Een organ-on-chip (OoC) is een microfluidisch apparaat, doorgaans ter grootte van een objectglas of een standaard microtiterplaat, dat de structuur en functie van levend weefsel nabootst onder fysiologisch relevante omstandigheden. De chip bevat één of meerdere microkanalen bekleed met humane cellen, waardoor vloeistofstroming, mechanische rek en de interactie tussen verschillende celtypen kunnen worden nagebootst op een schaal die overeenkomt met de dimensies van capillairen en weefselmicrostructuren in het lichaam. Organ-on-chip-systemen behoren tot de bredere categorie microphysiological systems (MPS) en worden gezien als een van de meest veelbelovende alternatieven voor traditionele celkweek en dierproeven bij preklinisch geneesmiddelenonderzoek en toxicologische beoordeling.
Het concept van een miniatuur orgaanmodel in een microfluidisch systeem werd in 2010 internationaal bekend door het werk van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard University, waar een lung-on-a-chip werd gepubliceerd in Science. Het systeem bootste de alveolair-capillaire grenslaag na, inclusief de cyclische mechanische vervorming die optreedt bij de ademhaling. Sindsdien is het veld explosief gegroeid: er zijn modellen beschikbaar voor hart, lever, nier, darm, hersenen, bot, huid, long en tal van andere organen. De technologie heeft inmiddels haar weg gevonden naar commerciële platforms die breed beschikbaar zijn voor de farmaceutische industrie, contractonderzoeksorganisaties (CRO's) en academische laboratoria.
De aandrijving achter de ontwikkeling is meervoudig. Conventionele in vitro celkweek in platte petrischalen of celkweek in statische systemen mist de dynamische mechanische prikkels en driedimensionale architectuur die weefsel in vivo kenmerken. Dierproeven zijn kostbaar, tijdrovend en voorspellen humane farmacokinetiek en toxiciteit dikwijls onvoldoende nauwkeurig. Organ-on-chip-systemen vullen de ruimte tussen deze twee uitersten: ze zijn humaan, beheersbaar en schaalbaar, terwijl ze meer fysiologische relevantie bieden dan monolaagkweek.
De kern van een organ-on-chip bestaat uit een of meerdere microfluidische kanalen met een doorsnede van typisch 100 tot 1000 micrometer, gefabriceerd in een transparant, gasdoorlatend polymeer — in de meeste gevallen polydimethylsiloxaan (PDMS) of, voor industriële toepassingen, een thermoplastisch materiaal zoals polysulfon of COP (cyclo-olefine polymeer). De kanaaltjes zijn van elkaar gescheiden door een dunne poreuze membraan met poriediameters van 0,4 tot 8 micrometer.
Op en onder deze membraan worden verschillende celtypen aangebracht. In een darm-op-een-chip groeien intestinale epitheelcellen aan de bovenzijde van de membraan, terwijl endotheelcellen of immuuncellen de onderzijde bekleden. Beide kanalen worden doorstroomd door fysiologisch medium met een stroomsnelheid van 1 tot 100 microliter per minuut, wat een wandschuifspanning (shear stress) genereert die vergelijkbaar is met die in de menselijke microcirculatie. Naast vloeistofstroming kunnen vacuümkamers aan de zijkant van de chip een cyclische mechanische rek op de membraan uitoefenen, waarmee peristaltische darmbewegingen of de ademhalingscyclus van de long worden gesimuleerd.
De transparantie van het materiaal maakt real-time microscopische observatie mogelijk tijdens de gehele kweekperiode, zonder dat cellen hoeven te worden gefixeerd of de chip ontmanteld. Fluorescente reporters, confocale microscopie en fluorescentie-microscopie zijn rechtstreeks toepasbaar op de chip.
De keuze van het celtype is bepalend voor de fysiologische relevantie van het model. Primaire humane cellen — rechtstreeks geïsoleerd uit donorweefsel — geven de meest authentieke biologische respons maar zijn beperkt beschikbaar en variëren van donor tot donor. HUVEC-cellen (humane navelstrengaderendotheelcellen) zijn een voorbeeld van veelgebruikte primaire endotheelcellen in microfluidische chips. Geïmmortaliseerde cellijnen, zoals Caco-2 (darmepitheel) en HepG2 (lever), zijn robuust en reproduceerbaar maar missen bepaalde differentiatiemarkers van rijp weefsel. De meest veelbelovende bron zijn geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's): humane bloedcellen of huidcellen worden via genetische herprogrammering teruggebracht naar een stamcelstadium en vervolgens gedifferentieerd naar het gewenste celtype. iPSC-afgeleid hartspierweefsel, hepatocyten of neurale cellen maken patiëntspecifieke chips mogelijk, wat de weg opent naar gepersonaliseerde geneeskunde en de farmacogenomische variatie tussen individuen in kaart brengt.
De term microphysiological system (MPS) omvat organ-on-chip naast verwante technologieën zoals driedimensionale sferoïden, organoïden en bioreactoren met weefselinserts. Organoïden — zelfordende driedimensionale weefselstructuren afgeleid van stamcellen — worden soms geïntegreerd in organ-on-chip-platforms om de complexiteit van een orgaan nog nauwkeuriger na te bootsen. Het onderscheid is dat organoïden spontaan de architectuur van een orgaan vormen, terwijl organ-on-chip-systemen de microarchitectuur en vloeistofstroming extern definiëren en controleren. In de praktijk worden organoïden in een chip geplaatst om van beide technieken te profiteren.
Een body-on-a-chip of human-on-a-chip koppelt meerdere orgaanmodellen in serie: medium stroomt van een darmchip naar een leverchip, dan naar een nierchip, waardoor de opeenvolgende metabolisering en klaring van een geneesmiddel kan worden gevolgd op een manier die diermodellen benadert zonder de soortverschillen. Regelgevende instanties zoals de FDA en het EMA beschouwen dergelijke multi-orgaansystemen als een prioriteit voor de modernisering van het preklinische veiligheidspakket.
De fabricage van organ-on-chip-apparaten is geworteld in de halfgeleiderindustrie. Zachte lithografie (soft lithography) — waarbij een PDMS-prepolymeer wordt gegoten over een door fotolithografie vervaardigd siliciummal — is de meest gebruikte techniek in onderzoekslaboratoria. Het mal wordt vervaardigd via spin-coating van een fotoresist (SU-8) op een siliciumwafer, gevolgd door UV-belichting door een masker en chemische ontwikkeling. Het PDMS-gietsel wordt vervolgens ontvormd, voorzien van aansluitingen en gebonden aan een glasplaatje of een tweede PDMS-laag via zuurstofplasmabehandeling.
Voor industriële schaalbaarheid worden thermoplastische materialen verwerkt via micro-injectiegietwerk of hot embossing (warm-embossen), wat massaproductie met hooggeautomatiseerde kwaliteitscontrole mogelijk maakt. Stereolithografisch 3D-printen in fotopolymeerhars (SLA, DLP) biedt nog meer ontwerpvrijheid maar vereist zorgvuldige materiaalkeuze vanwege cytotoxiciteit van onuitgeharde monomeren. Gestandaardiseerde SBS-microtiterplaat-formaten (Society for Biological Screening), zoals het 96-wells-footprint, maken organ-on-chip-platforms compatibel met bestaande laboratoriumrobotica en platereaders.
Een van de onderscheidende kenmerken van organ-on-chip ten opzichte van statische celkweek is de mogelijkheid om continue, niet-invasieve metingen uit te voeren tijdens het experiment. De trans-epitheliale/endotheliale elektrische weerstand (TEER) wordt gemeten via geïntegreerde elektroden en geeft real-time informatie over de integriteit van de celbarrière — een kritische parameter voor modellen van de darm, de bloed-hersenbarrière en het longepitheel. Zuurstofconcentraties worden bewaakt via fluorescentie-gebaseerde sensorspots. Effluenten uit de microkanalen kunnen worden verzameld voor ELISA, western blot, proteomicsanalyse of koppeling aan LC-MS voor metabolietprofilering.
Flowcytometrie kan worden ingezet om cellen die uit de chip komen te fenotyperen. Voor genexpressieanalyse van kleine celvolumes in de chip is next-generation sequencing (NGS) en single-cell RNA-sequencing beschikbaar. Eiwitanalyse via gelelektroforese is toepasbaar op geconcentreerde chipeffluenten. Voor in-situ visualisatie van eiwitexpressie op weefselsneden uit een chip wordt immunohistochemie toegepast.
De primaire driver voor de snelle adoptie van organ-on-chip-technologie is de hoge uitval van geneesmiddelkandidaten in klinische fase II en III door onverwachte toxiciteit of gebrek aan werkzaamheid die niet door preklinische dierproeven werden voorspeld. Hepatotoxiciteit, cardiotoxiciteit en darmtoxiciteit zijn historisch moeilijk te voorspellen met rodentmodellen, terwijl humane lever-on-chip, hart-on-chip en darm-on-chip-systemen significante voordelen tonen in diverse validatiestudies.
In het ADME-onderzoek (absorptie, distributie, metabolisme, excretie) maakt een darm-lever-chip het mogelijk om orale biobeschikbaarheid en eerstepassagemetabolisme simultaan te meten met humane cellen. Farmacokinetische parameters zoals de klaring en de halfwaardetijd worden hierdoor humaan-relevanter dan met hepatocytensuspensies of leverslices. De hoeveelheid testcompound die benodigd is, is extreem laag — typisch nanomolen — wat de technologie ook aantrekkelijk maakt in vroege ontdekkingsfasen wanneer de beschikbaarheid van testmateriaal beperkt is.
In de toxicologie verkort organ-on-chip traditionele subacute en chronische dierproeven of vervangt deze. Binnen het REACH-kader van de Europese Unie en de EU-cosmeticaverordening, die dierproeven voor cosmetica verbiedt, worden MPS-systemen erkend als geavanceerde new approach methodologies (NAM). De OECD heeft richtlijnen gepubliceerd voor de validatie van in vitro testmethoden en werkt aan specifieke leidraden voor MPS. De FDA Modernization Act 2.0, eind 2022 ondertekend, doorbrak de exclusiviteit van dierproeven als vereiste voor IND-aanvragen (investigational new drug) en erkende alternatieve methoden waaronder organ-on-chip expliciet.
Herhaalde-dosis-toxiciteitstests over meerdere weken zijn mogelijk op chip dankzij de continue mediumverversing en de stabiele kweekconditie die de microfluidische stroming biedt. Nierchips worden ingezet voor nefrotoxiciteitsstudies van kandidaat-API's, waarbij tubulaire transport en glomerulaire filtratie kunnen worden gesimuleerd. Longchips zijn relevant voor inhalatietoxicologie, waarbij aërosolen rechtstreeks op het luchtwegepitheel kunnen worden aangebracht via een lucht-vloeistof-grenslaag (air-liquid interface, ALI).
De markt voor organ-on-chip wordt gedomineerd door een aantal gespecialiseerde bedrijven. Emulate Inc. (Boston, VS), opgericht door oud-onderzoekers van het Wyss Institute, levert het Organ-on-a-Chip-platform met een gestandaardiseerde chip en bijbehorend microfluidisch systeem (Zoë-CM1 Culture Module), inclusief kant-en-klare protocollen voor long, lever, darm, nier en bloed-hersenbarrière. De chips zijn compatibel met high-content imaging en zijn door Emulate gevalideerd in samenwerking met FDA-laboratoria.
Mimetas (Leiden, Nederland) ontwikkelde het OrganoPlate-platform, gebaseerd op een standaard 384-wells-glasplaat met geïntegreerde microfluidische kanalen. De vloeistofstroming wordt gegenereerd door een rocker-systeem dat het plaatvlak periodiek kantelt, waardoor een eenvoudige implementatie zonder externe pompen mogelijk is. OrganoPlate ondersteunt co-culturen van meerdere celtypen in een fase-gescheiden geometrie zonder kunstmatige membraan — een uniek kenmerk in het veld — gebaseerd op patroonvorming door oppervlaktespanning (PhaseGuide-technologie).
Andere relevante leveranciers zijn CN Bio (PhysioMimix MPS-platform, UK), AIM Biotech (3D Cell Culture Chip, idenTx-platform), TissUse (HUMIMIC multi-orgaanplatform, Berlijn) en Hesperos (Human-on-a-Chip). Op het gebied van cultuurinserts bieden Ibidi en Miltenyi Biotec microfluidische glijbanen en kweekslides die een ingang vormen voor gebruikers die met minimale infrastructuurinvestering willen starten.
Organ-on-chip en organoïden zijn complementaire technologieën die beide zijn ontstaan als reactie op de beperkingen van conventionele celkweektechnieken. Organoïden vormen spontaan een complexe, driedimensionale architectuur die sterk lijkt op embryonale organogenese en zijn bijzonder sterk in het modelleren van ontwikkelingsbiologische processen en genetische ziekten. Organ-on-chip biedt meer controle over geometrie, vloeistofstroming en mechanische prikkels, en leent zich beter voor gestandaardiseerde, reproduceerbare farmacologische assays. De combinatie — organoïden ingebed in een microfluidisch systeem — vertegenwoordigt de meest geavanceerde richting in het veld.
Ten opzichte van klassieke monolaagkweek in petrischalen of celviabiliteitsassays biedt organ-on-chip de volgende fysiologische voordelen: aanwezigheid van vloeistofstroming en shear stress, mogelijkheid tot co-cultuur van meerdere celtypen, driedimensionale organisatie van de weefselmicrostructuur, mechanische prikkeling die celdifferentiatie en genexpressie moduleert, en de mogelijkheid om de barrière-integriteit continu te bewaken. De shear stress in de microkanalen wordt direct bepaald door de stroomsnelheid en de viscositeit van het medium, een verband dat in viscosimetrie wordt beschreven.
Ondanks de snelle vooruitgang kent het veld nog relevante uitdagingen. PDMS absorbeert hydrofobe kleine moleculen, wat de concentratie van testcompounds kan verlagen en de farmacologische meting vertekent; thermoplastische alternatieven hebben dit nadeel minder maar zijn complexer te fabriceren. De vascularisatie van dikke weefselconstructs — meer dan 200 micrometer — blijft een uitdaging doordat zuurstof en nutriënten dan onvoldoende diffunderen naar het centrum. Standaardisatie van protocollen, celkwaliteit en meetmethoden tussen laboratoria is onvoldoende om hoge reproduceerbaarheid tussen sites te garanderen. De doorvoer (throughput) van microfluidische platforms is nog altijd lager dan van geautomatiseerde 384- of 1536-wells-systemen, al boeken platforms als OrganoPlate hier grote stappen.
Organ-on-chip-technologie integreert naadloos met moderne analysetechnieken die elders in de kennisbank worden beschreven. Metabolietprofilering van chipeffluenten via LC-MS/MS geeft inzicht in stofwisselingsroutes van kandidaat-geneesmiddelen. Proteomics en 2D-PAGE zijn toepasbaar op celextracten van na het experiment geoogste cellen. Next-generation sequencing van RNA uit chipkweken maakt transcriptomische profilering van de weefselrespons mogelijk. Capillaire elektroforese kan worden ingezet voor de analyse van metabolieten en eiwitten in de kleine volume-effluenten die organ-on-chip-systemen produceren. Beeldvorming met confocale en fluorescentie-microscopie is rechtstreeks toepasbaar dankzij het optisch transparante chipmateriaal.
De acceptatie van organ-on-chip-data door regulatoire instanties is in ontwikkeling. De FDA heeft via haar Innovative Science and Technology Approaches for New Drugs (ISTAND) pilotprogramma een formeel traject gecreëerd voor de kwalificatie van MPS als drug development tool. Het EMA heeft in haar Qualification of Novel Methodologies-procedure vergelijkbare mechanismen. De OECD werkt aan testrichtlijnen specifiek voor MPS. In Nederland adviseert het Nationaal Comité advies dierproevenbeleid (NCad) over alternatieve methoden en faciliteert het door ZonMw ondersteunde Transition Programme for Innovation without the use of animals (TPI) de transitie naar NAM in de Nederlandse farmaceutische en chemische industrie.
Validatiestudies tonen aan dat humane darm-on-chip de absorptie van oraal toegediende geneesmiddelen nauwkeuriger voorspelt dan Caco-2-monolagen, en dat lever-on-chip chloroquine-geïnduceerde fosfolipidose detecteert die in rodentmodellen niet altijd manifest is. Deze bevindingen onderbouwen de toenemende acceptatie van organ-on-chip als aanvullend of vervangend testplatform in het preklinische pakket.
De convergentie van organ-on-chip met aangrenzende technologieën — waaronder CRISPR-Cas9-genbewerkte cellen, biosensoren gebaseerd op elektrochemische impedantiespectroscopie, en kunstmatige intelligentie voor de interpretatie van high-content beeldvorming — maakt de ontwikkeling van volledig geautomatiseerde, patiëntspecifieke testplatforms realistisch. Body-on-a-chip-systemen die acht of meer organen koppelen worden al gedemonstreerd in academische settings. De integratie met bioprinting maakt het mogelijk om vasculaire netwerken direct in de chiparchitectuur te printen, waarna cellen worden ingezaaid.
Voor de toxicologische praktijk biedt organ-on-chip het perspectief van een geïntegreerd, humaan en kwantificeerbaar testsysteem dat de drie R's (Replace, Reduce, Refine) van het dierproefbeleid invult op een schaal die tot voor kort ondenkbaar was.
Een lab-on-a-chip is een brede term voor elk miniatuur apparaat dat één of meerdere laboratoriumprocedures (scheiding, detectie, synthese) integreert op een kleine chip. Een organ-on-chip is een specifieke toepassing van microfluidica waarbij levende humane cellen worden gekweekt om de fysiologie van een orgaan na te bootsen. Alle organ-on-chip-systemen zijn lab-on-chip, maar het omgekeerde geldt niet.
Nog niet. Organ-on-chip-systemen vervangen of verkleinen de behoefte aan dierproeven voor specifieke testdoeleinden, met name in vitro ADME, barrièretoxiciteit en orgaanspecifieke farmacokinetiek. Voor complexe systeemeffecten — zoals immuunrespons op een volledig organisme, endocrinologische bijwerkingen of gedragseffecten — zijn aanvullende modellen of beperkte dierproeven voorlopig nog noodzakelijk. De verwachting is dat een combinatie van meerdere organ-on-chip-systemen, computationele modellen en humane data dierproeven op termijn verder zal reduceren.
Commercieel zijn modellen beschikbaar voor long, lever, darm, nier, hart, bloed-hersenbarrière, huid, bot en tumor. Academisch zijn ook cornea, pancreas, lymfeklier, placenta en spierskeletweefsel gedemonstreerd. De mate van validatie verschilt sterk per orgaanmodel; de darm-op-een-chip en de long-op-een-chip zijn het meest uitgebreid gekarakteriseerd.
De kosten variëren sterk naar platform, celtype en experiment. Een individuele Emulate-chip kost ruwweg in de orde van tientallen euro's; de bijbehorende instrumentatie (Zoë-platform) is aanzienlijk duurder. OrganoPlate-platen van Mimetas vereisen geen pompinstrumentatie en zijn relatief kostenefficiënt per conditie. De totale experimentkosten inclusief celmateriaal, medium en analyse liggen typisch hoger dan voor een standaard 96-wells-assay, maar lager dan een dierstudie. Bij hoge throughput-platforms neemt de kostprijs per datapunt snel af.
Ja, met name voor de studie van host-pathogeen-interacties in de darm, long en huid. Bacteriën, virussen en schimmels kunnen worden geïntroduceerd aan de luminale zijde van de chip, terwijl de barrièrefunctie en immuunrespons van de gastheercel continu wordt bewaakt. Dit maakt organ-on-chip aantrekkelijk voor infectieziekteonderzoek, inclusief COVID-19-studies waarbij humane longchips hebben aangetoond hoe SARS-CoV-2 het longepitheel binnendringt en schaadt.
Disclaimer: de informatie in dit artikel is bedoeld als technische achtergrond en heeft een illustratief karakter. Raadpleeg voor specifieke toepassingen de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van de fabrikant van het gebruikte apparaat en de bijbehorende verbruiksmaterialen.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
