Tesis:
Microfluidic chips as bioreactors for neuron, brain, and skin organ-on-a-chip models
- Autor: HERREROS PÉREZ, Pedro
- Título: Microfluidic chips as bioreactors for neuron, brain, and skin organ-on-a-chip models
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: FISICA APLICABLE E INGENIERIA DE MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/78180/
- Director/a 1º: HOLGADO BOLAÑOS, Miguel
- Director/a 2º: LAGUNA HERAS, Maria Fe
- Resumen: Los dispositivos microfluídicos fabricados y utilizados hoy en día tienen una infinidad de aplicaciones, siendo su finalidad miniaturizar sistemas o procesos de trabajo para poder reducir el coste económico de los ensayos y el tiempo que se necesitan para llevar a cabo dichas tareas. Estos procesos están relacionados generalmente a una aplicación industrial, pero en los últimos tiempos se ha realizado una sinergia entre el campo de la microfluídica con el del cultivo celular, y más concretamente, con el estudio de enfermedades y desarrollo de fármacos.
Los problemas que afronta la industria farmacéutica no dejan de ser comunes a las de otros ámbitos industriales: aumentar el rendimiento y productividad manteniendo lo más bajo posible el coste de operación. Sin embargo, existen ciertos particulares al situarse en una industria relacionada con la salud. En las fases iniciales del desarrollo de un fármaco es de vital importancia encontrar un modelo de estudio que sea capaz de replicar con la máxima fidelidad posible las características fisiológicas de un cuerpo humano, ya que no es posible realizar estudios de fármacos de manera directa en individuos en las fases preclínica del desarrollo de un fármaco. Esta situación ha provocado que históricamente se hayan empleado modelos animales como modelos in vivo para el estudio de enfermedades y el testeo de fármacos y a un nivel sistémico.
Si bien trabajar con modelos animales permite realizar dichos estudios en un individuo y analizar como un fármaco puede afectar a otros sistemas u órganos en su conjunto, presentan ciertos problemas de gran relevancia, como que la extrapolación de resultados a modelos humanos no es fiel, pudiendo tener éxito un potencial fármaco y no teniéndolo posteriormente en un modelo humano, y más recientemente, los problemas éticos que implica el trabajar con animales, llegando al punto de estar prohibidos el uso de estos en ciertos sectores profesionales como la industria cosmética. Por otra parte, los modelos celulares in vitro siempre han sido una gran alternativa que sigue vigente hoy en día. Dichos modelos son capaces de solventar la problemática de extrapolación del resultado a modelos humanos, ya que sí es posible hacer estudios con líneas celulares humanas in vitro. Sin embargo, la mayor limitación de estos cultivos celulares es que no son capaces de replicar modelos de mayor complejidad, quedándose reducido en la mayoría de los casos en interacciones célula-célula. Esto ha provocado el desarrollo de nuevas metodologías in vitro para hacer modelos 3D. Dada las limitaciones que presentan ambos tipos de modelos, en los últimos años se ha hecho un esfuerzo para generar nuevos modelos que puedan unificar las ventajas tanto de los modelos in vivo como los modelos in vitro. En este sentido es cuando la microfluídica y las técnicas de micro-nanofabricación emerge como un elemento disruptor en el campo de la biología molecular para producir lo que se denomina el concepto de organ-on-a-chip.
Esta tesis doctoral está centrada en el diseño, fabricación y optimización de dispositivos microfluídicos organ-on-a-chip que puedan ser compatibles con el cultivo celular y tisular. Se han fabricado y probado satisfactoriamente tres tipos de organ-on-a-chips: neuron-on-a-chips que recrean un modelo de neuronas de invertebrado para el estudio de formación y evolución de redes neuronales, brain slice-on-a-chips que están basados en el cultivo de cortes de cerebro de ratón en condiciones de interfase simulando un cultivo tradicional en placa sobre insertos de membrana y finalmente skin-on-a-chips para la replicación de un modelo de piel humana. Los chips fabricados para estas tres bioaplicaciones están compuestos por PDMS, vinilo y vidrio. Estos tres materiales son la base de la estructura de los chips microfluidicos, y en función de los requerimientos del modelo de estudio se pueden incluir más materiales.
ABSTRACT
Modern microfluidic devices serve many purposes across various fields, aiming to streamline systems and processes to cut down the economic expenses of assays and the time required to perform them. Originally linked mainly to industrial contexts, a recent trend has emerged wherein microfluidics and cell culture intersect, particularly in disease investigation and pharmaceutical advancement.
The challenges encountered by the pharmaceutical sector mirror those faced by other industries: optimizing performance and output while containing operational expenditures. However, the healthcare field introduces its own intricacies. In the early stages of drug development, it becomes imperative to identify a study framework that can closely emulate the physiological attributes of the human body. This necessity arises because evaluating drugs directly on individuals during the preclinical phases is not feasible. Throughout history, this predicament has driven the utilization of animal models as in vivo representatives for studying diseases and conducting systemic drug trials.
While employing animal models facilitates individual studies, enabling the analysis of a drug's impact on non-targeted systems or organs, it raises significant concerns. One crucial issue lies in accurately extrapolating results to human models. A drug that proves effective in an animal model might not yield the same success in a human counterpart, introducing potential discrepancies. Furthermore, a contemporary ethical dimension is intertwined with animal research, leading to outright prohibitions in specific professional sectors, like the cosmetics industry.
Contrastingly, in vitro cellular models have always provided a viable and attractive alternative. These models effectively address the concern of result extrapolation by allowing investigations using human cell lines in controlled environments. Nonetheless, these cell cultures have a noteworthy constraint: they struggle to replicate intricate models, often confined to simple cell-to-cell interactions. This limitation has steered the development of innovative in vitro methodologies, paving the way for creating three-dimensional models.
Considering the constraints inherent in both animal and in vitro models, recent years have witnessed a concerted endeavor to craft novel models that synergize the merits of both in vivo and in vitro approaches. This endeavor has spurred the emergence of microfluidics and micro-nanofabrication techniques as game-changing elements in molecular biology. This transformation is embodied by the "organ-on-a-chip" concept wherein microfluidic platforms mimic physiological processes at the organ level, bridging the gap between traditional models.
This Ph.D. thesis is centered around conceptualizing, creating, and enhancing microfluidic organ-on-a-chip devices intended for seamless integration with cell and tissue cultures. Three categories of chips have been effectively crafted and subjected to testing: neuron-on-a-chips, engineered to replicate an invertebrate neuron model, facilitating the exploration of neuronal network development and evolution; brain slice-on-a-chips, which rely on the cultivation of mouse brain slices under interphase conditions to simulate the traditional plate culture method on membrane inserts; and lastly, skin-on-a-chips, designed to replicate a human skin model faithfully. The chips designed for these diverse bioapplications are manufactured using PDMS, vinyl, and glass as fundamental materials. These three materials define the characteristics of the microfluidic chips, and depending on the requirements of the study model, it is possible to introduce more components. The manuscript comprehensively outlines the entire process, starting from the initial conception of chip designs tailored to the unique demands of each final application.