Lab-on-a-chip tool for the investigation of biological barriers
Epithelial outer, and endothelial inner barriers of the body are important defense systems to maintain homeostasis, and play a crucial role in drug absorption and transport. Culture models of biological barriers are important tools to study physiological functions, transport mechanisms, drug deliver...
Elmentve itt :
| Szerző: | |
|---|---|
| További közreműködők: | |
| Dokumentumtípus: | Disszertáció |
| Megjelent: |
2021-10-05
|
| Kulcsszavak: | biological barriers, blood-brain barrier, lab-on-a-chip device, surface charge, zeta-potential, streaming potential, glycocalyx |
| Tárgyszavak: | |
| doi: | 10.14232/phd.11024 |
| mtmt: | 32868162 |
| Online Access: | http://doktori.ek.szte.hu/11024 |
| Tartalmi kivonat: | Epithelial outer, and endothelial inner barriers of the body are important defense systems to maintain homeostasis, and play a crucial role in drug absorption and transport. Culture models of biological barriers are important tools to study physiological functions, transport mechanisms, drug delivery and pathological processes. Tight intercellular junctions are fundamental features of epithelial and endothelial barriers in vivo, which are reflected in high electrical resistance and low passive permeability for hydrophilic and hydrophobic compounds. These physical and physico-chemical parameters describe the barrier integrity and function accurately. In more detail, the trans-endothelial/epithelial electric resistance (TEER) represents the paracellular ion mobility which gives information about the tightness of the intercellular junctions. The passive permeability of small, charged or electroneutral molecules describe the para- and transcellular pathways. Another important contributor to the barrier function could be the high negative surface charge of the cell monolayers, yet this is the least explored field of the physical properties of the biological barriers. In the past 10 years, besides static models cultured on inserts, dynamic lab-on-a-chip (LOC)/organ-on-chip (OC) devices were developed to study cell-cell interactions, molecular pathways, pathological conditions and drug delivery in biological barriers. These models incorporate the use of fluid flow enabling the investigation of physiological-like functions such as receptor and mechanosensor expression, transport mechanisms, pathologies and drug delivery. LOC/OC devices became important tools since they provide controlled conditions for cellular signaling and external stimulus, and are able to track the development and changes in the barrier function. Confluent monolayers of adherent epithelial or endothelial cells grown on culture inserts are widely used static models for intestinal, lung and blood-brain barriers (BBB). The field of biochips modeling gut and blood-brain barriers has been rapidly evolving during the last fifteen years, while the focus of the devices being shifted according to the main interest of the corresponding study. Our aim was to develop a versatile LOC device that can be used for different kinds of biological barriers, and thus, for different kinds of approaches, as well. Also, the measurement of all crucial physical parameters, such as TEER and permeability assays, are included. The negative surface charge of the cell layers is an important element of the defense system of barriers. A quantitative description of the surface electric properties of cell layers forming biological barriers is essential for the broader understanding of their function in physiological processes and diseases. The role of the negatively charged glycocalyx of the vascular endothelial barrier, for example, is well known in the protection of the cardiovascular system, and important in microbiological infections. Despite the recent boom in LOC devices, no biochip to determine the surface charge of intact cell layers forming biological barriers has been published, yet. A homeosztázis fenntartásában és a gyógyszerbejutás és felszívódás folyamataiban rendkívül fontos szerepet játszanak az epitél és endotél sejtekből felépülő biológiai gátak. Élettani funkciójuk, transzportfolyamataik megértéséhez, illetve gyógyszerhatások és betegségek vizsgálatában a sejttenyészetes modellek kiemelkedően fontosak. Az epitél és endotél rétegek szoros kapcsolatát in vivo a sejtek közötti speciális kapcsolófehérjék biztosítják. Egy ilyen szorosan záródó sejtréteg jellemzői a magas elektromos ellenállás és az alacsony passzív permeabilitás. Ezek a fizikai és fizikai-kémiai paraméterek pontos jellemzést adnak a biológiai gát integritásáról és funkciójáról. A sejtek közötti kapcsolat szorosságát az ionok sejtrétegen keresztüli átjárhatóságával jellemezhetjük, az ezt leíró mennyiség a transz-endoteliális/epiteliális elektromos ellenállás (TEER). A passzív permeabilitás kis méretű lipidoldékony vagy vízoldékony, elektromosan semleges vagy töltéssel rendelkező molekulák sejteken keresztüli, illetve sejtek közötti átjutását jellemzi. A sejtfelszín erősen negatív töltése, amely a sejtfelszíni lipidösszetételből és a glikokalix proteoglikán összetevőiből adódik fontos tényezője a gátfunkciónak. Azonban a biológiai gátak fizikai tulajdonságai közül ez a legkevésbé vizsgált terület. Az elmúlt 10 évben a biológiai gátak modellezésére a statikus tenyésztőbetétek mellett megjelentek a dinamikus csiplaboratóriumi (lab-on-a-chip, LOC) eszközök is. A sejtek közötti kölcsönhatások, molekuláris útvonalak, betegségek és gyógyszerhatások vizsgálatára fejlesztett LOC eszközök modern mérnöki tervezés eredményei. Segítségükkel lehetőségünk nyílik a folyadékáramlás hatásainak vizsgálatára az előbb említett élettani folyamatok tanulmányozására. A LOC eszközök jelentősége abban rejlik, hogy pontosan beállítható környezetet biztosítanak a sejtek szaporodásához, növekedéséhez, és segítségükkel a gátfunkció kialakulása és változásai jól nyomon követhetőek. A statikus tenyésztőbetéten nevelt, szorosan záródó, egysejtréteget alkotó epitél és endotél sejtkultúrák széles körben elterjedt tüdő-, bél- és vér-agy gát in vitro modellek. A biológiai barrierek modellezésére használt biochipek az elmúlt tizenöt évben robbanásszerű fejlődésen mentek keresztül. Nagy előnyük, hogy a felépítésük és a mérési lehetőségek az adott vizsgálathoz igazíthatók.Célunk volt egy sokoldalúan felhasználható eszköz fejlesztése, ami különböző biológiai gátak modellezésére és így különböző célú felhasználásra alkalmas. Emellett alkalmas a fontos fizikai paraméterek, úgymint TEER és permeabilitás nyomon követésére. A sejtfelszín negatív töltése fontos védelmi feladatot lát el a biológiai gátak esetében. Az erek falát alkotó endotél erős negatív töltésű sejtfelszíni glycocalyxszal rendelkezik, melynek fontos szerepe van a keringési rendszer védelmében és mikrobiális fertőzések elleni védekezésben. A felszín elektromos tulajdonságainak kvantitatív jellemzése ezért nélkülözhetetlen az élettani folyamatokban és betegségekben betöltött szerepének jobb megértéséhez. Kísérleteink során ezért további célunk volt a felszíni töltés objektív mérési módszerének kifejlesztése egysejtrétegeken. |
|---|