Geräte- Komplexität lebender Mark fängt im Labor

Die neueste Orgel -on -a-Chip von Harvard Wyss Institut für Biologisch inspirierte Technik reproduziert die Struktur, die Funktionen und zellulären Make-up von Knochenmark , ein komplexes Gewebe, das bisher nur in lebenden Tieren intakt untersucht werden , berichten Forscher des Instituts in der Online-Ausgabe von Nature Methods . Das Gerät , genannt " Knochenmark -on -a-Chip " gibt Wissenschaftlern eine dringend benötigte neue Werkzeug , um die Auswirkungen von neuen Medikamenten und Giftstoffen auf Gesamtknochenmark zu testen.

Genauer gesagt, kann das Gerät verwendet werden, um sichere und wirksame Strategien zur Verhinderung oder Behandlung von tödlichen Wirkungen Strahlung über dem Knochenmark , ohne auf Tierversuche zu entwickeln , wobei eine Herausforderung am Institut mit finanzieller Unterstützung der US Food and Drug Administration (FDA) verfolgt. In einem ersten Test , der entworfen Knochenmark, wie Humanmark , in Reaktion auf Strahlung verwelkt , wenn ein Medikament bekannt, um zu verhindern, Strahlenkrankheit war anwesend .

Das Knochenmark -on -a-Chip könnte auch in der Zukunft verwendet werden, um eines Krebspatienten eigenen Mark vorübergehend zu halten, während er oder sie unterMarkschädigende Behandlungen wie Strahlentherapie oder Hochdosis- Chemotherapie .

" Knochenmark ist ein unglaublich komplexes Organ, das für die Herstellung von allen Arten von Blutzellen in unserem Körper verantwortlich ist , und unser Knochenmark -Chips sind in der Lage , diese Komplexität in seiner Gesamtheit zu rekapitulieren und pflegen sie in einer funktionellen Form in vitro ", sagte Don Ingber , MD, Ph.D., Gründungsdirektor des Wyss Institut , Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der Harvard Medical School , Boston -Kinderklinik , Professor für Bioengineering an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences , und leitende Autor des Papiers .

Ingber führt eine große Anstrengung, menschliche Organe -on- Chips zu entwickeln - kleine mikrofluidischen Bauteilen , die die Mimik Physiologie von lebenden Organen . Bisher Wyss Institut Teams Lunge, Herz , Niere und Darm -Chips, die wichtigsten Aspekte der Organfunktion zu reproduzieren , und sie sind Organe -on- Chips in den Werken haben gebaut. Die Technologie ist international für sein Potenzial, Tierversuche für neue Medikamente und Umweltgifte ersetzen erkannt und als eine neue Art für Wissenschaftler die menschliche Krankheit zu modellieren.

Organ Chips zu bauen, die in der Vergangenheit Wyss Teams haben mehrere Typen von Zellen aus einem Organ auf einer Kunststoffmikrofluidvorrichtungkombiniert , während stetigen Zuführens Nährstoffen , das Entfernen Abfall und Anwendung mechanischer Kräfte das Gewebe würde im Körper zugewandt . Aber Knochenmark ist so komplex, dass sie einen neuen Ansatz erforderlich, um die Organfunktion zu imitieren.

Diese Komplexität entsteht, weil Knochenmark hat einen integrierten Beziehung mit Knochen. Marrow sitzt innerhalb Trabekelknochen - eine solide aussehende Art von Knochen mit einer porösen , wabenförmigen Innenraum. Während der gesamten Waben , variieren Bedingungen . Einige Bereiche sind wärmer , etwas kühler ; einige sind sauerstoffreichen , andere sauerstoffarmen und die Dutzend Zelltypen haben jeweils ihre eigenen bevorzugten Spots. Um die Komplexität hinzuzufügen , Knochenmarkzellen kommunizieren miteinander durch Sekretion und Messen einer Vielzahl von Biomolekülen , die lokal zu handeln , ihnen zu sagen , ob sie leben , sterben, spezialisieren oder sich vermehren.

Anstatt zu versuchen, wie eine komplexe Struktur Zelle für Zelle zu reproduzieren , meldete die Forscher Mäuse , es zu tun .


Dies ist eine mikroskopische Ansicht des konstruierten Knochen mit einer Öffnung, die den internen trabekulären Knochennetz mit farbigen Bildern von Blutzellen und eine unterstützende Gefäßnetz , die die Freiflächen in der Knochenmark -on -a-Chip füllen lagert .
Bildnachweis: James Weaver, Harvard Wyss Institut

" Wir dachten uns , warum nicht zulassen, dass Mutter Natur uns zu helfen, zu bauen , was sie weiß bereits, wie man bauen", sagte Catherine S. Spina, ein MD - Ph.D . Kandidat an der Boston University , Forscher am Institut Wyss und Co-Lead- Autor des Papiers .

Insbesondere verpackt Wyss Institut Postdoc Yu- suke Torisawa und Spina Knochenpulver in eine offene , ringförmige Form der Größe einer Münze Batterie getrocknet und implantiert die Form unter die Haut auf dem Rücken des Tieres .

Nach acht Wochen sie operativ entfernt das scheibenförmige Knochen, die in der Form gebildet hatte und untersuchte sie mit einem speziellen Computertomographen . Der Scan zeigte eine wabenartige Struktur , die identisch zu natürlichen Spongiosa aussah.

Das Knochenmark sah aus wie die reale Sache auch. Wenn sie befleckt das Gewebe und untersuchte sie unter dem Mikroskop wurde das Knochenmark mit Blutzellen wie Knochenmark von einem lebenden Maus gepackt . Und wenn die Forscher nach der Knochenmarkzellen , nach Typ und ihre Anzahl gezählt , die Mischung von unterschiedlichen Arten von Blut- und Immunzellen im Knochenmark entwickelt, identisch mit derjenigen war, in einem Mausoberschenkelknochen.

Um die technisch Knochenmark außerhalb eines lebenden Tieres zu erhalten, chirurgisch entfernt die Forscher die Knochen von Mäusen entwickelt , dann legte sie in einer mikrofluidischen Vorrichtung , die die Durchblutung des Gewebes würde im Körper erleben nachahmt.

Marrow im Gerät blieb gesund für bis zu einer Woche . Dies ist lang genug , in der Regel , um die Toxizität und die Wirksamkeit eines neuen Arzneimittels zu testen.

Das Gerät bestand auch einen ersten Test der Drogentestmöglichkeiten. Wie Mark von lebenden Mäusen war dies technisch Mark auch anfällig für Strahlung - , sondern eine von der FDA zugelassene Medikament, das bestrahlte Patienten schützt geschützt auch das Knochenmark auf dem Chip.

In Zukunft könnte die Forscher möglicherweise wachsen menschlichem Knochenmark in immundefizienten Mäusen. "Dies könnte in eine einfach zu bedienende Screening - basiertes System, das für den einzelnen Patienten personalisierte entwickelt werden", sagte Co-Autor James Collins, Ph.D., ein Core- Mitglied der Fakultät an der Wyss Institut und dem William F. Warren Distinguished Professor an Boston University , wo er das Zentrum für Synthetische Biologie führt .

Knochenmark -on- a- Chip könnte auch Blutzellen zu erzeugen , die in einen künstlichen Blutkreislauf zirkulieren kann , um ein Netzwerk von anderen Organen -on- Chips zu liefern. Die Defense Agency Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) ist die Finanzierung der Bemühungen auf Wyss Institut , ein zusammenhängendes Netz von zehn Organe -on- Chips zu entwickeln , um komplexe menschliche Physiologie außerhalb des Körpers zu studieren.