明显难以发展新的治疗方法,自2010年以来有200失败的临床药物试验,目前只有两个fda批准的药物治疗。

哈的实验室一直在考虑潜在的药物检测organs-on-a-chip从他们最初的概念化,,因为它的表面面积的影响,d似乎完美的开始把他们的眼睛模型来测试。但他们开始药物试验之前,团队必须确保他们的模型是否真的可以模仿d的条件。

“起初,我们以为建模d会很简单,只是保持文化环境干燥。但事实证明,这是一个非常复杂的多因子疾病与各种亚型,”哈说。“不管类型,然而,有两个核心机制是d的开发和发展的基础。首先,从撕裂膜水蒸发,盐浓度显著增加,导致hyperosmolarity泪水。第二,与眼泪蒸发增加,撕裂膜变得更薄更迅速,往往过早破裂,这称为泪膜不稳定。问题是:我们的模型能够建模这些核心机制干眼病吗?”

经过实验,答案是肯定的。团队诱发d条件他们eye-on-a-chip通过削减一半的设备的人工闪烁和精心创建一个封闭的环境,模拟真实的湿度条件。当考验与真正的人类的眼睛里,健康和d,相应的eye-on-a-chip模型证明了其相似性实际器官在多个临床措施。eyes-on-a-chip模仿实际的眼睛的性能在一个Schirmer地带,哪些测试液体生产;渗透性测试,观察泪膜盐含量;在keratography测试,评估时间一滴眼泪电影分手。

已经证实了他们eye-on-a-chip镜像的能力的性能人眼在正常和DED-inducing设置,嗯的团队转向制药行业找到一种有前景的候选d药物测试模型。他们降落在一个基于lubricin即将到来的药物,一种蛋白质中发现的主要保护关节的润滑液。

“当人们想到d时,他们通常把它当作一种慢性疾病由炎症,”哈说,“但现在有越来越多的证据表明机械力对理解d的病理生理学很重要。随着眼泪的电影变得更薄、更不稳定,眼睑和眼表面之间的摩擦增加,这会破坏上皮表面,也引发炎症等不良生理反应。根据这些观察,有新兴的兴趣发展中眼科润滑油作为局部治疗干眼病。在我们的研究中,我们使用了一个lubricin-based药物正在进行临床试验。当我们测试这种药物在我们的设备,我们能够展示其friction-lowering效果,但是,更重要的是,使用这个模型我们发现先前未知的眼表面的抑制炎症的能力。”

通过比较测试结果的模型,一个健康的眼睛,一只眼睛与d和d + lubricin眼睛,嗯,Seo能够进一步的科学家对lubricin如何工作和显示药物的承诺作为一个d治疗。

同样,建立一个闪烁的过程eye-on-a-chip推动科学家的眼睛本身的理解,提供洞察力学在生物的作用。与谢诺合作,工程力学生物学中心主任,球队的注意力被吸引到物理闪烁的行动是如何影响细胞培养工程师人造眼睛上的脚手架。

“最初,角膜细胞开始作为一个单独的层,但他们成为分层,形成多层次分化的结果,当这些细胞在气液界面培养。他们也形成紧密的信息连接在分化和表达的一组标记,”哈说。“有趣的是,我们发现机械部队由于闪烁实际上帮助细胞分化更迅速和更有效的。当角膜细胞培养在闪烁,空气的速度和程度分化显著增加相比,没有闪烁的静态模型。根据这个结果,我们推测,blink-induced生理力量可能导致角膜的分化和维护。”

换句话说,人类角膜细胞生长在科学家们的支架更迅速成为专业和有效的在他们的特定工作人工眼睑上闪烁时,表明机械力量像眨眼对细胞如何函数作出了重大贡献。这些类型的概念的发展,加上药物发现应用程序中,突出了多方面的价值工程organs-on-a-chip可以为科学作出贡献。

哈和Seo eye-on-a-chip仍只是药物测试领域的小试牛刀,但这第一步是一个胜利,代表年的工作改进人工眼睛到达这种程度的准确性和实用性。

说:“虽然我们刚刚展示概念验证优化,“我希望我们eye-on-a-chip平台进一步先进和用于各种各样的应用程序除了药物筛选、测试等隐形眼镜和眼睛的手术在未来。”

“我们非常自豪,我们的工作提供了一个伟大的和罕见的例子包括广泛的跨学科的努力研究活动从设计和制造的新型生物工程系统体外建模复杂的人类疾病的药物测试,”哈说。“我认为这是什么使我们的研究独特和创新的代表,可以带来organ-on-a-chip技术”。